61機械加工精度.ppt

6機械制造過程質(zhì)量分析 生產(chǎn)任何一種機械產(chǎn)品 都要求在保證質(zhì)量的前提下 做到高效率 低消耗 產(chǎn)品的質(zhì)量是第一位的 沒有質(zhì)量 高效率 低成本就失去了意義 產(chǎn)品質(zhì)量是指用戶對產(chǎn)品的滿意程度 它有三層含意 一是產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量 二是產(chǎn)品的制造質(zhì)量 三是服務(wù) 以往強調(diào)較多的往往是制造質(zhì)量 現(xiàn)代的質(zhì)量觀 主要站在用戶的立場上衡量 當今 服務(wù)也占據(jù)越來越重要的地位 產(chǎn)品質(zhì)量 制造質(zhì)量 它主要指產(chǎn)品的制造與設(shè)計的符合程度 設(shè)計質(zhì)量 主要反映所設(shè)計的產(chǎn)品 與用戶 顧客 的期望之間的符合程度 服務(wù)主要包括售前的服務(wù) 售后的培訓(xùn) 維修 安裝等 產(chǎn)品的制造質(zhì)量主要與零件制造質(zhì)量 產(chǎn)品的裝配質(zhì)量有關(guān) 零件的制造質(zhì)量是保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ) 零件的機械制造質(zhì)量包括零件幾何精度和零件表面層的物理機械性能兩個方面 零件的幾何誤差包括尺寸誤差 幾何形狀誤差和位置誤差 幾何形狀誤差又可分為宏觀幾何形狀誤差 波度和微觀幾何形狀誤差 參見下圖 微觀幾何形狀誤差 波度與宏觀幾何形狀誤差 表面粗糙度是加工表面的微觀幾何形狀誤差 其波距 L3 與波高 H3 之比一般小于50 波距 L2 與波高 H2 之比在50 1000范圍內(nèi)的幾何形狀誤差 稱為波度 波距 L1 與波高 H1 之比大于1000的幾何形狀誤差 稱為宏觀幾何形狀誤差 幾何形狀誤差 零件表面層物理機械性能方面的質(zhì)量主要是指表面層材料的冷作硬化 金相組織的變化 殘余應(yīng)力 本章將機械制造質(zhì)量分成加工精度和表面質(zhì)量兩個方面來研究 前者包括尺寸精度 宏觀幾何形狀精度和位置精度 后者包括表面粗糙度 波度和表面層材料物理機械性能 6 1機械加工精度 一 概述1 加工精度與加工誤差所謂加工精度是指零件加工后的實際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)的符合程度 零件加工后的實際幾何參數(shù)對理想幾何參數(shù)的偏離程度 稱為加工誤差 只要求滿足規(guī)定的公差要求即可 有關(guān)加工精度與加工誤差的理解 應(yīng)注意以下幾個方面內(nèi)容 1 零件的幾何參數(shù)指尺寸 幾何形狀及相互位置 就是加工精度和加工誤差的三個方面的向容 即 加工精度包括尺寸精度 形狀精度和位置精度 在精密加工中 形狀精度往往占主導(dǎo)地位 2 理想幾何參數(shù) 的正確含義即 對于尺寸是指尺寸的公差帶中心 對于形狀和位置 則是絕對正確的形狀和位置 如絕對的圓和絕對的平行等等 3 加工精度是由零件圖紙或工藝文件以公差T給定的 而加工誤差則是零件加工后的實際測得的偏離值 一般說 當 T時 就保證了加工精度 加工精度和加工誤差是從兩個不同的角度來評價零件幾何參數(shù)的同一事物 一批零件的加工誤差是指一批零件加工后 其幾何參數(shù)的分散范圍 2 加工經(jīng)濟精度由于在加工過程中有很多因素影響加工精度 所以同一種加工方法在不同的工作條件下所能達到的精度是不同的 加工經(jīng)濟精度指的是 在正常加工條件下所能保證的加工精度 某種加工方法的加工經(jīng)濟精度應(yīng)理解為一個范圍 加工誤差 與加工成本C成反比關(guān)系 用同一種加工方法 如欲獲得較高的精度 成本就要提高 反之亦然 加工成本與加工誤差之間的關(guān)系 上述關(guān)系只是在一定范圍內(nèi)才比較明顯 如圖中之AB段 而A點左側(cè)之曲線幾乎與縱坐標平行 即使成本提高的很多 但精度提高得卻很少乃至不能提高 相反 B點右側(cè)曲線幾乎與橫坐標平行 即使工件精度要求很低 也必須耗費一定的最低成本 加工精度 尺寸精度 如長度 高度 寬度及直徑等 幾何形狀精度 如圓度 圓柱度 平面度和直線度等 位置精度 如平行度 垂直度和同軸度等 以上三項精度之間是有聯(lián)系的 一定的尺寸精度必須有相應(yīng)的形狀精度與位置精度 獲得加工精度的方法 獲得尺寸精度的方法 獲得零件形狀精度的方法 獲得零件相互位置精度的方法 獲得尺寸精度的方法 試切法 調(diào)整法 定尺寸刀具法 自動獲得尺寸法 試切法 通過試切 測量 調(diào)整 再試切 如此多次反復(fù)來獲得尺寸精度 該法耗工時 生產(chǎn)效率低 同時要求操作者有很高的技術(shù)水平 該法一般用于單件 小批生產(chǎn)中 調(diào)整法 預(yù)先按工件規(guī)定的尺寸 調(diào)整好機床 刀具 夾具與工件的相對位置 并在一批零件的加工過程中始終保持這個加工位置 來保證加工尺寸 此法的加工精度主要決定于調(diào)整精度 此法獲得的尺寸精度穩(wěn)定 生產(chǎn)率高 故廣泛應(yīng)用于成批和大量生產(chǎn)中 定尺寸刀具法 直接利用刀具的相應(yīng)尺寸來保證加工尺寸 如用鉆頭鉆孔 