机电工程系精品课件

1、机电工程系1第1页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四一、机械加工精度与加工误差 1、加工精度： 零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。符合程度越高，加工精度越高，实际生产中零件不可能与理想的要求完全符合。 2、加工误差： 指加工后的实际几何参数（尺寸，形状和表面间的相互位置）对理想几何参数的偏离程度，从保证产品使用性能分析允许有一定的加工误差。 4-1 机械加工精度2第2页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四3、两者关系： 两者从不同角度来评定加工零件的几何参数。加工精度的高低是由加工误差的小大来表示的，保证和提高加工精度问题，实际上是限制和降低加

2、工误差问题。 4、研究加工精度的目的： 目的是要弄清各种原始误差的物理，力学本质，以及他们对加工精度影响的规律，掌握控制加工误差的方法，获得预期的加工精度，需要时找出进一步提高加工精度的途径。3第3页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四工件相对于刀具静止状态下的误差原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差原始误差构成5、原始误差： 工艺系

3、统的各种误差叫原始误差。 4第4页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四（4-1）（4-2）显然： 工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。 误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。如图所示车刀加工R =yRYRR误差敏感方向YR0ya）YR0yb）6、误差敏感方向5第5页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四 1、加工原理误差 指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。式中 R 球头刀半径； h 允许的残留高度。例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件SRh空间曲面数控加工

4、二、工艺系统的几何误差6第6页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四例2：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮 采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造型误差。 由于滚刀刀齿有限，实际加工出的尺形是一条有微小折线组成的曲线，和理论的光滑渐开线有差异。例3：在曲线获曲面的数控加工中，由于数控铣床一般不具有空间插补功能。如曲线的加工是由许多很短的折线段逼近得到，逼近的精度可由每根线段的长度来控制。在三坐标联动的数控铣床上加工区面，实际上是一面一面的空间直线逼近空间曲面。即整个曲面是由大量加工出的小直线来逼近。因此，在曲线或曲面加工中，刀具相对于工件地成形运

5、行是近似的。7第7页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四2、机床的几何误差1）回转精度： 机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的相一致程度。2）回转误差： 机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的漂移。3）误差产生原因： 由于主轴部件中轴承、轴颈、轴承座孔等的制造误差和配合质量，润滑条件，以及回转时的动力因素的影响。瞬时回转轴线的空间位置在周期性变化。4）理想回转轴线：客观存在，但无法确定，通常是以平均回转轴线来代替。（1）机床主轴回转误差8第8页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四5）主轴回转误差基本形式：b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动

6、径向圆跳动 端面圆跳动 倾角摆动9第9页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四6）主轴回转误差对加工精度的影响 主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔） 考虑最简单的情况，主轴回转中心在y方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：e径向跳动对镗孔精度影响式中 R 刀尖回转半径； 主轴转角。显然，上式为一椭圆。10第10页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四7）影响主轴回转精度的主要因素 滑动轴承图1 轴径不圆引起车床主轴径向跳动AB车床类机床（图1） 切削力的方向大体不变，主轴经以不同部件与轴承内孔的某一固定部位相接触。因此影响主

7、轴回转精度的主要是主轴轴径的圆度。轴承对于回转误差的影响11第11页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四 滚动轴承内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差静压轴承 对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用 推力轴承滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差镗床类机床（图2） 切削力随主轴回转而回转，主轴径总是以固定部位与轴承孔内表面的不同部位接触，因此轴承孔的圆度对主轴回转精度影响最大。图2 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动12第12页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四与轴承配合的零件误差的影响轴承间隙的影响 轴承间隙对回转精度也有影响，如轴承间隙过大，会使主轴工作时

8、油膜厚度增大油膜承载能力降低，当工作条件(载荷、转速等)变化时，油楔厚度变化较大，主轴轴线漂移量增大。 由于轴承内、外圈或轴瓦很薄，受力后容易变形，因此与之相配合的轴颈或箱体支承孔的圆度误差，会使轴承圈或轴瓦发生变形而产生圆度误差。与轴承圈端面配合的零件如轴肩、过渡套、袖承端盖、螺母等的有关端面，如果有平面度误差或与主轴回转轴线不垂直，会使轴承圈滚道倾斜，造成主轴回转轴线的径向、轴向漂移。箱体前后支承孔、主轴前后支承轴颈的同轴度会使轴承内外圈滚道相对倾斜，同样也会引起主轴回转轴线的漂移。13第13页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四8）提高主轴回转精度的措施提高主轴部件的制

