《机械制造过程原理》课件06第六章 机械加工精度

1、第六章 机械加工精度第一节 机械加工精度的概念第二节 获得加工精度的方法第三节 影响加工精度的因素第四节 加工误差的分析与控制第一节 机械加工精度的概念机械加工精度 机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的符合程度。 而偏离程度呢？加工质量机械加工精度表面质量尺寸精度形状精度位置精度表面粗糙度表面层的物理、力学性能误差的分类： 加工误差是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的偏差程度。误差是精度的度量。机床夹具刀具工件环境系统误差(具有确定性规律)和随机误差（具有统计分布规律）；静态误差和切削状态误差 静态误差是工艺系统在不切削状态下所出现的误差。如：刀具、夹具的制造误差与

2、磨损，定位误差，机床的几何精度（主轴回转误差导轨导向误差、传动链误差）等。 切削状态误差是工艺系统在切削状态下所出现的误差。如：工艺系统的受力变形，工艺系统的受热变形等误差的分类：误差的性质系统误差常值系统误差变值系统误差随机误差6随机误差有大有小，它们对称分布于尺寸分布中心的左右。距尺寸分布中心越近的随机误差出现的可能性越大。随机误差在一定范围内分布。第二节 获得加工精度的方法试切法调整法3. 定尺寸刀具法(定尺寸的孔加工刀具)4. 主动测量法（边加工边测量）静调整法动调整法 指操作工人在每一工步或走刀前进行对刀，然后切出一小段，测量，直至达到尺寸要求。 先按规定尺寸调整好机床、夹具、刀具和

3、工件的相对位置及进给行程，从而保证在加工时自动获得尺寸。第三节 影响加工精度的因素1. 近似刀具加工所造成的误差2. 由于采用近似的加工运动方法所造成的误差1）展成法切削齿轮： 2）车削模数(m=2)螺纹：导程p=m模数螺纹：P =m =23.1415927=6.2831854挂轮齿数：Z1=26、Z2=24、Z3=29、Z4=30若蜗杆长度为100mm，则导程的累积误差为：原理误差二、 工艺系统的制造精度和磨损对加工精度的影响工艺系统中机床、刀具、夹具本身的制造精度及磨损会对工件的加工精度有不同程度的影响。包括： 1. 机床的制造精度和磨损； 2. 刀具的制造精度和磨损； 3. 夹具的制造精

4、度和磨损。机床的制造精度和磨损 1）导轨误差对机床导轨的精度要求：导轨在水平面内的直线度导轨在垂直面内的直线度导轨与导轨之间垂直方向的平行度一般机床：1000：0.02精密机床：1000：0.01接触精度：每平方英寸不少于20个点。 导轨误差对工件精度的影响：由于刀尖相对于工件回转轴线在加工表面切线方向的变化属非敏感方向，故其对零件的形状精度影响极小。垂直面内直线度误差的影响水平面内直线度误差的影响由于刀尖相对于工件回转轴线在加工表面径向方向的变化属敏感方向，故其对零件的形状精度影响很大。导轨之间垂直方向的平行度误差的影响一般：车床：磨床：对零件精度的影响不容忽视2）主轴误差：例：镗孔时镗杆回

5、转，镗杆中心作某一方向的简谐振动。回转精度的表现形式：轴向窜动：指回转轴线在轴向的位置变化。径向跳动：指回转轴线绕平均轴线作平行的公转运动。角度摆动：指回转轴线绕平均轴线作不平行的公转运动。影响主轴回转精度的因素：前后支承轴承的影响：前后支承轴颈的圆度误差的影响：主轴回转精度的测量：3）传动链精度以车螺纹为例，说明传动链精度对工件加工精度的影响：如图所示：对上式微分：工件导程误差可表示为：由丝杠副传动误差引起的误差由传动链总传动比误差引起的误差3）传动链精度若仅考虑传动比的误差因素：i的变化量最终反映到工件上是转角误差： ： 丝杠总的转角误差，即由各传动件的转角误差累积到丝杠上的误差之和。设：

6、 ：为传动链中第j个环节传动件在工件转一转内的转角误差 ：为第j个传动件到机床丝杠的传动比 ：第j个传动件的转角误差所引起的丝杠转角误差则：丝杠总的转角误差：3）传动链精度如图所示：由此可见：传动链短，则传动精度高；传动比i小，则传动精度高；传动链中采用降速比的传动是保证传动精度的重要原则；传动链中最后一个传动件的精度要高。2、刀具的制造精度和尺寸磨损1）定尺寸刀具和成形刀具的制造精度和尺寸磨损对加工精度的影响：2）一般刀具的尺寸磨损对加工精度的影响：一般刀具如：车刀、立铣刀等，主要靠调整刀具位置来保证加工尺寸，其制造精度不会影响加工尺寸精度。但刀具的磨损将对工件的加工精度产生影响。初期磨损阶