鉸刀鉸孔 用拉刀 銑刀加工鍵槽等 加工尺寸精度的高低主要與刀具的制造精度 安裝精度和磨損等因素有關(guān) 這種加工方法加工精度穩(wěn)定 生產(chǎn)率也高 自動獲得尺寸法 利用測量裝置 調(diào)整裝置和控制系統(tǒng)等組成的自動化加工系統(tǒng) 在加工過程中能自動測量 補償調(diào)整 當工件達到尺寸要求時 能自動退回停止加工 獲得零件形狀精度的加工方法 軌跡法 成形法 展成法 軌跡法 主要是依靠刀尖與工件的相對運動軌跡來形成被加工表面的形狀 如用工件回轉(zhuǎn) 車刀平行于回轉(zhuǎn)軸線的直線運動來車削外圓 此法的形狀精度主要決定于成形運動的精度 成形法 利用成形刀具刀刃的幾何形狀來切削出工件形狀 成形法所能達到的精度主要決定于刀具刀刃的形狀精度與刀具的安裝精度 展成法 利用刀具與工件的展成切削運動 由刀刃在被加工表面上的包絡(luò)面來形成的成形表面 如用滾刀來加工齒輪 插齒等 展成法所達到的精度高低 主要取決于機床作展成運動的傳動鏈精度與刀具的制造精度 獲得零件相互位置精度的方法 一次安裝獲得法 零件在一次安裝中 加工零件有相互位置精度要求的各個表面 從而保證其相互位置精度 多次安裝獲得法 是指零件的有關(guān)表面的相互位置精度是由加工表面與定位基面的位置精度來保證的 影響獲得相互位置精度的因素 主要有機床精度 夾具精度 工件的安裝精度以及量具的測量精度 工藝系統(tǒng) 在機械加工時 機床 夾具 刀具和工件構(gòu)成的一完整的加工系統(tǒng) 稱為工藝系統(tǒng) 3 原始誤差由機床 夾具 刀具和工件組成的機械加工工藝系統(tǒng)會有各種各樣的誤差產(chǎn)生 這些誤差在各種不同的具體工作條件下都會以各種不同的方式反映為工件的加工誤差 工藝系統(tǒng)的誤差是 因 是根源 工件的加工誤差是 果 是表現(xiàn) 因此 我們把工藝系統(tǒng)的誤差稱為原始誤差 在機械加工時 原始誤差能照樣 放大或縮小地反映到工件上 使工件加工后產(chǎn)生誤差 這種誤差稱為加工誤差 一般將工藝系統(tǒng)的原始誤差劃分為工藝系統(tǒng)靜誤差和工藝系統(tǒng)動誤差 如果按加工工作進程劃分 工藝系統(tǒng)的原始誤差又可劃分為加工前就存在的 加工進行中產(chǎn)生的和加工后才出現(xiàn)的三類 主要有 工藝系統(tǒng)的幾何誤差 定位誤差 工藝系統(tǒng)的受力變形引起的加工誤差 工藝系統(tǒng)的受熱變形引起的加工誤差 工件內(nèi)應(yīng)力重新分布引起的變形以及原理誤差 調(diào)整誤差 測量誤差 原始誤差 4 研究機械加工精度的方法主要有分析計算法和統(tǒng)計分析法 分析計算法是在掌握各原始誤差對加工精度影響規(guī)律的基礎(chǔ)上 分析工件加工中所出現(xiàn)的誤差可能是哪一個或哪幾個主要原始誤差所引起的 并找出原始誤差與加工誤差之間的影響關(guān)系 進而通過估算來確定工件的加工誤差的大小 再通過試驗測試來加以驗證 統(tǒng)計分析法 對具體加工條件下加工得到的幾何參數(shù)進行實際測量 然后運用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)方法對這些測試數(shù)據(jù)進行分析處理 找出工件加工誤差的規(guī)律和性質(zhì) 進而控制加工質(zhì)量 對比 分析計算法主要是在對單項原始誤差進行分析計算的基礎(chǔ)上進行的 統(tǒng)計分析法則是對有關(guān)的原始誤差進行綜合分析的基礎(chǔ)上進行的 分析計算法主要是分析各項誤差單獨的變化規(guī)律 統(tǒng)計分析法主要是研究各項誤差綜合時變化規(guī)律 只適用于大批大量的生產(chǎn)條件 兩種方法常常結(jié)合起來應(yīng)用 可先用統(tǒng)計分析法尋找加工誤差產(chǎn)生的規(guī)律 初步判斷產(chǎn)生加工誤差的可能原因 然后運用計算分析法進行分析 試驗 找出影響工件加工精度的主要原因 二 影響加工精度的因素 1 加工原理誤差 加工原理誤差是由于在機械加工中 采用了近似的加工運動或形狀近似的刀具廓形而產(chǎn)生的誤差 1 采用了近似的加工運動方法所造成的誤差 用展成法切削齒輪 當用滾刀切削齒輪時 是利用展成原理 由于滾刀的刀刃數(shù)有限 所切成的齒形 不是光滑的漸開線 而是一條接近于光滑漸開線的折線 故用接近于光滑漸開線的折線來代替理想光滑的漸開線就產(chǎn)生了原理誤差 車削或磨削模數(shù)蝸桿 其導(dǎo)程t m 其中m是模數(shù) 而 是無理數(shù) 在選用配換齒輪時 只能將 化成近似的分數(shù)來進行計算 采用了近似的傳動比 即采用了近似的成形運動 從而產(chǎn)生了原理誤差 2 采用了形狀近似的刀具所造成的誤差 滾齒時 滾刀應(yīng)由漸開線基本蝸桿來制造 而在生產(chǎn)實際中 為使?jié)L刀制造方便 故采用阿基米德蝸桿來代替 即采用了近似的刀具輪廓 這時用阿基米德滾刀來滾切齒輪 就產(chǎn)生了原理誤差 在生產(chǎn)實際中 采用近似的加工運動或近似的刀具進行加工 可以簡化機床的結(jié)構(gòu)和刀具的形狀 降低制造成本 提高生產(chǎn)率 只要原理誤差在規(guī)定的技術(shù)要求范圍之內(nèi) 是完全允許的 2 工藝系統(tǒng)幾何誤差 1 