9、造精度 首先应提高轴承的回转精度其次是提高箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合有关表而的加工精度。此外，还可在装配时先测出滚动轴承及主轴锥孔的径向圆跳动，然后调节径向圆跳动的方位，使误差相互补偿或抵消，以减少轴承误差对主轴回转精度的影响。对滚动轴承进行预紧，消除间隙 对滚动轴承适当预紧以消除间隙，甚至产生微量过盈由于轴承内外圈和滚动体弹性变形的相互制约，既增加了轴承刚度，又对轴承内外圈滚道和滚动体的误差起均化作用，因而可提高主轴的回转精度。14第14页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四使主轴回转误差不反映到工件上（误差转移） 直接保证工件在加工过程中的回转精度而不依赖于主轴，

10、是保证工件形状精度的最简单而又有效的方法。 如采用两固定顶尖支承磨削外圆柱面。 在镗床上加工箱体类零件孔。采用前后导向套的镗模。15第15页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四2、机床导轨导向误差 1）导轨导向精度及其对加工精度的影响 导轨导向精度： 机床导轨副的运动件实际运动方向和理想运动方向的符合程度。两者之间的偏差值称为导向误差。 导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是运动的基准，它的各项误差直接影响被加工工件的精度。 包括： 导轨在水平面内的直线度， 导轨在垂直面内的直线度， 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）。16第16页，共62

11、页，2022年，5月20日，3点42分，星期四2）导轨在水平面内的直线度（弯曲） 对于车床和外圆磨床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。 车床导轨在水平面内有弯曲后，纵向进给中刀具相对工件轴线不能平行。因而工件表面上形成形状误差。当导轨向后凸时，工件产生鞍形误差。当导轨向前凸时，工件产生鞍形误差。 17第17页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四3）导轨在垂直面内的直线度（弯曲） 垂直面内直线度误差对车床的影响较小，可以忽略不计。但对于龙门刨床、龙门铣床及导轨磨床来说，导轨在垂直面内的直线度误差将直接反映到工件上。 18

12、第18页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四（3）机床传动链误差 1）传动链的传动误差是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差。例： 用滚齿机加工直齿轮时，要求滚刀和工件之间具有严格的运动关系。即：滚刀转一转，工件转过一个齿，这种运动关系是由刀具与工件的传动链来保证的。 当传动链中各传动元件如齿轮、蜗轮、蜗杆、丝杆、螺母等有制造误差，装配误差和磨损时，就会破坏正确的运动关系，是被加工工件产生误差。19第19页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四 缩短传动链长度 提高末端元件的制造精度与安装精度传动比小，尤其是传动链末端传动副的传动比小，因此采用

13、降速传动保证传动精度的重要原则 采用校正装置对传动误差进行补偿 采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节 2）提高传动精度措施20第20页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四 三、工艺系统受力变形 由于切削力等引起的工艺系统产生的弹性变形，使刀具和工件在静态下调整好的相互位置，以及切削成形运动所需要的正确几何关系发生变化，从而造成加工误差。 21第21页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四1、工艺系统刚度： 指工艺系统抵抗其变形的外力的能力。是指工件加工表面在切削力法向分力Fy的作用下，刀具相对工件在该方向位移y的比值。 22第22页，共62页，2022

14、年，5月20日，3点42分，星期四组成件的实体刚度 受力产生拉伸、压缩、弯曲变形；特别是薄弱件（楔条、轴套等）影响较大连接表面接触变形 其大小与接触面压强有关结合面间隙零件表面摩擦力的影响施力方向的影响，测试时只模拟Fy，实际上加工过程中，Fx，Fy，Fz同时作用。影响机床部件刚度因素23第23页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四（1）切削力作用点位置变化引起工件形状误差2、工艺系统受力变形对加工精度的影响 ydjytjywz工艺系统变形随受力点变化规律FpAABBCCxLFAFByxx24第24页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四(2)误差复映规律 切