7、段：正常磨损阶段：式中：L：切削长度 L1：初期磨损的切削行程长度 0：单位磨损量 B：刀具的初期磨损量2、刀具的制造精度和尺寸磨损3）减少刀具尺寸磨损对加工精度影响的措施：进行刀具补偿；选用合理的刀具材料；选用最佳的切削用量；0高速钢刀具： V佳=0.40.5 m/s硬质合金刀具: V佳=1.73.2 m/s3、夹具的制造精度与磨损三、 工艺系统的受力变形对加工精度的影响1. 基本概念：1）刚度和柔度：2）工艺系统的刚度式中：Fy：切削力在Y方向的分力；y：系统在切削力Fx、Fy、Fz共同作用下在Y方向上的变形；2、工艺系统刚度曲线及影响因素加载、卸载曲线不符合虎克定律；有残余变形；加载曲线

8、平坦，卸载曲线较陡；部件刚度远小于单件的刚度；1）工艺系统的变形曲线2、工艺系统刚度曲线及影响因素2）影响机床部件刚度的因素：连接表面的接触变形薄弱零件本身的变形接触表面之间的摩擦连接表面间的间隙影响连接件夹紧力的影响2、工艺系统刚度曲线及影响因素工艺系统是由机床、刀具、夹具、工件等组成，系统的受力变形应等于各环节在误差敏感方向的变形之和。即：依据刚度的定义：3）工艺系统刚度的计算：3、工艺系统受力变形对加工精度的影响1）切削力对加工精度的影响：以车削为例：切削力的位置是变化的只考虑床头、尾座的变形：工艺系统的变形曲线：1）切削力对加工精度的影响：切削力的大小是变化的误差复映原理切削分力Fy可

9、表示为：车削时XFc=1，在一次走刀中f不变，故：车削前圆度误差：车削后圆度误差：切削力的大小是变化的误差复映原理令：则：第一次走刀：第二次走刀：第n次走刀：可见：n，则： Kst，则：FCFCRr2）其它作用力对加工精度的影响传动力引起的变形对工件的影响：如图：传动力在Y方向的分力为：Y由传动力引起的工件夹持端在Y方向的位移为：传动力引起的变形对工件的影响：在x处工件和刀具的相对位移：在x处工件的实际半径：令：则：r是x和的函数， x引起圆柱度误差，的变化造成圆度误差。惯性力引起的变形对工件的影响(与传动力类似)不平衡质量为M，工件转速为n。在Y方向上由F引起的变形：夹紧力引起的变形对工件的

10、影响：重力引起的变形对工件的影响：内应力对加工精度的影响工件的内应力毛坯热应力切削加工内应力冷校直内应力对于铸、锻、焊毛坯，由于各部分厚度不均，冷却速度不等而产生的内应力。对于铸件：“厚拉薄压”“心部受拉、表层受压”力的作用使工件表层产生压应力，热作用使工件表层产生拉应力。在大多数的情况下热的作用大于力的作用，故工件表层应力通常呈“表层受拉，里层受压”状态。减少内应力的措施：时效处理；结构上保证壁厚均匀；刚度适当；减少切削力，“小切深，多走刀”；尽量不用冷校直工序；4、机床部件刚度的测定：1）静态测定法 在机床不工作状态下，模拟切削时的受力情况，对机床施加静载荷，然后测出机床各部件在不同载荷下

11、的变形，就可以作出各部件的刚度特性曲线，并计算出机床的刚度。2）工作状态测定法 静态测定法只是近似地模拟切削时的切削力，与实际加工条件不完全一样，采用工作状态测定法比较接近实际。 工作状态测定法的依据是误差复映规律。 设：心轴刚度很大，其变形可忽略，车刀的变形也可忽略。可列方程组：解此方程组，可得车床主轴箱、尾座和刀架的刚度分别是：5、减少工艺系统受力变形的措施1）提高机床构件自身刚度；2）提高工件安装时的刚度；设置辅助支承，提高系统刚度；3）提高加工时刀具的刚度；4）提高零件表面质量；5）减小接触面；6）加预紧力；7）选用合理的切削用量、合理的刀具角度，减小切削力；四、 工艺系统受热变形对加

12、工精度的影响1、热源1）切削热：（内部热源）一般传入工件或刀具的切削热用下式估算：铣、刨时：Q工件50%磨削时： Q屑4%， Q砂轮12%， Q工件84%2）摩擦热（内部热源）3）环境温度（外部热源）四、工艺系统热变形对加工精度的影响2、机床的热变形如图所示，主轴转速1200rpm，工作8小时后，主轴抬高量达140m，在垂直面上的倾斜为60 m/300mm。机床的热变形主要体现在：主轴部件 导轨 床身 立柱 工作台等部件上。车、镗类机床其主要热源为主轴箱的发热。造成主轴的位移和倾斜。铣床主要表现在主轴在垂直面上的倾斜。铣削后将影响工件的平面与定位基面之间的平行度或垂直度。外圆磨床主要表现在砂轮

