第四章机械加工精度及其控制

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第四章 机械加工质量分析
§4.1 加工精度的基本概念 §4.2 加工误差的来源 一,理论误差 二,工件的安装误差 三,调整误差 机床,刀具, 四,机床,刀具,夹具本身的制造误差 五,工艺系统弹性变形引起的加工误差 六,工艺系统热变形引起的加工误差 七,工件内应力引起的误差 八,测量误差
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§4.3 加工误差的性质与合成
ξmax 0.63ξmax
车刀热变形曲线
式中 ξ—— 热伸长量; ξmax —— 达到热平衡热伸长量; τ—— 切削时间; τc —— 时间常数(热伸长量为热平衡热伸长量约63%的时间 ,常取3～4分钟).
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六,工艺系统热变形引起的加工误差
工件热变形
◆ 圆柱类工件热变形 长度: 直径:
L = α L t
三,调整误差 加工前将机床上的刀具调整到正确加工位置时所产生的误差. 加工前将机床上的刀具调整到正确加工位置时所产生的误差. 试切法(调整刀具位置) 试切法(调整刀具位置) 样品法(调整刀具位置) 样品法(调整刀具位置) 机床,刀具, 四,机床,刀具,夹具本身的制造误差 机床,刀具只能按一定的精度制造,有制造误差,机床, 机床,刀具只能按一定的精度制造,有制造误差,机床, 刀具在使用中有磨损,加大了制造误差. 刀具在使用中有磨损,加大了制造误差 1.多轴自动车床转鼓转位误差 例:1.多轴自动车床转鼓转位误差 2.自动车床凸轮制造误差引起零件加工误差 自动车床凸轮制造误差引起零件加工误差. 2.自动车床凸轮制造误差引起零件加工误差.
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四,机床.刀具 夹具本身的制造误差 机床 刀具.夹具本身的制造误差 刀具
3.普通车床 3.普通车床主轴回转误差 普通车床主轴回转误差 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. 回转轴线的漂移. 主轴回转误差可分解 为径向漂移, 为径向漂移,轴向漂移 和角向漂移三种基本型 式.
a)径向漂移
5级丝杠累积误差全长 级丝杠累积误差全长≤5m,可见热变形的严重性 级丝杠累积误差全长 ,
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减小热变形对加工精度影响的措施
减少热源发热和隔离热源
减少切削热和磨削热, 减少切削热和磨削热 , 粗 , 精加工分开. 精加工分开. 充分冷却和强制冷却. 充分冷却和强制冷却. 隔离热源. 隔离热源.
Байду номын сангаас
平面磨床补偿油沟
加速达到热平衡
高速空运转 人为加热
控制环境温度
恒温 人体隔离
L1 L2 支承距影响热变形
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七,工件内应力引起的误差
残余应力来源
毛坯制造和热处理产生 的残余应力( 的残余应力(图) 冷校直带来的残余应力 (图) 切削加工带来的残余应力
铸件残余应力引起变形
减小残余应力措施
设计合理零件结构 粗,精加工分开 避免冷校直 时效处理
压 拉 加载 拉 压 拉 压 卸载
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冷校直引起的残余应力
八,测量误差
产生原因: 产生原因: 量具的制造误差和磨损; 量具的制造误差和磨损; 测量的温度变化; 测量的温度变化; 测量时用力不一致, 测量时用力不一致, 测量者的经验. 测量者的经验. 减小措施: 减小措施: 根据零件的精度选择适当测量方法,选 根据零件的精度选择适当测量方法, 择适当量具. 择适当量具.
X
◆ 导轨导向误差对加工精度的影响 导轨水平面内的直线度误 R 误差敏感方向, 差,误差敏感方向,影响显著 导轨垂直面内的直线度误 误差非敏感方向, 差,误差非敏感方向,影响小 α 导轨扭曲对加工精度的影 响,影响显著
D
X
Y
B
R = α H =
δ H
B
导轨扭曲引起的加工误差
δ
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四,机床.刀具.夹具本身的制造误差 机床.刀具.
