第4章 机械加工质量及其控制

第四章机械加工质量及其控制第一节机械加工精度概述一、加工精度与加工误差加工精度：加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和相互位置）与理想几何参数的接近程度；实际值愈接近理想值，加工精度就愈高。零件的加工精度包含尺寸精度、形状精度和位置精度等三方面的内容。(1)尺寸精度指机械加工后零件的直径、长度和表面间距离等尺寸的实际值与理想值的接近程度。(2形状精度指机械加工后零件几何图形的实际形状与理想形状的接近程度。(3)位置精度指机械加工后零件几何图形的实际位置与理想位置的接近程度。加工误差：零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和相互位置）对理想几何参数的偏离量称为加工误差。公差：加工误差允许变动的范围，就是公差。公差是用来限制加工误差大小的，公差值越小，允许的加工误差越小，加工精度就越高，所以，公差等级可以衡量加工精度。二、加工经济精度加工经济精度是指在正常生产条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保证的加工精度。每一种加工方法的加工经济精度并不是固定不变的。加工误差δ和加工成本C有图4-1所示的关系。第二节影响机械加工精度的因素影响加工精度的主要因素有：1）工艺系统的几何误差，包括机床、夹具和刀具等的制造误差及其磨损。2)工件装夹误差。3)工艺系统受力变形引起的加工误差。4）工艺系统受热变形引起的加工误差。5)工件内应力重新分布引起的变形。6)其他误差，包括原理误差、测量误差、调整误差等。一、工艺系统的几何误差（一）机床的几何误差1．主轴回转误差主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。为便于分析，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向圆跳动和角度摆动三种不同形式的误差。主轴回转误差将直接影响被加工工件的形状精度和位置精度。(1)径向圆跳动概念：它是主轴回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量，如图4-2a所示。图4-2车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差。产生的主要原因：主轴支承轴颈的圆度误差、轴承工作表面的圆度误差等。若机床主轴采用滑动轴承结构：a.切削力F的作用方向不变（见图4-3a车外圆的情形)在切削力F的作用下，主轴颈以不同的部位与轴承内径的某一固定部位相接触，此时主轴支承轴颈的圆度误差将直接反映为主轴径向圆跳动δd，而轴承内径的圆度误差则影响不大；b.切削力F的作用方向变化（见图4-3b镗床镗孔)在切削力F的作用下，主轴总是以其支承轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，因此，轴承内表面的圆度误差将直接反映为主轴径向圆跳动δd，而主轴支承轴颈的圆度误差则影响不大。图4-3若机床主轴采用滚动轴承结构：在车床上车外圆时，滚动轴承内环外滚道的圆度误差对主轴径向圆跳动影响较大。在镗床上镗孔时，轴承外环内滚道的圆度误差对主轴径向圆跳动影响较大。上述两种情况滚动体的尺寸误差将直接影响主轴径向圆跳动误差的大小。（2）轴向圆跳动概念：它是主轴回转轴线沿平均回转轴线方向的变动量，如图4-2b所示。产生的主要原因：主轴轴肩端面和推力轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。图4-2车端面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差。(3)角度摆动概念：主轴回转轴线相对平均回转轴线成一倾斜角度的运动，如图4-2c所示。图4-2车削时，它使加工表面产生圆柱度误差和端面的形状误差。提高机床主轴的回转精度的措施：提高主轴及箱体轴承孔的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等。2.导轨误差卧式车床导轨误差对加工精度的影响：(1)导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨在水平面内有直线度误差Δy时，工件半径产生ΔR=Δy的误差。