汽车制造工艺学7

第7章机械加工质量分析12337.1机械加工质量的基本概念7.2工艺系统几何误差与控制7.3工艺系统受力变形误差及其控制返回347.4工艺系统热变形误差与控制357.5影响表面质量的因素及其控制7.1机械加工质量的基本概念汽车产品制造质量包括零件制造质量和装配质量两方面内容，零件机械加工质量是保证产品质量的基础。机械加工质量包括加工几何精度与表面加工质量。加工几何精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。表面质量包括表面几何形状精度和缺陷层等，如图7一1所示零件加工精度是指零件实际几何参数与设计几何参数的接近程度。加工误差是指零件实际几何参数与偏离设计几何参数的数值大小。加工精度用公差等级衡量，其等级数越低则精度越高。加工误差用数值表示，误差值越大则精度越低。一般情况下，零件加工精度越高时，加工成本相对越高，生产效率则越低。加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度。三者关系如下:表面形状误差二尺寸公差伊(30%~50%),表面位置误差“尺寸公差x(65%一85%)。由此可知，形状公差应该限制在位置公差之内;位置公差应限制在尺寸公差之内。尺寸精度越高时，形状和位置精度越高。下一页返回7.1机械加工质量的基本概念表面质量指零件表面的几何特征和表面层的物理、力学性能。表面的几何特征包括表面粗糙度和波度。物理力学性能包括塑性变形、组织变化和表层金属中的残余内应力。1.加工表面几何形状机械加工后的表面几何形状总是以“峰”“谷”交替形式出现。表面粗糙度是指加工表面的微观几何形状误差。国家标准规定:表面粗糙度用在一定长度内(称为基本长度)轮廓的算术平均偏差值Ra或轮廓最大高度R:作为评定指标。表面波度是介于宏观几何形状与微观几何形状误差之间的周期性几何形状误差。LlH=50-1000，则称为表面波度。表面波度通常是由加工过程中工艺系统的低频振动所引起的。上一页下一页返回7.1机械加工质量的基本概念2.加工表面层物理力学性能变化材料的表面层在加工时会产生物理、力学和化学性质的变化，常常在最外层生成氧化膜或其他化合物并吸收、渗进气体粒子，此称之为吸附层。在加工过程中由切削力造成的材料表面为压缩区，将形成塑性变形区域，厚度约在几十至几百微米之内，并随加工方法的不同而改变。压缩区上部为纤维层，由被加工材料与刀具间的摩擦所造成。另外，切削热也会使材料表层产生如同淬火、回火一样的相变以及晶粒大小的改变等。上一页下一页返回7.1机械加工质量的基本概念表面层的物理力学性能不同于基体，其主要表现为以下三方面:(1)表层发生冷作硬化其表层产生冷作硬化的原因在于工件在机械加工过程中，表层受力产生塑性变形，使其内部晶体发生剪切滑移，晶格扭曲、晶粒拉长或破碎甚至纤维化，使表层材料的强度和硬度提高，这种现象称为表面冷作硬化。(2)表层形成残余应力在切削特别是在磨削加工中，由于切削变形和切削热的影响，导致材料表层与内部基体材料间因热胀冷缩不同而处于相互牵制、平衡的弹性应力状态，从而形成残余应力。(3)表层金相组织的可能变化在机械加工特别是磨削加工中，由于切削热的集中，使得材料表面产生高温，促使其发生不同程度的金相组织和性能改变。上一页下一页返回7.1机械加工质量的基本概念工件、刀具、机床和夹具四要素组成了机械加工工艺系统。机械加工工艺系统中产生的误差称为原始误差。工艺系统误差来源于机械制造系统。机械制造系统的组成包括施行方法、机械实体和切削过程三大部分。1.按时间顺序产生的原始误差(1)加工前误差加工前误差包括原理误差、加工误差(装夹误差、调整误差)、机床误差、工装误差和毛坯误差。上一页下一页返回7.1机械加工质量的基本概念(2)加工过程误差加工过程误差包括工艺系统受力变形误差、工艺系统热变形误差和刀具磨损误差。(3)加工后误差加工后误差包括内应力变形和测量误差。2.