機床的幾何誤差加工中刀具相對于工件的成形運動一般都是通過機床完成的 因此 工件的加工精度在很大程度上取決于機床的精度 機床制造誤差對工件加工精度影響較大的有 主軸回轉(zhuǎn)誤差 導(dǎo)軌誤差和傳動鏈誤差 主軸回轉(zhuǎn)誤差機床主軸是工件或刀具的位置基準和運動基準 它的誤差直接影響著工件的加工精度 在理想的情況下 當主軸回轉(zhuǎn)時 其回轉(zhuǎn)軸線在空間的位置是固定不動的 但實際上由于存在制造誤差和使用中一些因素的影響 使主軸的實際回轉(zhuǎn)軸線對理想回轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生了偏移 這個偏移量就是主軸回轉(zhuǎn)誤差 可分解為純徑向圓跳動 純軸向竄動和純角度擺動三種基本形式 不同形式的主軸回轉(zhuǎn)誤差對加工精度的影響是不同的 同一形式的主軸回轉(zhuǎn)誤差對于不同類型的機床其影響也不同 因此 要根據(jù)具體情況進行具體分析 機床可分為工件回轉(zhuǎn)類 如車床 磨床 和刀具回轉(zhuǎn)類機床 如鏜床 在加工過程中 對工件回轉(zhuǎn)類機床 其切削力的方向不變 而刀具回轉(zhuǎn)類機床 其切削力的方向是周期性地變化的 所以主軸的回轉(zhuǎn)誤差對加工精度的影響也不同 純徑向跳動 軸線繞平均軸線作平行的公轉(zhuǎn)運動 在 方向和 方向都有變動 如圖所示 其徑向跳動 r將使鏜床鏜出的孔是橢圓的 對于車床上車削外圓時影響很小 其車削的工件截面接近于真圓 對于外圓磨床 由于采用死頂尖 避免了主軸回轉(zhuǎn)誤差對工件的影響 而砂輪架主軸的回轉(zhuǎn)誤差則會引起工件的棱圓度與波度誤差 純軸向竄動 它是指回轉(zhuǎn)軸線沿平均回轉(zhuǎn)軸線在軸向位置的變化 如圖所示 純軸向竄動對內(nèi)外圓加工沒有影響 但加工端面時會與內(nèi) 外圓表面不垂直 且端面與軸線的垂直度誤差隨切削直徑的減小而增大 加工螺紋時 軸向竄動會產(chǎn)生螺距周期誤差 純角度擺動 主軸瞬時回轉(zhuǎn)軸線對平均軸線作呈一傾斜角度的公轉(zhuǎn)運動 但其交點位置固定不變 如圖所示 角度擺動誤差 主要影響工件的形狀精度 產(chǎn)生主軸回轉(zhuǎn)誤差的原因 純徑向跳動 主要來源于軸承誤差 滑動軸承內(nèi)孔的圓度誤差 滾動軸承內(nèi)外環(huán)滾道的圓度誤差 波度 軸承滾子尺寸誤差 圓度誤差 軸承的間隙 主軸軸頸的圓度誤差 純軸向竄動 主要來自主軸上與箱體上的止推端面與軸線不垂直以及有波度誤差 止推軸承兩滾道與主軸軸線不垂直和波度誤差 滾動體的尺寸誤差 圓度誤差 以及予緊滾動軸承的螺母 墊片等零件的端面與軸線不垂直 或端面與端面間不平行 純角度擺動 主要是主軸前后軸承分別存在偏心e 和e 而且e 和e 的大小不一 又不在同一方向上 減少主軸回轉(zhuǎn)誤差影響的措施 設(shè)計與制造高精度的主軸部件 對高速運動的主軸系統(tǒng)進行動平衡 使回轉(zhuǎn)誤差不反映到被加工的工件上 即采用工件的定位與運動傳遞分開的結(jié)構(gòu) 例如磨外圓 工件采用死頂尖 鏜箱體上的孔系 采用鏜模鏜孔 主軸與鏜桿采用浮動連接 磨削機床主軸前端的錐孔 工件與機床主軸間用彈性連接 主軸只起傳動作用 以減小主軸回轉(zhuǎn)誤差對加工精度的影響 導(dǎo)軌誤差導(dǎo)軌是機床上確定各機床部件相對位置關(guān)系的基準 也是機床運動的基準 機床導(dǎo)軌的精度要求主要有以下三個方面 在水平面內(nèi)的直線度 在垂直面內(nèi)的直線度 前后導(dǎo)軌的平行度 扭曲 臥式車床導(dǎo)軌直線度誤差 臥式車床導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差將直接反映在被加工工件表面的法線方向 加工誤差的敏感方向 上 對加工精度的影響最大 如圖 普通車床在水平面內(nèi)的直線度誤差 將使刀尖在水平面內(nèi)發(fā)生位移 Y 引起被加工工件在半徑方向上的誤差 R Y 即導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差將1 1地反映到工件的半徑上去 當車削長工件時 將會造成圓柱度誤差 如形成錐形 鼓形 鞍形 臥式車床導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差 見圖 可引起被加工工件的形狀誤差和尺寸誤差 但對加工精度的影響要小得多 可忽略不計 臥式車床導(dǎo)軌垂直面內(nèi)直線度誤差對工件加工精度的影響 導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差 將使刀尖沿工件的切向產(chǎn)生 Z的位移 由此引起工件在該處的半徑方向上產(chǎn)生相應(yīng)的誤差 R 由圖示的直角三角形 OAB可得由于 Z很小 Z2更小 所以一般可忽略不計 誤差敏感方向 機床導(dǎo)軌的直線度誤差對加工精度的影響 對于不同的機床其影響也不同 這主要決定于刀具與工件的相對位置 如導(dǎo)軌誤差引起刀刃與工件的相對位移 若該位移產(chǎn)生在工件已加工表面的法線方向上 則對加工精度有直接影響 如產(chǎn)生在加工表面的切線方向 則對加工精度的影響可忽略不計 誤差敏感方向 如圖所示的六角車床 導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差將1 