机械制造技术基础第4章部分习题解答.pdf

1 机械制造技术基础机械制造技术基础部分部分习题习题参考解答参考解答 第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制 4-1 什么是主轴回转精度？为什么外圆磨床头夹中的顶尖不随工件一起回转， 而车 床主轴箱中的顶尖则是随工件一起回转的？ 解：解：主轴回转精度主轴实际回转轴线与理想回转轴线的差值表示主轴回转精 度，它分为主轴径向圆跳动、轴向圆跳动和角度摆动。 车床主轴顶尖随工件回转是因为车床加工精度比磨床要求低，随工件回转可减小摩 擦力；外圆磨床头夹中的顶尖不随工件一起回转是因为磨床加工精度要求高，顶尖不转 可消除主轴回转产生的误差。 4-2 在镗床上镗孔时（刀具作旋转主运动，工件作进给运动） ，试分析加工表面产 生椭圆形误差的原因。 答：答： 在镗床上镗孔时， 由于切削力 F 的作用方向随主轴的回转而回转， 在 F 作用下， 主轴总是以支承轴颈某一部位与轴承内表面接触，轴承内表面圆度误差将反映为主轴径 向圆跳动，轴承内表面若为椭圆则镗削的工件表面就会产生椭圆误差。 4-3 为什么卧式车床床身导轨在水平面内的直线度要求高于垂直面内的直线度要 求？ 答答：导轨在水平面方向是误差敏感方向，导轨垂直面是误差不敏感方向，故水平面 内的直线度要求高于垂直面内的直线度要求。 4-4 某车床导轨在水平面内的直线度误差为 0.015/1000mm，在垂直面内的直线度 误差为 0.025/1000mm，欲在此车床上车削直径为60mm、长度为 150mm 的工件，试计 算被加工工件由导轨几何误差引起的圆柱度误差。 解：根据 p152 关于机床导轨误差的分析，可知在机床导轨水平面是误差敏感方向， 导轨垂直面是误差不敏感方向。 水平面内： 0.015 1500.00225 1000 Ry mm； 垂直面内： 2 2 7 ()0.025 150/602.34 10 21000 z R R mm，非常小可忽略不计。 所以，该工件由导轨几何误差引起的圆柱度误差0.00225R mm。 2 4-5 在车床上精车一批直径为60mm、长为 1200mm 的长轴外圆。已知：工件材 料为 45 钢；切削用量为：vc=120m/min，ap=0.4mm, f =0.2mm/r; 刀具材料为 YT15。在刀 具位置不重新调整的情况下加工 50 个工件后，试计算由刀具尺寸磨损引起的加工误差 值。 解：解：根据 p145 公式(4-2)， 0 1000 NB Kl NBNB 根据题意，切削 50 个工件的切削长度： 1200 50lD f 查 p155 表 4-1 得，YT15 刀具切 45 钢时，NB0=8m，KNB=8m/km； 则 1200 86050 0.2 8460 m 1000 1000 NB =0.46mm 工件直径增大至：60+20.46=60.92mm， 直径误差 0.92mm。 4-6 成批生产习题 4-6 图所示零件，设 A、B 两尺寸已加工至规定尺寸，今以底面 定位镗 E 孔，试求此镗孔工序由于基准不重合引起的定位误差。 习题 4-6 图 解：假定孔 E 的中心至定位面距离为 FTF/2，则 F 和 A、B、C 组成一直线尺寸链， F 为封闭环，A、C 为增环，B 为减环。 F =A B + C 封闭环公差 jbFABC TTTT，这是基准不重合误差，假定定位基准制造误差为 0，则定位误差为： dwjbjwF T 4-7 按习题 4-7 图所示方式定位在立式铣床上铣槽，其主要技术要求为： （1）槽宽 0 0.043 12b mm。 （2）槽距尺寸 0 0.21 20l mm。 （3）槽底位置尺寸为 0 0.16 34.8h mm。 3 （4）槽两侧面对外圆轴线的对称度公差 0.01e mm。 已知：外圆尺寸 0 0.016 40 mm 与内孔尺寸 0.021 0 20 mm 均已加工至规定尺寸，内外圆 的径向圆跳动公差值为 0.02mm。试分析计算该工序的定位误差。 习题 4-7 图 解：解：(1) 在工件轴向 0 0.21 20l mm，定位基准与设计基准重合，无定位误差。 (2)在工件径向： 0 0.16 34.8h mm 定位误差分析： 定位基准与设计基准不重合，并有内外圆的径向跳动公差 T(c)=0.02； 40 0.016 ( )0.020.028 22 jb T T c mm 工件用内孔和心轴定位，并处于水平心轴位置，按 p158 公式(4-4)则定位误差为： 1 () 2 jwDds TT 其中 TD=0.021mm，定位心轴 0.007 0.020 20 620g mm，Td=0.013mm； minmax 20(200.007)0.007 s Dd mm，代入上式可得 1 (0.021 0.0130.007)0.0205 2 jw mm 所以，径向定位误差为：0.028 0.02050.0485 dwjbjw mm (3) 键槽对称度 e=0.01mm 的影响分析： 外圆轴线是键槽对称度的基准轴线，故对称度对 h 方向尺寸定位误差没有影响。 4-8 习题 4-8 图所示为铣键槽工序的加工要求，已知轴径尺寸 0 0.1 80 mm，试分别 计算习题 4-8 图 b、c 两种定位方案的定位误差。 4 习题 4-8 图 解：解：图图 b)定位定位误差分析：误差分析： 在 y 方向：没有基准转换误差，考虑定位元件无制造误差，则在 y 方向定位误差为 0。 在 x 方向：工件外圆公差0.1Tmm 对键槽加工有影响，/20.05 dw x T mm， 由于对称度要求为 0.2，x 向定位误差小于对称度要求，故该方案符合要求。 图图 c)定位误差分析：定位误差分析： 按教材 p160 图 4-15 b)的分析结果公式(4-7)，定位误差为 0 10.11 110.02071 2sin(/2)2sin(90 /2) d dw T mm 4-9 习题 4-9 图所示齿轮坯在 V 形块上定位插齿槽，要求保证工序尺寸 0.2 0 38.5mmH 。已知： 00.025 0.10 80mm, 35mmdD 。若不计内孔与外圆同轴度误差 的影响试求此工序的定位误差。 解：解：如习题 4-9 图所示，外圆公差 Td=0.1mm；内孔公差：TD=0.025mm。 由外圆公差引起的工件中心的变化量可按教材 p160 公式(4-17)计算： 1 0 10.11 110.02071 2sin(/2)2sin(90 /2) d dw T mm 考虑外圆和内孔无同轴度误差，所以孔的公差变化引起的定位误差为： 2 0.025 0.0125 22 D dw T mm 所以，该工序尺寸 H 的定位误差为： 12 ()0.03321 dwdwdw Hmm。 4-10 按习题 4-10 图所示方式定位加工孔 0.045 0 20mm ，要求孔对外圆的同轴度公差 为0.03mm。已知： 0 0.14 60mm, (300.07)mmdb 。试分析计算此定位方案的定位误 差。 5 习题 4-9 图 习题 4-10 图 解解：如习题 4-10 图所示，0.14mm, 0.045mm, 0.14mm db TTT ， 只考虑 V 型块定位时，定位误差按教材 p160 公式(4-17)计算： 0 10.141 110.02899 2sin(/2)2sin(90 /2) d dw y T mm 当尺寸 b 变化时，在 x 方向产生的误差为： 0.14 dw xb T mm 两部分作用几何和为实际的定位误差， 2222 0.028990.140.1430 dwdw ydw x mm 4-11 习题4-11图所示工件以大外圆表面及端面M作定位表面， 在小外圆上铣键槽， 要保证尺寸 H、L。已知： 000 0.1510.1220.16 55mm, 40mm, 60mmAdd ，大、小外圆 的同轴度误差 o 0.05mm, =90t，试分析计算该工序的定位误差。 习题 4-11 图 解：解：该题与 4-9 题类似，不过要考虑在直径方向同轴度的影响。 Td1=0.12mm；Td2=0.16mm。 