15、削加工中，由于毛坯本身的误差（形状或位置）使切削深度不断变化，从而引起切削力的变化，促使工艺系统产生相应的变形，因而工件表面上保留了与毛坯表面类似的形状和位置误差，但加工后残留的误差比毛坯误差从数值上大大减少了，这一现象称为“误差复映”25第25页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四毛坯误差和加工误差的定量关系如图： 毛坯有圆度误差g ，复映到被加工表面的误差为g 加工时最大切削深度为ap1，最小切削深度为ap2，设工件材料的硬度是均匀的，则在ap1处，切削力Fy1最大，相应的变形y1也最大，在ap2处，切削力Fy2最小，相应的变形y2也最小。26第26页，共62页，2022

16、年，5月20日，3点42分，星期四当车削加工时，xFy=1，则：27第27页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四 机械加工中，误差复映系数通常小于1。 误差复映程度可用误差复映系数来表示，误差复映系数与系统刚度成反比。由上式可得： 误差复映系数 表示加工误差与毛坯误差的比例关系，并定量的反映了毛坯误差经加工所减少的程度。28第28页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四减少误差复映的方法K越大，复映系数 越小进给量f减少时，可以减小C，则 减小增加走刀次数减小毛坯误差值多次走刀总的的误差复映系数 当加工分几次走刀时，每次的误差复映系数为：29第29页，共62页

17、，2022年，5月20日，3点42分，星期四由于 则 ，多次走刀可以提高加工精度。30第30页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四3、夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差 夹紧力影响a） b）薄壁套夹紧变形【例1】薄壁套夹紧变形 解决：加开口套31第31页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四【例】龙门铣横梁龙门铣横梁变形龙门铣横梁变形补偿 重力影响解决：变形补偿32第32页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四33第33页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四 传动力与惯性力影响 理论上不会产生圆度误差（但会产生圆柱度误

18、差）周期性的力易会引起强迫振动传动力对加工精度的影响zlRyYFpFcFcdFcdyra）OOr0yYFpAFcdrcd=Fcd / kcOFcFc / kcFp / kcb）O34第34页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四合理的结构设计： 设计工艺装备时，尽量减少连接面数目，注意刚度的匹配，防止局部低刚度环节出现，设计基础件、支承件时，合理设计零部件结构和截面形状。 提高接触刚度 提高机床部件中零件接合表面的接触质量 给机床部件预加载荷 提高工件定位基准的精度和降低表面粗糙度值。采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）（4）减少工艺系统受力变形的措施35第35页，共62

19、页，2022年，5月20日，3点42分，星期四采用合理装夹和加工方式支座零件不同安装方法36第36页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四热变形： 机械加工过程中，工艺系统会受到各种热的影响而产生温度变形，称为热变形。这种变形将破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系，造成工件的误差。四、工艺系统热变形 对加工精度的影响 精密加工和大件加工中，热变形的加工误差占工件总加工误差的40%70%。 影响加工效率，为减少热变形，需要预热机床、降低切削用量，增加工序（粗、精分开） 高精、高效、自动化加工时的热变形问题更加严重.37第37页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期

20、四1、工艺系统热源切削热： 切削时所作的功几乎全部转变成热，其热量以传导的形式传递，对刀具和工件影响较大。摩擦热： 机械零件的摩擦轴承、导轨的摩擦而产生的热，液压传功、电气传功等，都是热源，对机床影响较大，以传导形式传递。其它热： 指工艺系统外部的，以对系统传热为主的环境温度和各种辐射热。 38第38页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四各种热对加工精度的影响 切削热： 车削时，切屑带走热量可达50%80%，传给工件约30%，传给刀具约5%。 铣削、刨削加工，传给工件30% 钻削和卧镗，切屑留在孔中，传给工件大于50% 磨削时，切屑带走热量4%，传导工件84%，工件表面温度高

21、工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热源辐射热39第39页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四摩擦热： 使工艺系统局部发热，引起局部温升和变形，破坏系统原有的几何精度。外部热源： 大型工件昼夜加工，由于温差引起工艺系统的热变形不一样，照明光、散热器、日光等也会引起机床的局部温度和变形。40第40页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四 2、机床热变形引起的加工误差车、铣 、钻、镗类机床： 主轴箱中的齿轮，轴承磨擦发热，润滑油发热是主要热源，使主轴箱及与之相连部分如床身或立柱的温度升高而产生较的变形。车床受热变形a） 车床受热变形形态运转时间 / h0