1地反映到工件的半徑上 而導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的誤差影響很小 可以忽略不計 一般把通過切削點的已加工表面的法線方向稱為誤差敏感方向 六角車床刀具垂直安裝 當前后導(dǎo)軌存在平行度誤差 扭曲 時 刀架運動時會產(chǎn)生擺動 刀尖的運動軌跡是一條空間曲線 使工件產(chǎn)生形狀誤差 車床前后導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)不平行 會使溜板在沿床身縱向移動時發(fā)生偏斜 從而使刀尖相對工件產(chǎn)生偏移 當導(dǎo)軌傾斜產(chǎn)生的誤差為 H時 引起工件半徑上的加工誤差 R為 R H H B 式中 H為車床中心高 B為車床導(dǎo)軌間的寬度 一般機床H 2 3B 因此 車床前后導(dǎo)軌的平行度誤差對加工精度的影響很大 除了導(dǎo)軌本身的制造誤差外 導(dǎo)軌的不均勻磨損和安裝質(zhì)量 也是造成導(dǎo)軌誤差的重要因素 導(dǎo)軌磨損是機床精度下降的主要原因之一 可采用耐磨合金鑄鐵 鑲鋼導(dǎo)軌 貼塑導(dǎo)軌 滾動導(dǎo)軌 導(dǎo)軌表面淬火等措施提高導(dǎo)軌的耐磨性 傳動鏈誤差傳動鏈誤差是指傳動鏈始末兩端傳動元件間相對運動的誤差 一般用傳動鏈末端元件的轉(zhuǎn)角誤差來衡量 傳動鏈誤差 對于某些加工方式 如加工螺紋 滾齒 插齒 磨齒等 為了保證加工精度 必須要求刀具與工件之間有正確的速比關(guān)系 例如車螺紋 要求工件轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn) 刀具移動一個導(dǎo)程 用單頭滾刀滾齒時 要求滾刀轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn) 工件轉(zhuǎn)過一個齒 這種成形運動的速比關(guān)系 是由機床傳動鏈來保證的 傳動鏈誤差是指內(nèi)聯(lián)系的傳動鏈中首末兩端傳動元件之間 相對運動的誤差 它是齒輪 螺紋 蝸輪及其他展成加工中 影響加工精度的主要因素 傳動鏈誤差是由于傳動鏈中傳動元件的制造誤差 裝配誤差以及使用過程中磨損引起的 各傳動元件在傳動鏈中的位置不同 影響也不同 其中末端元件的誤差對傳動鏈的誤差影響最大 各傳動元件的轉(zhuǎn)角誤差將通過傳動比反映到工件上 若傳動鏈是升速傳動則傳動元件的轉(zhuǎn)角誤差將擴大 反之降速傳動則轉(zhuǎn)角誤差將縮小 若某一傳動軸上的齒輪在某一時刻產(chǎn)生轉(zhuǎn)角誤差 i 則它所造成的傳動鏈末端元件 工作臺或工件 的轉(zhuǎn)角誤差 wi為 wi Ki i式中Ki為該軸到末端元件的總傳動比 也稱為誤差傳遞系數(shù) 如果Ki大于1 升速傳動 則誤差被擴大 反之 如果Ki小于1 降速傳動 則誤差被縮小 提高傳動鏈的傳動精度的措施 1 盡可能縮短傳動鏈 減少誤差源數(shù)n 2 盡可能采用降速傳動 盡可能使末端傳動副采用大的降速比 末端傳動元件應(yīng)盡可能地制造得精確些 3 提高傳動元件的制造精度和裝配精度 盡可能地提高傳動鏈中升速傳動元件的精度 此外 還可以采用傳動誤差補償裝置來提高傳動鏈的傳動精度 2 刀具的幾何誤差刀具誤差對加工精度的影響隨刀具種類的不同而不同 1 定尺寸刀具的尺寸和形狀誤差 將直接影響工件的尺寸和形狀精度 定尺寸刀具兩側(cè)刀刃刃磨不對稱 或安裝有幾何偏心時 還可能引起加工表面的尺寸擴張 又稱正擴切 這類刀具的耐用度較高 在加工批量不大時的磨損量很小 影響可以忽略不計 但在加工余量過小或工件壁厚較薄的情況下 用磨鈍了的刀具加工后 工件的加工表面會發(fā)生收縮現(xiàn)象 負擴切 2 成形刀具的形狀誤差將直接決定工件的形狀精度 這類刀具的耐用度較高 在加工批量不大時的磨損亦很小 對加工精度的影響可忽略不計 刀具的安裝差所引起的工件形狀誤差不可忽視 3 展成刀具刀刃的形狀及有關(guān)尺寸 以及其安裝 調(diào)整不正確時 會影響加工表面的形狀精度 在加工批量不大時的磨損很小 可以忽略不計 4 一般刀具的制造誤差 對工件的加工精度沒有直接的影響 因為加工表面的形狀主要由機床運動精度來保證 加工表面的尺寸主要由調(diào)整決定 普通圓柱銑刀和立銑刀的刀刃形狀誤差對工件的形狀精度有一定影響 但這些刀具制造時較容易保證其刃形精度 故其對加工精度的影響往往可忽略不計 一般刀具耐用度低 在一次調(diào)整加工中的磨損量較顯著 特別是在加工大型工件 加工持續(xù)時間長的情況下更為嚴重 對工件尺寸及形狀精度的影響不可忽視 在用調(diào)整法車削短小的軸件時 車刀的磨損 對一個工件來說其影響可以忽略不計 但對一批工件來說 工件的直徑將逐件增大 使整批工件的尺寸分散范圍增大 精細車和精細鏜時進給量很小 刀具磨損對加工精度的影響就更大 必須采用高耐用度的刀具 如金剛石刀具等 正確地選用刀具材料和選用新型耐磨的刀具材料 合理地選用刀具幾何參數(shù)和切削用量 正確地刃磨刀具 正確地采用冷卻潤滑液等 均可有效地減少刀具尺寸磨損 必要時還可采用補償裝置對刀具尺寸磨損進行自動補償 3 夾具的幾何誤差夾具的作用是使工件相對于刀具和機床具有正確的位置 夾具的制造誤差對工件的加工精度 特別是位置精度 有很大影響 鉆套軸心線f至夾具定位平面c間的距離誤差 