13、架、工件头架的位移和导轨的凸起。龙门刨、龙门铣床的热变形主要表现在导轨的凸起。如：10m长的龙门刨床床身高为0.8m，当床身上导轨面与底面温差为 1时，床身导轨的中凸量可达0.19mm。这个数值可表示为：0.02/1000mm。四、工艺系统热变形对加工精度的影响3、工件的热变形特点：工件热变形主要是受切削热的影响；工件受切削热的量不同，变形的影响也不同，各部分的温升不同且随时间而变化；不同的加工方法、工件的形状不同，产生的热变形也不同；棒料：车削或磨削外圆时，切削热是从四周均匀传入工件。主要是使工件的长度和直径增大，其尺寸误差可以按物理学计算热膨胀的公式求出。即：式中：工件材料的线膨胀系数；L

14、、D：工件原有的长度和直径；t：工件切削后的温升；3、工件的热变形板材：例如：精磨床身导轨，L=2000mm，h=600mm，如果床面与床脚温差为2.4,=1.110-5/，则：3、工件的热变形：减少工件热变形的措施： 粗、精分开； 合理选择切削用量； 合理选择刀具的几何形状； 充分利用冷却液；4、刀具的热变形：刀具连续工作时的热变形：刀具断续工作时的热变形：c：时间常数，与刀具质量、比热、截面积等有关。一般取： c=4min。刀具的热变形主要影响工件的形状误差，如车削长轴时，工件可能由于刀具的伸长而产生锥度。5、减少工艺系统热变形的措施1）减少热源产生的热量：减少切削热和磨削热减少机床各运动

15、副的摩擦热2）分离热源、隔离热源3）冷却、通风与散热对加工件进行大流量或喷雾等方法冷却机床发热部件采取冷油强制冷却热源部分采用通风散热措施4）均衡温度场，控制温度变化恒温加工机床热平衡后再进行加工均衡温度场5、减少工艺系统热变形的措施5）热变形补偿： 6）改进机床结构，减少热变形对加工精度的影响：采用热对称结构合理选择装配基准合理设计零部件的相对位置五、调整误差调整误差试切法调整按定行程机构调整按样件或样板调整六、度量误差度量误差度量方法和仪器度量环境测量力的大小读数误差 阿贝原则：一项测量仪设计的指导性原则。要使测量给出精确的测量结果，必须将被测件布置在基准元件沿运动方向的延长线上。因此可以

16、称为共线原则。 l=-htana=-ha显然，这是由于尺身的角度变形a和h共同导致千分尺零位的一个附加变化所引起的。注意到，若h=0，同样存在a，但不会有一次误差。符合阿贝原则，为导轨转角误差：该误差属于二次误差，很小。不符合阿贝原则，为导轨转角误差：该误差为阿贝误差，精密测量不可忽视！第4节 加工误差的分析与控制分布曲线法：系统第4节 加工误差的分析与控制分布曲线法：分布密度=频数工件总数X尺寸组距=频率尺寸组距直方图中每一矩形的面积等于该组距内的频率，所有矩形面积的总和等于1。随着样本中工件数的增加，尺寸组距的缩小，直方图的极限情况就是尺寸分布的概率密度图。分布曲线法：正态分布曲线：6其随

17、机样本的算术平均值和均方差分别为：分布曲线法：利用分布曲线进行工艺验证：大，则曲线平坦尺寸分布范围大加工方法的加工精度低令：CP：工艺能力系数T6，则表示全部零件合格T6，则加工方法精度过高造成浪费T=6，则加工方法勉强，易出废品T1.67 特级，但过高1.67CP 1.33 一级，足够1.33CP1.0 二级，勉强1.0CP0.67 三级，不足CP0.67 四级，不行XminXmax分布曲线法：利用分布曲线计算一批零件的合格率和废品率：被加工零件尺寸：Xmax=X2=d+esXmin=X1=d-ei中心偏差为“+”表示分布中心比公差带中心大。+不可修复废品可修复废品x2x1分布曲线法：利用分

18、布曲线计算一批零件的合格率和废品率：令：+XminXmaxx2x1x+XminXmax分布曲线法：利用分布曲线计算一批零件的合格率和废品率：计算举例：例：加工一批外圆，尺寸公差T=0.3mm，加工完的分布曲线中已知=0.05，=+0.05。求可修复的废品率和不可修复的废品率。解：已知： =+0.05 0可修复的废品率=0.5-0.4772=0.0228=2.28%不可修复的废品率=0.5-0.499968=0.000032=0.0032%+x1x2误差分析：如果尺寸分布中心与公差带中心不重合，则一定存在常值系统误差；等概率分布曲线，存在线性变值误差，如刀具的磨损(a)；不对称分布曲线，存在随机误差(b)；多峰值分布曲线，存在阶跃变值系统误差(c)；运用分布曲线研究加工精度存在的问题：分布曲线法未考虑零件的加工先后顺序，不能反映出系统误差的变化规律及发展趋势；只有一批零件加工完后才能画出，不能在加工进行过程中提供工艺过程是否稳定的必要信息；发现问题后，对本批零件已无法补救；单值点图点图法：点图法：在大批量生产中，采用小子样抽