22、1 2 3 450150100200位移 /m20406080温升 / Yy前轴承温升b） 温升与变形曲线41第41页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四龙门刨床、导轨磨床等机床 床身热变形是影响加工精度的主要因素：因其床身较长、导轨稍有温差，就会产生较大的弯曲变形。 床身上下表面产生温差的原因，不仅是由于工作台运动时导轨摩擦发热所知，环境温度的影响也很大。导轨磨床受热变形42第42页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四各种磨床 热源： 液压传动系统和高速回转磨头，并且使用大量的切削液都是磨床的主要热源。 变形： 砂轮主轴轴承发热、使主轴轴线升高并使砂轮架向

23、工件方向趋近，由于主轴前后轴承温升不同，主轴侧母线还会出现倾斜，液压系统发热使床身各处温升不同，导致床身趋于前倾。 举例： 平面磨床： 热变形受油池安放位置及导轨摩擦发热的影响。 利用床身做油池，则床身下部温度高于上部，导轨产生中凹变形。 油池移出后，导轨面的摩擦热使导轨上部温度高于下部，导轨产生中凸变形。43第43页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四立式平面磨床受热变形形态立式平面磨床： 主轴承和主电机的发热传到立柱，使立柱内侧温度高于外侧，因而引起立柱的弯曲变形。 44第44页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四（1）热源： 切削热（由于刀体小、热重复

24、小、虽然传入刀具热量并不多，但仍会有很高的温升）（2）变形规律： 1）连接切削曲线1 2）间断切削曲线2 3）冷却后的曲线3 (min)车刀热变形曲线连续切削升温曲线冷却曲线间断切削升温曲线（m）mayb0c0.63may3、刀具热变形45第45页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四4、减少工艺系统热变形的主要途径（1）减少发热和隔热（2）强制冷却散热（3）控制温度变化（4）采用合理的结构设计46第46页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四1、内应力定义： 外部作用力去除后工件内存留的应力特点： 具有内应力的零件处于一种不稳定状态，它内部的组织有强烈的倾向要

25、恢复到一个稳定的没有应力的状态，即使在常温下，零件也会不断的缓慢地进行这种变化，直到残余应力安全松弛为主，在这一过程中，零件将会翘曲变形，原有的加工精度会逐渐丧失。五、残余应力引起的变形47第47页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四1）毛坯制造和热处理产生的残余应力原因： 在铸、锻、焊、热处理等加工过程中，由于各部分冷热收缩不均匀，以及金相组织的体积变化，使毛坯内部产生相当大的残余应力。例1： 下图表示一个内外壁厚相差较大的铸件，浇注后，冷却过程如下： 壁A、C较薄，散热容易，冷却快。壁B冷却慢，当A、C从塑性状态冷却到弹性状态时，B还处于塑性状态，这时A、C收缩时B不起阻

26、挡变形的作用，铸件内部不会产生内应力。1、产生残余应力的原因48第48页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四 当B冷却到弹性状态时，A、C的温度已经降低很多，收缩速度很慢，但B收缩快，所以收到A、C的阻碍，壁B受拉应力，A、C受压应力，以保持平衡。 在C上开一小口，C上压应力消失，在A、B内应力作用力，内应力重新分布，达到平衡，工件翘曲。49第49页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四例2： 机床床身铸件，为提高导轨面的耐磨性，采用局部激冷的工艺使他冷却更快一些，这样可以获得高的硬度，但铸件内应力更大，导轨表面 经粗加工刨去一层，引起内应力重新分布，产生弯曲

27、变形，新平衡过程需较长时间，导轨精加工后除去大部分变形，但内部还在变化，合格的导轨面丧失原有的精度。50第50页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四2）冷校直带来的残余应力冷校直方法：在细长轴原有变形的相反方向上加力F，使工件向相反方向弯曲，产生塑性变形，达到校直的目的细长轴弯曲原因，经轧制的材料存在内应力，经车削后，此内应力重新分布产生弯曲。冷校直方法F3）切削加工带来的残余应力51第51页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四3、减小残余应力措施 设计合理零件结构，提高零件刚性，使壁厚均匀。 合理安排工艺过程粗、精加工分开 避免冷校直 时效处理52第52页，共62页，2022年，5月20日，3点42分，星期四 合理采用先进工艺和设备1、误差预防：指减小原始误差本身或减小原始误差的影响。即减少误差源和改变原始误差源和加工误差的定量关系。 直接减小原始误差 例：细长轴切削时采用反向切削。六、提高加工精度的途径53第53页，共62页，2022年，5月20日，3点42