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§4.1 加工精度的基本概念
加工误差— 加工误差—零件的实际尺寸与零件的理想尺寸 的偏差 公差—在图纸上, 公差—在图纸上,对产品零件的几何参数所规 定的允许变动范围 加工精度—经过机加, 加工精度—经过机加,产品零件的几何参数所 能达到的准确程度(实际值与理想值的附合程度) 能达到的准确程度(实际值与理想值的附合程度) 加工精度的高低是通过加工误差的大小来衡量的. ∵加工精度的高低是通过加工误差的大小来衡量的. ∴要想提高加工精度,就要找出引起加工误差的主 要想提高加工精度, 要因素. 要因素.
b)轴向漂移
c)角向漂移
主轴回转误差基本形式
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刀具.夹具本身的制造误差 四,机床.刀具 夹具本身的制造误差 机床 刀具
◆ 主轴回转误差对加工精度的影响 ★ 主轴径向漂移对加工精度的影响(镗孔) 主轴径向漂移对加工精度的影响(镗孔) 考虑最简单的情况,主轴回转中心在X 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 2e. 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: 尖的坐标值为 X = ( R + e) cos φ
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§4.2
加工误差的来源
工艺系统——由机床,夹具, 工艺系统——由机床,夹具,刀具和工件所构成和系统 由机床 一,理论误差 由于采用了近似的加工运动方式或近似的刀具几何形状而 产生的误差. 产生的误差. 加工齿轮: 滚切齿(理想齿形渐开线, 例:加工齿轮:铣齿 剃齿 滚切齿(理想齿形渐开线,实 际齿形折线) 际齿形折线) 例:空间复杂曲面的数控加工
◆ 影响导轨导向精度的主要因素 机床制造误差 机床安装误差 导轨磨损
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四,机床.刀具.夹具本身的制造误差 机床.刀具.
导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响
L D-d Hy d Z X f a) z f b) z R0
x
α f
α
Z
c)
成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响
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五,工艺系统弹性变形引起的加工误差
Y = R sin φ 刀尖回转半径; 式中 R —— 刀尖回转半径; φ—— 主轴转角. 主轴转角.
显然,上式为一椭圆. 显然,上式为一椭圆. 椭圆
e
径向漂移对镗孔精度影响
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四,机床.刀具.夹具本身的制造误差 机床.刀具.
4.导轨导向误差 4.导轨导向误差 ◎包括:导轨在水平面内的直线度,导轨在垂直面内的 包括:导轨在水平面内的直线度, 直线度,前后导轨平行度(扭曲) 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) 线的平行度(或垂直度)等.
均衡温度场
例:立式平面磨床立柱前壁温 度高,产生后倾. 解决:采用热空气加热立柱后 壁(图).
均衡立柱前后壁温度场
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减小热变形对加工精度影响的措施
采用合理结构
热对称结构 热 补 偿 结构 ( 图 主轴热补偿) 主轴热补偿) 合 理 选 择装配 基 准(图)
热伸长方向
双端面磨床主轴热补偿
1—主轴 2—壳体 3—过渡套筒
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六,工艺系统热变形引起的加工误差
刀具热变形
◆ 特点 体积小, 热容量小, 体积小 , 热容量小 , 达到热平衡时间较短 温升高, 温升高 , 变形不容忽 05mm) 视(达0.03 ～0.05mm) ◆ 变形曲线
ξ = ξ max
τ τ 1 e c
ξ(m)
连续切削升温曲线 间断切削升温曲线 冷却曲线 0 τc τb τ(min)
内部热源 工艺系统热源 外部热源
切削热 摩擦热 环境热源 辐射热
切削热一部分传到刀具和工件上,刀具和工件产生变形. 切削热一部分传到刀具和工件上 刀具和工件产生变形. 刀具和工件产生变形 机床运转磨擦生热,局部温度上升, 机床运转磨擦生热,局部温度上升,使机床各部件产生相 对位移,产生加工误差. 对位移,产生加工误差 六角自动车床运转一小时后, 例:六角自动车床运转一小时后,主轴中心位置产生移动 六角自动车床运转一小时后
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五,工艺系统弹性变形引起的加工误差
提高工艺系统刚度