外圆 d2产生的定位误差按教材 p160 公式(4-17)计算： 6 2 0 10.161 110.03314 2sin(/2)2sin(90 /2) d dw d T mm 外圆 d1 产生的定位误差为： 11/2 0.06 dw dd T mm； 同轴度产生的定位误差为：0.05 dw t mm； 所以，该工序工位误差为： 21 0.14314 dwdw ddw ddw t mm。 4-12 习题 4-12 图所示工件采用 V 形块（夹角 o 90）定位，加工两个直径为 10mm 的小孔。已知：外圆直径尺寸 0 0.1 80d mm，内孔尺寸 0.2 0 50Dmm，内孔与外 圆的同轴度误差 t =0.05mm，内孔中心线是工序尺寸 R 的工序基准， o 30。试分析计 算加工 O1孔的定位误差。 习题 4-12 图 解：解：根据题意，Td=0.1mm，TD=0.2mm。定位误差分为几个部分。 外圆引起的定位误差按教材 p160 公式(4-17)计算： 1 0 10.11 110.02071 2sin(/2)2sin(90 /2) d dw T mm 同轴度引起的定位误差为： 2 0.05 dw t mm。 考虑到 R 和 没有误差，所以 O1的定位误差与 O 相同；定位误差为 12 0.02071 0.050.07071 dwdwdw mm。 4-13 在三台车床上分别加工三批工件的外圆表面，加工后经测量，三批工件分别 产生了如习题 4-13 图所示的形状误差，试分析产生上述形状误差的主要原因。 习题 4-13 图 解：解：产生图 a)的原因主要是：工件刚性差，而机床刚性很好； 7 产生图 b)的原因主要是：工件刚性好，但机床主轴、尾座刚性均较差； 产生图 c)的原因主要是：工件和机床主轴刚性都很好，但机床尾座刚性较差。刀具 磨损有一定的影响，但磨不了这么快；磨损影响在切削多个工件才能反映出来。 4-14 在外圆磨床上磨削习题 4-14 图所示轴类工件的外圆， 若机床几何精度良好， 试分析磨外圆后 A-A 截面的形状误差，要求画出 A-A 截面的形状，并提出减小上述误 差的措施。 习题 4-14 图 解解：若工件刚性差，机床刚度好，A-A 截面尺寸会增大；若工件刚性好，机床主轴、 尾座刚性差，则 A-A 截面尺寸也会变大；若上述两种情况都发生，则 A-A 截面尺寸还 是会直径增大，形状误差不明显。 改进措施是增大机床主轴、尾座的刚度，增加工件的刚度。 4-15 知某车床的部件刚度分别为：k 主轴=5000N/mm；k刀架=23330 N/mm，k尾座 =34500N/mm。今在该车床上采用前、后顶尖定位车一直径为 0 0.2 50 mm 的光轴，其径向 力 Fp=3000N，假设刀具和工件的刚度都很大，试求：1）车刀位于主轴箱端处工艺系统 的变形量；2）车刀处在距主轴箱 1/4 工件长度处工艺系统的变形量；3）车刀处在工件 中点处工艺系统的变形量；4）车刀处在距主轴箱 3/4 工件长度处工艺系统变形量；5） 车刀处在尾架处工艺系统的变形量。完成计算后，再徒手画出该轴加工后的纵向截面的 状。 解解： 4-16 按习题 4-16a)图的装夹方式在外圆磨床上磨削薄壁套筒 A，卸下工件后发现 工件呈鞍形，如习题 4-16b)图所示，试分析产生该形状误差的原因。 8 习题 4-16 图 解：解：产生上述图 b)形状误差的主要原因是：磨床主轴和尾座刚度不足，当砂轮移动 到主轴或者尾座处时，出现让刀现象，所以造成在工件两端直径增大。 4-17 在卧式铣床上按习题 4-17 图所示装夹方式用铣刀 A 铣键槽， 经测量发现， 工 件右端处的槽深大于中间的槽深，试分析产生这一现象的原因。 习题 4-17 图 答答： 如习题 4-17 图， 产生误差的主要原因是铣床主轴刚性不足， 当铣刀移向主轴时， 出现主轴让刀现象，故造成工件中部槽变浅，而右边一开始进刀深度是够得，当铣刀移 向主轴时，主轴让刀，槽深变浅。改进措施是增大铣床主轴的刚性。 4-18 何谓误差复映？误差复映系数的大小与哪些因素有关？ 解解：在切削加工时，待加工表面有什么样的误差已加工表面必然出现同样性质的误 差就是误差复映现象。 FpFp yn FpcFp CfvK C kk 系系 由上述公式可以看出，误差复映系数与工艺系统刚度、和进给量 f 切削速度 vc等有 关。 