导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加工工件表面的法线方向（误差敏感方向）上，对加工精度的影响最大。(2)导轨垂直平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨在垂直平面内有直线度误差Δz时，也会使车刀在水平面内发生位移（图4-5)，使工件半径产生误差ΔR,ΔR≈（Δz)2/(2R)。与Δz值相比，ΔR属微小量，由此可知，导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度影响很小，一般可忽略不计。(3)导轨间的平行度误差对加工精度的影响当前后导轨在垂直平面内有平行度误差（扭曲误差）时，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生圆柱度误差。导轨间在垂直方向有平行度误差Δl3时，如图4-6所示，将使工件与刀具的正确位置在误差敏感方向产生Δy≈（H/B)×Δl3的偏移量，使工件半径产生ΔR＝Δy的误差，对加工精度影响较大。除了导轨本身的制造误差之外，导轨磨损是造成机床精度下降的主要原因。选用合理的导轨形状和导轨组合形式，采用耐磨合金铸铁导轨、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨以及对导轨进行表面淬火处理等措施均可提高导轨的耐磨性。3．传动链误差概念：传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。影响：有些加工方法（如车螺纹，滚齿，插齿等），要求刀具与工件之间必须具有严格的传动比关系。机床传动链误差是影响这类表面加工精度的主要原因之一。传动链误差的计算：（以图4-7所示滚齿机传动系统为例）设滚刀轴均匀旋转，若齿轮z1有转角误差Δφ1，而其他各传动件假设无误差，则由Δφ1产生的工件转角误差式中i差——差动机构的传动比；K1——齿轮z1到工作台的传动比，K1反映了齿轮z1的转角误差对终端工作台传动精度的影响程度，称为误差传递系数。同理，若第j个传动元件有转角误差ΔΦj，则该转角误差通过相应的传动链传递到被切齿轮的转角误差Δφjn=KjΔφj式中Kj——第j个传动件的误差传递系数。由于所有传动件都可能存在误差，因此，被切齿轮转角误差的总和Δφ∑为分析上式可知，提高传动元件制造精度和装配精度，减少传动件数，均可减小传动链误差。（二）刀具的几何误差刀具误差对加工精度的影响：a.采用定尺寸刀具（例如钻头、铰刀、键槽铣刀、圆拉刀等）加工时，刀具的尺寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度。b.采用成形刀具（例如成形车刀、成形铣刀、齿模数铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的形状误差和磨损将直接影响工件的形状精度。c.对于一般刀具（例如车刀、镗刀、铣刀等），其制造误差对工件加工精度无直接影响刀具的尺寸磨损量NB：NB是在被加工表面的法线方向上测量的。刀具的尺寸磨损量可用下式计算NBo为初期磨损量；KNB为正常磨损阶段曲线的斜率，称为相对磨损。（三）夹具的几何误差夹具的几何误差对工件的加工精度有很大影响。例：图4-9所示钻床夹具中，影响工件孔轴线a与底面B间尺寸L和平行度的因素有：钻套轴线f与夹具定位元件支承平面c间的距离和平行度误差；夹具定位元件支承平面c与夹具体底面d的垂直度误差；钻套孔的直径误差等。在设计夹具时，对夹具上直接影响工件加工精度的有关尺寸的制造公差一般取为工件上相应尺寸公差的1/2～1/50。夹具元件磨损将使夹具的误差增大。为保证工件加工精度，夹具中的定位元件、导向元件、对刀元件等关键易损元件均需选用高性能耐磨材料制造。二、装夹误差装夹误差包括定位误差和夹紧误差两个部分。（一）定位误差概念：因定位不正确而引起的误差称为定位误差。包括两部分，①定位基准与工序基准不重合引起的误差，②定位面和定位元件制造不准确引起的误差。以加工实例来说明产生定位误差的原因。工序尺寸H，工序基准A，孔中心线是定位基准，孔表面是定位基面，孔的尺寸为ΦD，外圆直径为Φd，内外圆同轴度公差要求为φδ，心轴直径尺寸为φd轴0HTDT00dT0轴T在加工一批工件过程中，铣刀位置保持不变，但工件内外圆直径却是变化的，工序基准A的位置将随着工件内外圆直径和心轴直径实际尺寸变化而变化，这会给加工带来误差，其值为工序基准在工序尺寸方向上的最大变动量，即定位误差，用Δdw表示。