影響工件孔a至底面B的尺寸L的精度 鉆套軸心線f與夾具定位平面c間的平行度誤差 影響工件孔軸心線a與底面B的平行度 夾具定位平面c與夾具體底面d的垂直度誤差 影響工件孔軸心線a與底面B間的尺寸精度和平行度 鉆套孔的直徑誤差也將影響工件孔a至底面B的尺寸精度和平行度 工件在夾具中裝夾示意圖 夾具磨損使夾具的誤差增大 從而使工件的加工誤差也相應(yīng)增大 必須注意提高夾具易磨損件的耐磨性 磨損到一定限度后須及時予以更換 夾具設(shè)計時 凡影響工件精度的有關(guān)技術(shù)要求必須給出嚴格的公差 精加工用夾具一般取工件上相應(yīng)尺寸公差的1 2 1 3 粗加工用夾具一般取工件上相應(yīng)尺寸公差的1 5 1 10 三 調(diào)整誤差在活塞加工中 就存在著許多工藝系統(tǒng)的調(diào)整問題 例如 機床的調(diào)整 夾具的調(diào)整 刀具的調(diào)整在機械加工的每一個工序中 總是要進行這樣或那樣的調(diào)整工作 由于調(diào)整不可能絕對地準確 也就帶來了一項原始誤差 即調(diào)整誤差 不同的調(diào)整方式 有不同的誤差來源 1 試切法調(diào)整 廣泛用在單件 小批生產(chǎn)中 這種調(diào)整方式產(chǎn)生調(diào)整誤差的來源有三個方面 1 度量誤差量具本身的誤差和使用條件下的誤差摻入到測量所得的讀數(shù)之中 無形中擴大了加工誤差 2 加工余量的影響切削加工中刀刃所能切掉的最小切屑厚度有一定限度 切屑厚度再小時刀刃就 咬 不住金屬而打滑 光起擠壓作用 精加工最后所得的工件尺寸要比試切部分的尺寸小些 鏜孔時則相反 粗加工試切時情況剛好相反 試切調(diào)整 3 微進給誤差 在試切最后一刀時 總是要調(diào)整一下車刀 或砂輪 的徑向進給量 這時常會出現(xiàn)進給機構(gòu)的 爬行 現(xiàn)象 結(jié)果刀具的實際徑向移動比手輪上轉(zhuǎn)動的刻度數(shù)要偏大或偏小些 以致難于控制尺寸的精度 造成了加工誤差 減小誤差的兩種措施 一種是在微量進給以前先退出刀具 然后再快速引進刀具到新的手輪刻度值 中間不加停頓 使進給機構(gòu)滑動面間不產(chǎn)生摩擦 另一種是輕輕敲擊手輪 用振動消除靜摩擦 這時的調(diào)整誤差取決于操作者的操作水平 2 按定程機構(gòu)調(diào)整在大批大量生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用行程擋塊 靠模 凸輪等機構(gòu)保證加工精度 這時候 這些機構(gòu)的制造精度和調(diào)整 以及與它們配合使用的離合器 電氣開關(guān) 控制閥等的靈敏度就成了影響誤差的主要因素 3 按樣件或樣板調(diào)整1 在大批大量生產(chǎn)中用多刀加工時 常用專門樣件來調(diào)整刀刃間的相對位置 2 當工件形狀復(fù)雜 尺寸和重量都比較大的時候 采用樣板對刀 3 在一些銑床夾具上常裝有對刀塊 專門供銑刀對刀之用 這時樣板本身的誤差和對刀誤差成了調(diào)整誤差的主要因素 四 工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差1 基本概念機械加工工藝系統(tǒng)在切削力 夾緊力 慣性力 重力 傳動力等的作用下 會產(chǎn)生相應(yīng)的變形 從而破壞了刀具和工件之間的正確的相對位置 使工件的加工精度下降 例如 在車細長軸時 圖a 工件在切削力的作用下會發(fā)生變形 使加工出的軸出現(xiàn)中間粗兩頭細的情況 在內(nèi)圓磨床上進行切人式磨孔時 圖b 由于內(nèi)圓磨頭軸比較細 磨削時因磨頭軸受力變形 而使工件孔呈錐形 受力變形對工件精度的影響a 車長軸b 磨內(nèi)孔 1 工藝系統(tǒng)剛度的基本概念工藝系統(tǒng)抵抗變形的能力 常用剛度來描述 在物理學(xué)中 剛度是針對一個物體而言 是加到一個物體上的作用力F N 與該力在作用方向上的變形Y mm 的比值 即K F Y N mm 在機械加工中 工藝系統(tǒng)中的剛度是指垂直于已加工表面上的法向切削分力Fy與在此方向上工件與刀具之間相對位移Y的比值 即 K系統(tǒng) Fy Y N mm 這里的位移Y不僅僅是Fy所引起的 而是由總切削力F Fx Fy Fz的合力 所產(chǎn)生的 剛度的倒數(shù)稱為柔度 工藝系統(tǒng)的剛度 根據(jù)系統(tǒng)所受載荷的性質(zhì)不同 可分為靜剛度和動剛度兩種 由于以上所指的K系統(tǒng)是在靜態(tài)條件下力與位移的關(guān)系 所以K系統(tǒng)稱為靜剛度 動剛度是以動力學(xué)的觀點 把工藝系統(tǒng)看作是具有一定質(zhì)量 彈性和阻尼的機械系統(tǒng) 在動態(tài)力的作用下 系統(tǒng)會產(chǎn)生振動 我們把某一頻率下產(chǎn)生單位位移振幅所需的激振力 稱為動剛度 動剛度主要影響工件已加工表面的微觀幾何精度 波紋度 表面粗糙度等 而靜剛度則主要影響工件的宏觀幾何精度 由此可見對于靜剛度和動剛度的研究是缺一不可的 本節(jié)僅限于靜剛度的研究 以下把靜剛度簡稱剛度 工藝系統(tǒng)是由機床 刀具 工件 夾具組成的加工系統(tǒng) 所以工藝系統(tǒng)的剛度就決定于機床 刀具 工件和夾具的剛度 工藝系統(tǒng)的受力變形等于機床 刀具 