按影响因素分类的工艺系统误差①工艺系统几何误差。②工艺系统受力变形误差。③工艺系统热变形误差。下节按以上三个方面，逐一展开分析讨论工艺系统的误差以及应该采取的对应措施上一页返回7.2工艺系统几何误差与控制加工原理误差是指采用近似成形运动或近似刀刃轮廓进行加工而产生的误差。实际上绝大多数加工均采用近似成形运动与近似刀刃轮廓。如图7-2所示，滚刀滚切渐开线齿面时的齿形误差就是加工原理误差，这是因为滚刀是由有限个非光滑渐开线切削刃所包络而形成的近似刀刃轮廓。用三坐标数控铣床加工复杂曲面时，采用的也是近似刀具轮廓，其所形成的误差亦属于加工原理误差。采用近似成形运动或近似刀刃轮廓的好处是能够简化机床结构或刀具形状，提高生产效率。当加工误差不超过10%一15%公差值时，一般可满足生产要求。有时因机床结构或刀具形状的简化可使近似加工的精度比使用准确切削刃轮廓及准确成形运动进行加工所得到的精度还要高。因此，在生产中，存在一定加工原理误差的加工方法仍在广泛使用。下一页返回7.2工艺系统几何误差与控制在零件加工的每一道工序中对机床、夹具和刀具进行调整，1.试切调整法试切调整法的工作顺序是:寸一比较，按差值重复上述过程切削整个表面，如图7一3所示。2.按定程机构调整，为了获得被加工表面的合格形状、尺寸和位置精度，必须但采用任何调整方法及使用任何调整工具都难免带来一些原始误差，这就是调整误差。初调刀具位置一试切一测量尺，当达到所要求的尺寸后，再定程机构包括行程挡块、靠模和凸轮等;调整块备有限位块、对刀块限位块可保证工件定位准确和刀具位移准确;用对刀块对刀调整，将使刀具与工件处于相对理想位置，如图7-4所示。钻套也属于一种限位块，钻套可确定钻头的位置，如图7一5所示上一页下一页返回7.2工艺系统几何误差与控制3.按样件或样板调整在大批大量生产中常采用多刀加工，往往通过样件来调整切削刃间的相对位置。4.在线调整在线调整实际上包括在线测量工件尺寸并及时调整刀具进给量。这种方法适用于高精度零件加工。测量、调整和切削等机构可以综合为相互联系、协调的自动化系统，如图7-6所示。必须指出，采用任何调整方法及使用任何调整工具都难免带来一些原始误差。比如，用试切法调整会存在测量误差、进给机构的位移误差以及受到最小极限切削厚度的影响;用调整法调整将必然存在定程机构误差，样板或样件调整时的样板或样件的误差等。表7一1集中了调整误差来源及形成因素上一页下一页返回7.2工艺系统几何误差与控制7.2.3主轴回转误差1.主轴误差分解机床主轴回转运动误差，即主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移，如图7-7所示其误差形式可以分解为径向跳动、轴向窜动和角度摆动三种，如图7一8所示实际上，主轴回转误差的三种基本形式一般将同时存在。2.主轴误差原因产生主轴径向误差的原因主要来自主轴误差和轴承误差。主轴误差包括主轴径的圆度误差和同轴度误差。轴承误差主要指轴承孔的圆度误差。上一页下一页返回7.2工艺系统几何误差与控制当主轴采用滑动轴承支承时，主轴轴径和轴承孔双方的圆度误差将对主轴回转精度产生直接影响。对于工件回转类机床，在切削力F作用下主轴会出现径向偏移，其将以不同的部位和轴承内孔某一部位相接触。此时主轴形状误差突出为影响回转精度的主要因素，而轴承内孔的圆度误差对主轴回转精度却没有任何影响。图图7-9(a)所示为车床主轴不圆度影响回转精度的情况，图7-9(a)中戈为径向跳动量。对于刀具回转类机床，切削力的方向随主轴回转而变化，主轴轴径以某一固定位置与轴承孔的不同位置相接触。这时，轴承孔的形状精度突出为影响回转精度的主要因素。图7-9(b)表示锁床轴承孔不圆度影响回转精度的情况。另外，主轴可能会出现轴向窜动，其主要是由主轴承载轴肩与轴线的垂直度误差所引起的。上一页下一页返回7.2工艺系统几何误差与控制3.主轴回转误差的影响在分析主轴回转误差对加工精度的影响时，首先要注意到主轴回转误差在不同方向上的影响是不同的。