Δdw由基准不重合误差Δjb，和定位副（含工件定位基面和定位元件）制造不准确误差Δdb两部分组成，定位误差Δdw值为上述两项误差在工序尺寸方向上的代数和，即Δdw＝Δjb±ΔdbΔdb＝TD/2＋T轴/2＋Δs/2式中Δs——定位孔和心轴外圆间最小配合间隙，Δs=Dmin－d轴max在不考虑定位副制造误差的条件下Δjb＝Td/2＋δ图4-10a所示铣平面工序的定位误差Δdw＝Δjb＋Δdb＝TD/2＋T轴/2＋Δs/2＋Td/2＋δ（二）夹紧误差工件或夹具刚度过低或夹紧力作用方向、作用点选择不当，都会使工件或夹具产生变形，造成加工误差。用三爪自定心卡盘装夹薄壁套筒镗孔时的情形。三、工艺系统受力变形引起的误差（一）工艺系统刚度1．工艺系统刚度概念：垂直作用于工件加工表面的背向力Fp与工艺系统在该方向上的变形y的比值，称为工艺系统刚度k系（N/mm)k系＝Fp/y（4-4）式中y=yFp＋yFc＋yFf，其中yFp为在Fp力作用下工艺系统在y方向的变形量；yFc为在主切削力Fc作用下工艺系统在y方向的变形量；yFf为在进给力Ff作用下工艺系统在y方向产生的变形量。讨论：yFc与yFf有可能和yFp同向，也有可能和yFp反向，所以就有可能出现y0，y=0和y0三种情况，与此相对应，工艺系统刚度k系有可能出现k系0，k系→∞和k系＜0三种情况。如果将工艺系统刚度k系定义为Fp/yFp，则将不会出现k系＜0或k系→∞的情况。由于单独测量yFp、yFc、yFf非常困难，而测量总变形y系却是一件轻而易举的事，所以工艺系统刚度仍以式（4-4）定义。图4-12给出了一个按工艺系统刚度定义（公式4-4）计算可能会出现负刚度情况的实例。方刀架在Fc力作用下引起的y向变形yFc与Fp力作用下引起的y向变形yFp的方向相反，如果│yFc│＞yFp，就将出现y0的“负刚度”情况，此时车刀刀尖将扎入工件。工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量y系应为工艺系统各组成环节在此位置受该力作用产生的变形量的代数和，即y系＝y机床＋y刀具＋y夹具＋y工件（4-5)根据刚度定义知：k机床＝Fp／y机床，k刀具＝Fp/y刀具，k夹具＝Fp/y夹具，k工件＝Fp/y工件，将它们代入上式得（4-6)由式（4-6)知，工艺系统刚度的倒数等于系统各组成环节刚度的倒数之和。若已知各组成环节的刚度，即可由式（4-6)求得工艺系统刚度。工艺系统刚度主要取决于薄弱环节的刚度。2.机床刚度机床结构较为复杂，它由许多零、部件组成，其刚度值迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法进行测定。图4-13给出了一个采用静测定法测定机床刚度的示意图。从测力环的指示表中即可显示出刀架与心轴之间作用力Fp的大小。主轴箱和尾座上，它们各承受Fp/2力的作用。主轴箱、尾座和刀架的变形量y主轴、y尾座、y刀架可分别由千分表2,3,7读出，由此可求得各部件刚度：k主轴=Fp/(2y主轴）；k尾座＝Fp/(2y尾座）；k刀架＝Fp/y刀架。测得机床部件刚度k主轴、k尾座、k刀架之后，就可以通过计算求得机床刚度。当刀架处于图4-13所示位置时，工艺系统的变形量由刚度定义，上式可写为设k工件、k夹具相对较大，由式(4-6)知k系≈k机床，代入上式3．机床部件刚度图4-14是一台车床刀架部件的实测刚度曲线图，曲线反映了三次加载、卸载过程中的变形情况。分析图4-14所示刀架刚度试验曲线可知，机床部件刚度具有以下特点：1)变形与载荷不成线性关系，曲线上各点的实际刚度（各点斜率）是不同的，这说明机床部件的变形不纯粹是弹性变形。2）加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线；两曲线所包容的面积代表加载和卸载循环中消耗的能量，它消耗于克服部件内零件间摩擦力和接触塑性变形所做的功。3)第一次卸载后，刀架恢复不到第一次加载的起点，这说明有残余变形存在，经多次加载和卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零。4)部件实测刚度远比按实体结构估算值小。原因是部件由许许多多零件组装而成，零件间有间隙，结合面间有接触变形，由于这些因素的影响，总的变形就大了。（二）工艺系统刚度对加工精度的影响1．加工过程中由于工艺系统刚