工件和夾具在y方向的變形之和 即 Y系統(tǒng) Y機床 Y刀具 Y工件 Y夾具 如果已知各組成部分在y方向的位移及作用力Fy 則可求出各組成部分的剛度為 K機床 Fy Y機床 K刀具 Fy Y刀具 K工件 Fy Y工件 K夾具 Fy Y夾具 這樣工藝系統(tǒng)的剛度 K系統(tǒng) Fy Y系統(tǒng) Fy Y機床 Y刀具 Y工件 Y夾具 1 1 K機床 1 K刀具 1 K工件 1 K夾具 N mm 從上式可知 只要知道工藝系統(tǒng)組成部分的剛度 就可以求出工藝系統(tǒng)的總剛度 工藝系統(tǒng)剛度的特點 在工藝系統(tǒng)中 工件和刀具一般都是簡單的構(gòu)件 其剛度可利用材料力學(xué)中的公式直接近似求出 而系統(tǒng)中的機床和夾具結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 它們是由許多零部件組成 故難以用一個數(shù)學(xué)模型來描述 主要是通過實驗方法來確定 但是部件的受力變形遠比單個實體零件的變形要大得很多 其主要原因有以下幾個方面 a 連接表面的接觸變形 機械加工后 零件表面存在著幾何形狀誤差 波度及表面粗糙度 所以零件之間連接表面的實際接觸面積只是理想接觸面積的一部分 而真正處于接觸狀態(tài)的又是其中的個別凸峰 因此在外力的作用下 這些接觸點就產(chǎn)生了較大的接觸變形 b 薄弱零件本身的變形 在機器或部件中 常采用楔鐵 鍵等零件連接 這些零件結(jié)構(gòu)細長 剛度差 再加上制造時不易做得平直 接觸不良 因此在外力作用下很容易發(fā)生變形 故使整個系統(tǒng)的剛度變差 c 接合面間的間隙 如果機器或部件中存在間隙 當所加載荷大于零件間的摩擦力時 就會產(chǎn)生位移 嚴重影響工藝系統(tǒng)的剛度 如果是單向受力 使零件始終靠在一面 那么間隙對加工精度影響很小 如鏜床等 切削力的方向是變化的 對加工精度的影響就比較大 2 工件剛度工藝系統(tǒng)中如果工件剛度相對于機床 刀具 夾具來說比較低 在切削力的作用下 工件由于剛性不足而引起的變形對加工精度的影響就比較大 其最大變形量可按材料力學(xué)有關(guān)公式估算 3 刀具剛度外圓車刀在加工表面法線方向上的剛度很大 其變形可以忽略不計 鏜直徑較小的內(nèi)孔 刀桿剛度很差 刀桿受力變形對孔加工精度就有很大影響 刀桿變形也可按材料力學(xué)有關(guān)公式估算 4 機床部件剛度 機床部件剛度機床部件由許多零件組成 剛度迄今尚無合適的簡易計算方法 目前主要是用實驗方法來測定機床部件剛度 圖示靜測定法是一種最簡單的測定方法 車床部件靜剛度的測定 下圖是一臺車床刀架部件的實測剛度曲線 實驗中歷經(jīng)三次加載 卸載過程 車床刀架部件的剛度曲線 分析實驗曲線可知機床部件剛度具有以下特點 1 變形與載荷不成線性關(guān)系 2 加載曲線和卸載曲線不重合 卸載曲線滯后于加載曲線 兩曲線線間所包容的面積就是在加載和卸載循環(huán)中所損耗的能量 它消耗于摩擦力所作的功和接觸變形功 3 第一次卸載后 變形恢復(fù)不到第一次加載的起點 說明有殘余變形存在 經(jīng)多次加載卸載后 加載曲線起點才和卸載曲線終點重合 殘余變形才逐漸減小到零 4 機床部件的實際剛度遠比我們按實體估算的要小 影響機床部件剛度的因素1 結(jié)合面接觸變形的影響由于零件表面存在宏觀幾何形狀誤差和微觀幾何形狀誤差 結(jié)合面的實際接觸面積只是名義接觸面積的一小部分 在外力作用下 實際接觸區(qū)的接觸應(yīng)力很大 產(chǎn)生了較大的接觸變形 在接觸變形中 既有彈性變形 又有塑性變形 經(jīng)多次加載卸載循環(huán)之后 彈性變形成分愈來愈大 塑性變形成分愈來愈小 接觸狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定 這就是機床部件剛度不呈直線 機床部件剛度遠比同尺寸實體的剛度要低得多的主要原因 也是造成殘留變形和多次加載卸載循環(huán)后殘留變形也趨于穩(wěn)定的原因之一 一般情況下 表面愈粗糙 接觸剛度愈小 表面宏觀幾何形狀誤差愈大 實際接觸面積愈小 接觸剛度愈小 材料硬度高 屈服極限也高 塑性變形就小 接觸剛度就大 表面紋理方向相同時 接觸變形較小 接觸剛度就較大 2 摩擦力的影響如圖所示 機床部件在經(jīng)過多次加載卸載之后 卸載曲線回到了加載曲線的起點D 殘留變形不再產(chǎn)生 但此時加載曲線與卸載曲線仍不重合 摩擦力對機床部件剛度的影響 其原因在于機床部件受力變形過程中有摩擦力的作用 加載時摩擦力阻止其變形的增加 卸載時摩擦力阻止其變形的減小 摩擦力總是阻止其變形的變化的 這就是機床部件的變形滯后現(xiàn)象 3 低剛度零件的影響在機床部件中 個別薄弱零件對剛度的影響很大 例如 內(nèi)圓磨頭的軸就是內(nèi)圓磨頭部件剛度的薄弱環(huán)節(jié) 4 間隙的影響機床部件受力作用 首先消除零件間在受力作用方向上的間隙 會使機床部件產(chǎn)生相應(yīng)的位移 在加工過程中 如果機床部件的受力方向始終保持不變 機床部件在消除間隙后就會在某一方向與支承件接觸 此時間隙對加工精度基本無影響 但如果受力方向經(jīng)常改變 就要考慮間隙的影響 5 工藝系統(tǒng)剛度及其對加工精度的影響在機械加工過程中 機床 夾具 刀具和工件在切削力的作用下 都將分別產(chǎn)生變形 