机械加工精度及其控制

1第2章机械加工精度及其控制本章要点影响加工误差的因素工艺系统几何误差工艺系统受力变形工艺系统热变形加工误差的统计分析提高加工精度途径2机械制造工艺学第2章机械加工精度及其控制AnalysisandControlofMachiningPrecision2.1概述IntroductiontoMachiningPrecision32.1.1机械加工精度尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量加工质量包含的内容42.1.1机械加工精度加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数（尺寸、形状和表面间的相互位置）符合程度。加工误差：零件的实际几何参数与理想几何参数的偏差。两者关系：加工精度的合理制定：一般加工精度越高则加工成本相对越高，生产效率则相对越低，因此设计人员应根据零件的使用要求，合理规定零件的加工精度，工艺人员则根据设计要求生产条件适当的工艺方法以保证加工误差不超过允许范围，并尽量提高生产率和降低成本。两者从不同角度来评定加工零件的几何参数。加工精度的高低是由加工误差的小大来表示的，保证和提高加工精度问题，实际上是限制和降低加工误差问题。52.1.1机械加工精度加工精度内容：尺寸精度形状精度位置精度尺寸精度、形状精度和位置精度三者之间关系：通常形状公差限制在位置公差内，而位置误差一般限制在尺寸公差之内。当尺寸精度要求高时，相应的位置精度、形状精度也要求高。但形状精度或位置精度要求高时，相应的尺寸精度不一定要求高，这要根据零件的功能要求来决定。工艺系统:在机械加工时，机床、刀具，夹具和工件构成一个完整的系统，为工艺系统。工艺系统误差与加工误差关系(因果关系)工艺系统中的种种误差，在不同的具体条件下，以不同的程度和方式反映为加工误差，工艺系统的误差时”因”,是根源；加工误差是“果”，是表现。6工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。2.1.2影响加工精度的原始误差及分类原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具静止状态下的误差原始误差——原始误差分类原始误差构成72.1.2影响加工精度的原始误差及分类活塞销孔精镗工序中的原始误差定位误差F设计基准定位基准热变形对刀误差夹紧误差菱形销导轨误差82.1.3误差敏感方向图中：ΔRΔYΔR=ΔX202YYRRXRX显然：XYRR工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。误差敏感方向ＯYXa）ＯYXb）92.1.4研究加工质量的方法◆理论方法：运用物理学和力学原理，分析研究某一个或某几个因素对加工精度或表面质量的影响。◆试验方法：通过试验或测试，确定影响各因素与加工质量指标之间的关系。◆统计分析方法：运用数理统计原理和方法，根据被测质量指标的统计性质，对工艺过程进行分析和控制。物理方法数学方法实际生产中上述两种方法常常结合起来应用。102.1.5全面质量管理（TQM）一个组织以质量为中心，以全员参与为基础，通过让顾客满意和本组织成员及社会受益而达到长期成功的管理途径。质量第一一切为用户服务质量形成于生产全过程质量好坏凭数据说话预防为主，防检结合以人为本动态管理全面质量管理概念全面质量管理基本观点112.1.5全面质量管理（TQM）ISO9000质量标准ISO9000族质量标准相互关系指导性文件认证标准基础性文件名词术语ISO9000ISO9002ISO9001ISO9003ISO9004ISO8402ISO9000是国际标准化组织（ISO）制定的质量标准体系，它由一系列质量标准组成，其中最主要和应用最广泛的有6项标准，各项质量标准之间的关系如图所示。122.1.5全面质量管理（TQM）ISO9000质量体系认证可以对ISO9001、ISO9002和ISO9003中任意一个进行认证。这3个认证标准在内容上是逐次包容的。设计合同采购管理职责文件培训统计服务质量系统内部产品标记跟踪检测试验检验装置检验记录不合格品处理交货质量记录内部控制改进活动过程控制ISO9001（20项）ISO9001、ISO9002、ISO9003之间的关系ISO9002（18项）ISO9003（12项）13机械制造工艺学2.2工艺系统几何精度对加工精度的影响GeometricPrecisionsofTechnologicalSystemanditsinfluencetomachiningPrecision第2章机械加工精度及其控制AnalysisandControlofMachiningPrecision14加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。2.2.1加工原理误差式中R——球头刀半径；h——允许的残留高度。又如用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮例如在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件（见图）Sh空间曲面数控加工8SRh加工原理误差采了近的成型运动或近的刀刃轮廓，常常可以简化机床结构或刀具形状，或可提高生产率，有时还可得到较高加工精度。故在生产中广泛采用，其前提是原理误差不超过规定精度要求（通常原理误差不超过10～15％工件公差）。152.2.2调整误差测量误差试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差机床进给机构的位移误差定程机构误差样件或样板误差测量有限试件造成的误差和试切法有关的误差a）b）试切法与调整法试切法（图a）调整法（图b）16导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差包括：导轨在水平面内的直线度，导轨在垂直面内的直线度，前后导轨平行度（扭曲），导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等导轨导向误差对加工精度的影响导轨水平面内直线度误差：误差敏感方向，影响显著导轨垂直面内直线度误差：误差非敏感方向，影响小导轨扭曲：对加工精度的影响显著（图）导轨扭曲引起的加工误差δΔRDγBXYΔX2.2.3机床误差导轨导向误差导轨导向误差概念BHHR17导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响2.2.3机床误差成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响fαZΔzΔzαc）HyR0fXZLfdD－ΔdΔxa）b）a）c）水平面内不平行b)垂直面内不平行18影响导轨导向精度的主要因素2.2.3机床误差机床制造误差机床安装误差导轨磨损192.2.3机床误差主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。