4-19 在车床上车一短粗轴圆柱表面。已知：工艺系统刚度 k系统=20000N/mm，毛坯 待加工面相对顶尖孔中心偏心误差为 2mm，毛坯最小背吃刀量 apmin=1mm， 1500 FpFp yn FpcFp CfvKN/mm。问第一次走刀后，加工表面相对顶尖孔中心的偏心误差是多 大？至少需要切几次切削才能使加工表面相对顶尖孔中心的偏心误差控制在 0.01mm 以 内？ 9 解：解：已知：C=1500N/mm，k系=20000N/mm，2e 待加工面 mm； 根据 p168 公式(4-16)和公式(4-17)， C k 已加工面 待加工面系 可以导出： 1500 20.15 20000 C k 已加工面待加工面 系 mm； 由于系统刚度不变，第 2 次加工： 1500 0.150.01125 20000 C k 已加工面2待加工面1 系 mm 第 3 次加工： 1500 0.011250.0008 20000 C k 已加工面3待加工面2 系 mm 答：需要 3 次走刀才能将偏心误差控制在 0.01mm 以内。 4-20 为什么提高工艺系统刚度首先要从提高薄弱环节的刚度入手才有效？试举一 实例说明。 答答：由于薄弱环节是影响机床刚度的主要因素之一，所以从提高薄弱环节的刚度入 手才有较好的效果。 机床的薄弱环节如机床导轨中的楔铁就是如此。 4-21 如果卧式车床床身铸件顶部和底部残留有压应力，床身中间残留有拉应力， 试用简图画出粗刨床身顶面后床身顶面的纵向截面形状，并分析其原因。 4-22 习题 4-22 图所示板状框架铸件，壁 3 薄，壁 1 和壁 2 厚，用直径为 D 的立铣 刀铣断壁3后， 毛坯中的内应力要重新分布， 问断口尺寸D将会变大还是变小？为什么？ 习题 4-22 图 解：解：未切口时，残余内应力的分布是 1、2 受拉，3 受压；当切口后，压力取消，1、 2 拉力释放，内应力重新平衡，故切口将会变宽。 4-23 在转塔车床上加工一批套筒的内孔和外圆，问内外圆同轴度误差服从什么分 布？ 答答：加工零件的批量较大时，内外圆同轴度误差一般服从正态分布。 10 4-24 用调整法车削一批小轴的外圆，如果车刀的热变形影响显著，使画出这批工 件尺寸误差分布曲线的形状，并简述其理由。 习题 4-24 插图 答答：调整法加工小轴外圆，当加工工件批量较大时，尺寸分布应为正态分布。如果 车刀出现热变形，属于系统误差，则x发生变化，如上图所示，但分布曲线的形状不发 生变化。 4-25 车一批外圆尺寸要求为 0 0.1 20 mm 的轴。已知：外圆尺寸按正态分布，均方 根偏差0.025mm， 分布曲线中心比公差带中心大 0.03mm。 试计算加工这批轴的合格 品率及不合格品率。 习题习题 4-25 插图插图 解：解：分析如上图所示，参照 p184 例题 4-4 的方法。 19.95, 0.025x，转换成标准正态分布函数， maxmin 19.98 19.9020 19.98 3.2, 0.8 0.0250.025 xxxx zz 左右 合格品率为：(3.2)(0.8)0.49931 0.288178.741%P 不合格品率为：1-P=21.259% 其中：0.5-(0.8)=21.19%是可以修复的；0.5-(3.2)=0.069%是不能修复的。 4-26 在自动车床上加工一批轴件，要求外径尺寸为) 1 . 020(mm，已知均方根偏 差0.02mm，试求此机床的工序能力等级？ 11 解：解：工件公差为 T=0.2，根据 p186 公式(4-28)， 0.2 1.6667 66 0.02 p T C 根据 p186 表 4-6， 该工序能力等级为 1 级， 工艺能力足够， 允许有一定的异常波动。 4-27 为什么机器零件一般都是从表面层开始破坏？ 答答：机器零件失效的形式为疲劳破坏、滑动磨损和滚动磨损。滑动磨损和滚动磨损 是从表层开始，疲劳破坏也是从表层开始。表层的残余应力和冷作硬化使零件表面出现 微小裂纹和缺陷，在载荷、摩擦作用下，这些微小裂纹和缺陷会逐渐扩展，导致机器零 件失效破坏。 4-28 试以磨削为例，说