分析主轴回转误差对加工精度的影响时，应着重分析误差敏感方向的影响。各种原始误差的大小和方向各不相同。因此，不同方向的原始误差对加工精度的影响互不相同。当原始误差与加工精度两者方向一致时，原始误差对加工精度的影响最大，两者一致的方向称为敏感方向，而敏感方向险哈是切削平面的法线方向。在敏感方向上，原始误差将以1:1的比例转变成加工误差。上一页下一页返回7.2工艺系统几何误差与控制在除敏感方向以外的其他方向上，原始误差的影响都将不同程度地减小。以卧式车床上车外圆为例，如图7一10所示，当存在某种原始误差而使车刀在水平方向偏离正确位置△R时，在工件直径方向所产生的加工误差应为:当车刀在垂直方向偏离正确位置△y,时，由图7一11中三角形可知:展开后略去二阶微量(OR)2，则在工件直径方向产生的加工误差为:上一页下一页返回7.2工艺系统几何误差与控制敏感方向随机床类型而异，因此，敏感方向可分为固定和变化两种类型。如在车床上加工，因刀具固定，使得切削平面固定不变，此为敏感方向固定情况。而在锁床上加工，因锁刀回转，切削平面旋转，故敏感方向为变化型，从而对这类机床的主轴回转精度要求更高。表7-2列出了常用机床的敏感方向。实际上，各类机床主轴回转误差对加工精度影响的结果是:机床主轴径向跳动会使工件产生圆度误差若锁孔时锁杆做水平简谐运动，则锁刀轨迹就是椭圆，如图7-12所示主轴轴向窜动会形成下列误差:加工端平面时，会造成被加工平面与圆柱面不垂直;加工螺纹时，会产生小周期螺距误差。在锁床上锁孔时，锁杆角度摆动会锁削出椭圆柱面来上一页下一页返回7.2工艺系统几何误差与控制4.提高主轴精度措施根据前面分析，首先要求主轴前轴承选用精度、刚度较高的轴承，并对滚动轴承进行预紧。当采用滑动轴承时，则应采用静压轴承。其次是提高主轴箱体支承孔、主轴轴颈等与轴承配合相关表面的加工精度。再者，为了使主轴回转误差不影响工件，还可采取一些相应措施，如采用死顶尖磨削外圆，只要保证定位中心孔的形状与位置精度，即可加工出高精度的外圆柱面上一页下一页返回7.2工艺系统几何误差与控制7.2.4机床导轨误差机床导轨副是实现导轨直线运动的主要部件，其制造和装配精度是影响轨迹直线运动精度的主要因素。导轨误差会对零件的加工精度产生直接影响。如图7一13所示，车床导轨[见图7一13(a)〕水平误差△y,将使工件[见图7一13(b)出现半径误差△R。当磨削长外圆柱表面时，磨床导轨将引起工件的圆柱度误差。导轨在垂直面内直线度误差对加工精度的影响。导轨在垂直方向上的误差将使平面磨床、龙门刨床、铣床等产生法向位移，其误差直接反映到工件的加工表面(误差敏感方向)上体现为水平面上的形状误差。导轨在垂直面内直线度误差对车床影响较小。从图7一14可看出，当导轨在垂直面内直线度存在误差△:时，反映到工件半径方向上的误差为△R，而反映出的加工误差则可以忽略不计。根据关系式:上一页下一页返回7.2工艺系统几何误差与控制所以此值完全可以忽略不计。机床导轨面间平行度误差的影响。如图7一15所示，车床两导轨的平行度产生误差(扭曲)，使鞍座出现横向倾斜，刀具相应发生位移，因而引起工件形状误差。由图7一15可知:机床导轨对主轴轴心线平行度误差的影响。当在车床类或磨床类机床上加工工件时，如果导轨与主轴轴心线不平行，则会引起工件的几何形状误差。例如车床导轨与主轴轴心线在水平面内不平行，会使工件的外圆柱表面产生锥度;在垂直面内不平行时，会使工件加工成马鞍形。上一页下一页返回7.2工艺系统几何误差与控制7.2.5机床传动误差对于某些加工方法，为保证工件的精度，要求工件和刀具间必须保持准确的传动关系。如车削螺纹时，要求工件旋转一周，刀具直线移动一个导程。机床传动时必须保持持S=iT为恒值。其中，S为工件导程，T为丝杠导程，i为齿轮传动比。所以车床丝杠导程和各齿轮的制造误差都必将引起工件螺纹导程的误差。为了减少机床传动误差对加工精度的影响，可以采用如下措施。1.减少传动链中的环节，缩短传动链因为