用平均回转轴线（主轴各瞬时回转轴线的平均位置）代替。为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式。主轴回转误差b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动主轴回转误差基本形式主轴回转误差概念202.2.3机床误差主轴回转误差对加工精度的影响主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）≦5微米考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：e径向跳动对镗孔精度影响式中R——刀尖回转半径；φ——主轴转角。()cossinXReYR显然，上式为一椭圆。21径向跳动对车外圆精度影响132.2.3机床误差仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆（图）。思考：主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率为主轴转速两倍，被车外圆形状如何？结论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差e主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）222.2.3机床误差主轴端面圆跳动对加工精度的影响(2~3微米）对圆柱面加工没有影响；被加工端面不平，与圆柱面不垂直（如主轴回转一周，端面跳动一次，加工出的端面近似螺旋面）；加工螺纹时，产生螺距周期性误差。2πφπSΔx主轴端面跳动引起螺距加工周期误差232.2.3机床误差主轴倾角摆动对加工精度的影响（1）几何轴线相对与平均轴线在空间成一定锥角的圆锥运动若沿与平均轴线垂直的各个截面来看，相当于几何轴线绕平均轴心做偏心运动，只是各截面的偏心量不同。因此，无论车削还是镗削都能获得一个正圆柱。（2）几何轴线在某一平面内作角度摆动若频率和主轴回转频率一致，沿与平均回转轴线垂直的各个截面看，车削表面是一个圆，整体为一圆柱，镗孔时，在垂直于主轴平均轴线的各个截面内都形成椭圆，整体加工出椭圆柱。242526AB2.2.3机床误差影响主轴回转精度的主要因素内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差轴径不圆引起车床主轴径向跳动滑动轴承（注意切削力的方向）镗床——轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动滚动轴承车床——轴径不圆引起车床主轴向跳动（注意其频率特性）静压轴承——对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用272.2.3机床误差推力轴承滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差轴承间隙的影响a）b）Δ≈0Δ止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响影响主轴回转精度的主要因素轴承间隙过大，使主轴工作时油膜厚度增大．油膜承载能力降低，当工作条件(载荷、转速等)变化时，油楔厚度变化较大，主轴轴线漂移量增大。282.2.3机床误差与轴承配合的零件误差的影响轴承内、外圈或轴瓦受力后容易变形，与之配合的轴颈或箱体支承孔的圆度误差，使轴承圈或轴瓦发生变形而产生圆度误差；与轴承圈端面配合的零件如轴肩、过渡套、袖承端盖、螺母等的有关端面的平面度误差，或与主轴回转轴线不垂直，会使轴承圈滚道倾斜，造成主轴回转轴线的径向、轴向漂移；箱体前后支承孔、主轴前后支承轴颈的同轴度会使轴承内外圈滚道相对倾斜，同样也会引起主轴回转轴线的漂移。主轴转速的影响由于主轴部件质量不平衡、机床各种随机振动以及回转轴线的不稳定随主轴转速增加而增加，使主轴在某个转速范围内的回转精度较高，超过这个范围时，误差就较大。产生轴线的漂移。主轴系统的径向不等刚度和热变形主轴系统的刚度，在不同方向上往往不等，受外力作用时变形不一致。机床工作时，主轴系统的温度将升高，轴承径向热变形不相等，前后轴承的热变形也不相同，主轴必须停车时使温度发生变化，引起主轴回转轴线的位置变化和漂移而影响主轴回转精度。292.2.3机床误差传统测量方法存在问题主轴回转误差的测量传统测量方法a)b)主轴回转误差测量法1—摆动盘2，4—传感器3—精密测球5—放大器6—示波器准确测量方法包含心轴、锥孔误差在内非运动状态。302.2.3机床误差提高主轴部件制造精度对滚动轴承进行预紧使主轴回转精度不反映到工件上提高主轴回转精度的措施磨床采用死顶尖支承用镗模镗孔31机床传动误差对加工精度的影响齿轮机床传动链z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd111sinnnjjjnjjjjkktk以齿轮机床传动链为例：式中Δφn——传动链末端元件转角误差；kj——第j个传动元件的误差传递系数，表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度，其数值等于该元件至末端元件的传动比；ωn——传动链末端元件角速度；αj——第j个传动元件转角误差的初相角。2.2.3机床误差机床传动误差32缩短传动链长度提高末端元件的制造精度与安装精度采用降速传动采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节对传动误差进行补偿末端元件转角误差传动链误差的频谱分析a)ΔφΣφ