致使刀具和被加工表面的相對位置發(fā)生變化 使工件產(chǎn)生加工誤差 工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響主要有以下幾種情況 a 力作用點位置變化對加工精度的影響切削過程中 工藝系統(tǒng)剛度隨受力點的位置不同 其變形量發(fā)生變化 從而引起工件的形狀誤差 例如 車削夾持在車床兩頂尖間粗而短的光軸時 由于工件剛度大 在切削力的作用下工件的變形要比機床 刀具等變形小得多 故可忽略不計 工藝系統(tǒng)的變形主要取決于機床的變形 當?shù)毒邚挠蚁蜃筮M給時 工藝系統(tǒng)剛度隨切削力作用點的位置變化而變化 當?shù)毒呶挥谧笥翼敿鈺r 工藝系統(tǒng)剛度較小 當?shù)毒咴诠ぜ虚g處 工藝系統(tǒng)剛度最大 刀具在變形大的地方切去較少的金屬層 在變形小的地方切去較多的金屬層 使得車出的工件呈兩端粗 中間細的鞍形 如果車削夾持在兩頂尖間的細長軸 由于工件細長 剛度小 在切削力的作用下 此時機床 刀具 夾具的變形很小 可以忽略不計 工藝系統(tǒng)的變形完全取決于工件的變形 當?shù)毒呶挥谧笥翼敿鈺r 工藝系統(tǒng)剛度較大 當?shù)毒咴诠ぜ虚g處 工藝系統(tǒng)剛度最小 同樣 刀具在變形大的地方切去較少的金屬層 在變形小的地方切去較多的金屬層 最后車出的工件呈兩端細 中間粗的腰鼓形 由于切削力變化引起的誤差在加工過程中 由于工件的加工余量發(fā)生變化 工件材質(zhì)不均等因素引起的切削力變化 使工藝系統(tǒng)變形發(fā)生變化 從而產(chǎn)生加工誤差 誤差復(fù)映 如圖所示為車削一個有橢圓形誤差的毛坯 刀尖調(diào)整到要求尺寸的虛線位置 在工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的過程中 切削深度將發(fā)生變化 最大切深為ap1 最小切深為ap2 假設(shè)毛坯材料的硬度是均勻的 那么在ap1處的切削力Fy1最大 相應(yīng)的變形y1也最大 ap2處Fy2最小 y2也最小 這樣由于工藝系統(tǒng)受力變形的變化 使毛坯的橢圓度誤差就復(fù)映到加工后的工件上 這種現(xiàn)象稱為 誤差復(fù)映 由圖可知毛坯最大的誤差 坯 ap1 ap2車削后工件上最大誤差 工 y1 y2而y1 Fy1 K系統(tǒng) y2 Fy2 K系統(tǒng)由切削原理可知 切削分力Fy CFapf0 75 式中 Fy Fz 一般取 0 4 CF為與工件材料及刀具幾何角度有關(guān)的系數(shù) 則 工 y1 y2 CFf0 75 ap1 ap2 K系統(tǒng) 工 坯 CFf0 75 K系統(tǒng) C K系統(tǒng) 稱為誤差復(fù)映系數(shù) 它定量地反映了毛坯誤差經(jīng)加工后減少的程度 是一個小于 的正數(shù) 越小 毛坯復(fù)映到工件上的誤差也越小 從式中可看出減小C及增大K系統(tǒng)都能使 減小 如果采用一次走刀不能消除誤差復(fù)映的影響而滿足所要求的精度時 則可采用二次或多次走刀 設(shè)每次走刀的復(fù)映系數(shù)為 2 3 n 則總的誤差復(fù)映系數(shù) 總 2 3 n 在粗加工時 每次走刀的進給量f一般不變 因此n次走刀就有 總 n由于誤差復(fù)映系數(shù) 總是小于 經(jīng)多次走刀后 加工誤差也就很快達到允許的范圍之內(nèi) 由以上分析 可以把誤差復(fù)映的概念 推廣到下列幾點 1 每一件毛坯的形狀誤差 不論是圓度 圓柱度 同軸度 垂直度誤差等都以一定的復(fù)映系數(shù)復(fù)映成工件的加工誤差 這是由于切削余量不均勻引起的 2 在車削的一般情況下 由于工藝系統(tǒng)剛度比較高 復(fù)映系數(shù)遠小于1 在2至3次走刀以后 毛坯誤差下降很快 尤其是第二次第三次走刀時的進給量常常是遞減的 復(fù)映系數(shù)也就遞減 加工誤差的下降更快 所以一般車削時 只有在粗加工時用誤差復(fù)映規(guī)律估算加工誤差才有實際意義 如工藝系統(tǒng)剛度低 則需分析 3 在大批量生產(chǎn)中 都是采用定尺寸調(diào)整法加工的 即刀具在調(diào)整到一定的切深后 就一件件連續(xù)加工下去 這樣 對于一批尺寸大小有參差的毛坯而言 每件毛坯的加工余量都不一樣 由于誤差復(fù)映的結(jié)果 也就造成了一批工件的 尺寸分散 為了保持尺寸分散不超出允許的公差范圍 就有必要查明誤差復(fù)映的大小 由于夾緊變形引起的誤差工件在裝夾過程中 如果工件剛度較低或夾緊力的方向和施力點選擇不當 將引起工件變形 造成相應(yīng)的加工誤差 其它作用力的影響除上述因素外 重力 慣性力 傳動力等也會使工藝系統(tǒng)的變形發(fā)生變化 引起加工誤差 薄壁環(huán)裝夾在三爪卡盤上鏜孔時 夾緊后毛坯孔產(chǎn)生彈性變形 圖a 鏜孔加工后孔成為圓形 圖b 松開三爪卡盤后 由于工件孔壁的彈性恢復(fù)使己鏜成圓形的孔變成了三角棱圓形孔 圖c 為了減小此類誤差 可用一開口環(huán)夾緊薄壁環(huán) 圖d 由于夾緊力在薄壁環(huán)內(nèi)均勻分布 故可減小加工誤差 夾緊力引起的加工誤差a 夾緊后b 鏜孔后c 放松后d 加過渡環(huán)后夾緊 6 減小工藝系統(tǒng)受力變形的途徑由工藝系統(tǒng)剛度的表達式不難看出 