合理设计零部件结构和截 面形状 提高连接表面接触刚度( 提高连接表面接触刚度 ( ↓表面粗糙度 , 改进接触质 表面粗糙度, 表面粗糙度 量,予加载荷) 予加载荷) 采用辅助支承(中心架, 采用辅助支承 ( 中心架 , 跟刀架,镗杆支承等) 跟刀架,镗杆支承等) 采用合理装夹和加工方式
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五,工艺系统弹性变形引起的加工误差
③刀具刚度低 磨孔:刀杆较细,刚度低, 磨孔:刀杆较细,刚度低, 孔为啦叭口形 钻孔:钻头刚度低,钻孔时产生引偏现象 钻孔:钻头刚度低,
孔径不变, 孔径不变,孔的轴线歪曲
孔径变, 孔径变,孔轴线不变
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五,工艺系统弹性变形引起的加工误差
减小钻孔误差:1.高n,小s 2.预定中心 3.钻模套导引 4.工件转 3.误差复映规律 在切削加工中,由于毛坯本身的误差将使切削深度发生 不断变化,也就引起切削力的变化,促使工艺系统产生相应 的弹性变形. ——由于工艺系统受力变形,使毛坯误差部分反映到工 件上,此种现象称为"误差复映" △L=ε△m=ε(t1-t2) L=ε△m=ε(t1-t2) △L-——零件误差 零件误差 △m——毛坯误差 毛坯误差 复映系数, ε——复映系数,ε与△L一致 复映系数 减小△ 措施:减小进给量s 减小△L措施:减小进给量s 增加走刀次数 增加工艺系统刚度
一,加工误差的性质
加工误差 定值系统误差 系统误差 变值系统误差 随机误差
1.系统误差 系统误差
在顺序加工一批工件中,其大小和方向均不改变 , 或按 在顺序加工一批工件中, 其大小和方向均不改变, 一定规律变化的加工误差. 一定规律变化的加工误差. 定值系统误差△ 其大小和方向均不改变. ◆ 定值系统误差△d ——其大小和方向均不改变.如原 其大小和方向均不改变 理误差,机床,夹具,刀具的制造误差,调整误差( 理误差,机床,夹具,刀具的制造误差,调整误差(一次 调整) 机床,夹具,量具的磨损等引起的加工误差. 调整),机床,夹具,量具的磨损等引起的加工误差. 变值系统误差△ ◆ 变值系统误差△b ——误差大小和方向按一定规律变 误差大小和方向按一定规律变 如机床,刀具磨损, 化 . 如机床 ,刀具磨损 , 工艺系统热变形等因素引起的 加工误差. 加工误差
第四章 机械加工精度及其控制
§4.1 加工精度的基本概念(尺寸,形状,位置精度) 加工精度的基本概念(尺寸,形状,位置精度)
尺寸精度
加工精度
形状精度 位置精度
(通常形状误差限制在位置公差内,位 通常形状误差限制在位置公差内, 置公差限制在尺寸公差内) 置公差限制在尺寸公差内)
加 工 质 量
表面质量
表面粗糙度 表面几何形状精度 波度 纹理方向 伤痕(划痕,裂纹,砂眼等) 伤痕(划痕,裂纹,砂眼等) 表层加工硬化 表面缺陷层 表层金相组织变化 表层残余应力 加工质量包含的内容
1.系统刚度和概念 1.系统刚度和概念 工艺系统-----弹性系统 工艺系统---弹性系统 R+△ R+△R= ( R + Y ) 2 + Z 2
Z2 R+△ R+△R≈ ( R + Y ) + 2( R + Y )
△R ≈
Z2 Y+ 2( R + Y )
工艺系统刚度 k ——工艺系统抵 工艺系统抵 抗变形的能力 ----径向切削力 Py ----径向切削力 = Y ---方向的相对位移 ---方向的相对位移 1 Y 柔度 w = k = P y
D = α D t
式中 L, D —— 长度和直径热变形量; L,D —— 工件原有长度和直径; α—— 工件材料线膨胀系数; t —— 温升.
例:长400mm丝杠,加工过程温升1 例:长400mm丝杠,加工过程温升1℃,热伸长量为:
L = α L t = 1.1 × 10 5 × 400 × 1 = 4.4 × 10 3 ( mm ) = 4.4( m )
S = 8R h
式中 球头刀半径; R ——球头刀半径; 球头刀半径 允许的残留高度. h ——允许的残留高度. 允许的残留高度
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二,工件的安装误差 将工件安装到夹具上时,由于定位和夹紧所产生的误差. 将工件安装到夹具上时,由于定位和夹紧所产生的误差.
az = ε + +
2 2 jj
2 jz
转塔车床导向杆
减小载荷及其变化 变形转移, 变形转移,补偿和校正
支座零件不同安装方法
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六,工艺系统热变形引起的加工误差
工艺系统热变形
在精密加工和大件加工中, 在精密加工和大件加工中 , 工艺系统热变形引起的 加工误差占总误差的约40 70% 40～ 加工误差占总误差的约40～70%.
工艺系统热源
k
10
五,工艺系统弹性变形引起的加工误差
2.工艺系统刚度对加工精度的影响 2.工艺系统刚度对加工精度的影响 ①工件刚度低(细长轴) 工件刚度低(细长轴)
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五,工艺系统弹性变形引起的加工误差
②床头,床尾刚度低 床头,
Y
Y
c
X 1 Pc =( = =( Py ) L kc kc
w
1 L X =( )P Y kw L