机械制造技术：加工过程中存在的误差

机械制造技术：加工过程中存在的误差（一）工艺系统受力变形引起的误差1、基本概念机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。如下图a示，车细长轴时，工件在切削力的作用下会发生变形，使加工出的轴出现中间粗两头细的情况；又如在内圆磨床上进行切入式磨孔时，上图b，由于内圆磨头轴比较细，磨削时因磨头轴受力变形，而使工件孔呈锥形。垂直作用于工件加工表面（加工误差敏感方向）的径向切削分力Fy与工艺系统在该方向上的变形y之间的比值，称为工艺系统刚度k系,k系=Fy/y式中的变形y不只是由径向切削分力Fy所引起，垂直切削分力Fz与走刀方向切削分力Fx也会使工艺系统在y方向产生变形，故?y=yFx+yFy+yFz2、工件刚度工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚度不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大，其最大变形量可按材料力学有关公式估算。3、刀具刚度外圆车刀在加工表面法线（y）方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。刀杆变形也可以按材料力学有关公式估算。4、机床部件刚度1）机床部件刚度机床部件由许多零件组成，机床部件刚度迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法来测定机床部件刚度。分析实验曲线可知，机床部件刚度具有以下特点：（1）变形与载荷不成线性关系；（2）加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线。两曲线线间所包容的面积就是加载和卸载循环中所损耗的能量，它消耗于摩擦力所作的功和接触变形功；（3）第一次卸载后，变形恢复不到第一次加载的起点，这说明有残余变形存在，经多次加载卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零；（4）机床部件的实际刚度远比我们按实体估算的要小。2）影响机床部件刚度的因素（1）结合面接触变形的影响（2）摩擦力的影响（3）低刚度零件的影响（4）间隙的影响5、工艺系统刚度及其对加工精度的影响在机械加工过程中，机床、夹具、刀具和工件在切削力作用下，都将分别产生变形y机、y夹、y刀、y工，致使刀具和被加工表面的相对位置发生变化，使工件产生加工误差。工艺系统刚度的倒数等于其各组成部分刚度的倒数和。kxt=1/(1/kjc+1/kdj+1/kj+1/kgj)工艺系统刚度对加工精度的影响主要有以下几种情况：1)由于工艺系统刚度变化引起的误差工艺系统的刚度随受力点位置的变化而变化。例如：用三爪卡盘夹紧工件车削外圆的加工，随悬壁长度的增加，刚度将越来越小。因而，车出的外圆将呈锥形。2)由于切削力变化引起的误差加工过程中，由于工件的加工余量发生变化、工件材质不均等因素引起的切削力变化，使工艺系统变形发生变化，从而产生加工误差。若毛坯A有椭圆形状误差（如下图）。让刀具调整到图上双点划线位置，由图可知，在毛坯椭圆长轴方向上的背吃刀量为ap1，短轴方向上的背吃刀量为ap2。由于背吃刀量不同，切削力不同，工艺系统产生的让刀变形也不同，对应于ap1产生的让刀为y1，对应于ap2产生的让刀为y2,故加工出来的工件B仍然存在椭圆形状误差。由于毛坯存在圆度误差△毛＝ap1-ap2，因而引起了工件的圆度误差△工＝y1-y2，且△毛愈大，△工愈大，这种现象称为加工过程中的毛坯误差复映现象。△工与△毛之比值ε称为误差复映系数，它是误差复映程度的度量。（见P203公式7.14）尺寸误差（包括尺寸分散）和形状误差都存在复映现象。如果我们知道了某加工工序的复映系数，就可以通过测量毛坯的误差值来估算加工后工件的误差值。3)由于夹紧变形引起的误差工件在装夹过程中，如果工件刚度较低或夹紧力的方向和施力点选择不当，将引起工件变形，造成相应的加工误差。4)其它作用力的影响6、减小工艺系统受力变形的途径由前面对工艺系统刚度的论述可知，若要减少工艺系统变形，就应提高工艺系统刚度，减少切削力并压缩它们的变动幅值。具体如下：1）提高工艺系统刚度（1）提高工件和刀具的刚度减小刀具、工件的悬伸长度：以提高工艺系统的刚度；（2）减小机床间隙，提高机床刚度：采用预加载荷，使有关配合产生预紧力，而消除间隙。（3）采用合理的装夹方式和加工方式2）减小切削力及其变化??合理地选择刀具材料，增大前角和主偏角，对工件材料进行合理的热处理以改善材料地加工性能等，都可使切削力减小。（二）工艺系统受热变形引起的误差工艺系统热变形对加工精度的影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%～70%。机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。1、工艺系统的热源——内部热源和外部热源内部热源：如系统内部的摩擦热（由轴承副、齿轮副等产生）、切削热等；外部热源：如外部环境温度、阳光辐射等。2、工艺系统受热变形引起的误差：1）工件受热变形：工件受热温度升高后，热伸长量△L为：△L=αL△t式中：α为工件材料的热膨胀系数；L为工件长度；△t为工件的温升。例如：死顶尖装夹工件时，热变形将造成工件弯曲。在磨床上为消除热变形的影响，而采用弹簧顶尖。2）机床受热变形：当机床受热不均时，造成机床部件产生变形。例如：机床主轴前、后端受热不均，将造成主轴抬高，并倾斜。3）刀具受热变形：刀具受热以后，引起刀具热伸长，刀尖位置发生变化，因而影响加