若要減小工藝系統(tǒng)變形 就應(yīng)提高工藝系統(tǒng)剛度 減小切削力并壓縮它們的變動幅值 提高工藝系統(tǒng)剛度1 提高工件和刀具的剛度在鉆孔加工和鏜孔加工中 刀具剛度相對較弱 常用鉆套或鏜套提高刀具剛度 車削細長軸時工件剛度相對較弱 可設(shè)置中心架或跟刀架提高工件剛度 銑削桿叉類工件時在工件剛度薄弱處宜設(shè)置輔助支承等 2 提高機床剛度提高配合面的接觸剛度 可以大幅度地提高機床剛度 合理設(shè)計機床零部件 增大機床零部件的剛度 并防止因個別零件剛度較差而使整個機床剛度下降 合理地調(diào)整機床 保持有關(guān)部位適當?shù)念A(yù)緊和合理的間隙等 3 采用合理的裝夾方式和加工方式在臥式銑床上銑圖示零件的平面 圖b所示銑削方式的工藝系統(tǒng)剛度顯然要比圖a所示銑削方式的高 改變加工和裝夾方式提高工藝系統(tǒng)剛度 減小切削力及其變化合理地選擇刀具材料 增大前角和主偏角 對工件材料進行合理的熱處理以改善材料的加工性能等 都可使切削力減小 切削力的變化將導(dǎo)致工藝系統(tǒng)變形發(fā)生變化 使工件產(chǎn)生形位誤差 使一批加工工件的加工余量和加工材料性能盡量保持均勻不變 就能使切削力的變動幅度控制在某一許可范圍內(nèi) 五 工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響比較大 特別是在精密加工和大件加工中 機床 刀具和工件受到各種熱源的作用 溫度會逐漸升高 同時也通過各種傳熱方式向周圍的物質(zhì)或空間散發(fā)熱量 當單位時間傳入的熱量與其散出的熱量相等時 工藝系統(tǒng)就達到了熱平衡狀態(tài) 1 工藝系統(tǒng)的熱源引起工藝系統(tǒng)變形的熱源可分為內(nèi)部熱源和外部熱源兩大類 內(nèi)部熱源內(nèi)部熱源來自工藝系統(tǒng)內(nèi)部 其熱量主要是以熱傳導(dǎo)的形式傳遞的 內(nèi)部熱源主要包括 1切削熱切削熱對工件加工精度的影響最為直接 切削熱的傳導(dǎo)情況隨切削條件不同而不同 車削加工中切削熱將隨著切削速度的不同而按不同的百分比傳到工件 刀具和切屑中去 車削切削熱的分配示意圖 2 摩擦熱和能量損耗工藝系統(tǒng)因運動副相對運動所生摩擦熱和因動力源工作時的能量損耗而發(fā)熱 盡管這部分熱比切削熱少 但它們有時會使工藝系統(tǒng)的某個關(guān)鍵部位產(chǎn)生較大的變形 破壞工藝系統(tǒng)原有的精度 3 派生熱源工藝系統(tǒng)內(nèi)部的部分熱量通過切屑 切削液 潤滑液等帶到機床其它部位 使系統(tǒng)產(chǎn)生熱變形 外部熱源外部熱源來自工藝系統(tǒng)外部 環(huán)境溫度以對流傳遞為主要傳遞形式的環(huán)境溫度的變化影響工藝系統(tǒng)的受熱均勻性 從而影響工件的加工精度 2 輻射熱以輻射為傳遞形式的輻射熱 因其對工藝系統(tǒng)輻射的單面性或局部性而使工藝系統(tǒng)的熱變形發(fā)生變化 從而影響工件的加工精度 2 工件不均勻受熱在銑 刨 磨平面時 工件單面受切削熱作用 上下表面之間形成溫差 導(dǎo)致工件向上凸起 凸起部分被工具切去 加工完畢冷卻后 加工表面就產(chǎn)生了中凹 造成了幾何形狀誤差 平面加工時熱變形的估算 工件凸起量可按圖示圖形進行估算 由于上下表面之間溫差 t將導(dǎo)致如圖所示的彎曲變形 其熱變的撓曲度f為 式中 L H 為工件的長度與厚度 mm 由此可見 工件越長 越薄 上下表面之間的溫差越大 加工時的受熱變形量也越大 例如磨削長2000mm 高600mm的精密平板 頂面與底面的溫差 t 24 磨削后熱變形產(chǎn)生的撓曲度f 0 023mm 3 刀具熱變形對加工精度的影響刀具熱變形的熱源主要是切削熱 切削熱傳給刀具的比例雖然一般都不很大 但由于刀具尺寸小 熱容量小 刀具溫升較高 刀頭部位的溫升更高 它對加工精度的影響是不能忽視的 實驗及理論推導(dǎo)表明 車削時車刀的熱伸長量與切削時間的關(guān)系如圖所示 車刀的熱變形曲線 連續(xù)切削時 刀具受熱變形開始比較快 隨后較緩慢 經(jīng)過較短時間 便趨于熱平衡狀態(tài) 間斷切削時 由于刀具有短時間的冷卻時間 故受熱變形的曲線具有熱脹冷縮的雙重特性 故總的受熱變形量比連續(xù)切削時要小一些 最后趨于穩(wěn)定在 1范圍內(nèi)波動 當切削停止后 刀具溫度立即下降 開始冷卻較快 以后逐漸減慢 加工細長軸時 刀具的熱變形可能會使工件產(chǎn)生錐度 一般情況下 刀具的熱變形對加工精度的影響不十分明顯 4 機床的熱變形對加工精度的影響 機床開動后 由于受到熱源的影響 機床溫度逐漸升高 但機床各部件結(jié)構(gòu)不同 受熱情況不同 各處溫升也不同 故使機床產(chǎn)生復(fù)雜的變形 破壞了機床原有的冷態(tài)精度 從而造成了加工誤差 由于各類機床的結(jié)構(gòu) 加工方式和熱源不同 故對加工精度影響情況也不同 對具體情況應(yīng)具體分析 車 銑 鉆 鏜等機床的主要熱源是主軸箱 圖示車床 主軸箱的溫升將使主軸升高 由于主軸前軸承的發(fā)熱量大于后軸承的發(fā)熱量 主軸前端將比后端高 由于主軸箱的熱量傳給床身 床身導(dǎo)軌亦將不均勻地向上抬起 車床的熱變形 牛頭刨床 龍門刨床 立式車床等機床的工作臺與床身導(dǎo)軌間的摩擦