机械制造工艺学 第3版 课件 模块三机械加工精度与表面质量控制-项目六12机械加工精度控制

机械制造工艺学机械制造工艺课程组项目六模块三任务缸套零件机械加工精度的控制如图6-1所示要加工一批薄壁缸套，材料为QT600-3，精度等级为6级，试分析该种薄壁零件宜采用何种方法保证其加工精度和表面质量，并制定其机械加工工艺过程卡。图6-1薄壁缸套本任务为一薄壁缸套零件，其结构简单但尺寸大、壁厚薄，尺寸精度和表面粗糙度要求均较高，同时外圆与内孔有同轴度要求，两端面有平行度要求，如何在机械加工中解决装夹定位，确保不因夹紧力、切削力、磨削力的作用影响零件加工精度是解决该任务的关键。1.掌握机械加工精度相关概念。2.掌握影响机械加工精度的因素。3.掌握提高机械加工精度的方法。具有根据零件特点、加工方法、机床、夹具等选择分析可能影响其机械加工精度的因素并保证其加工精度的能力。培养学生精益求精、追求卓越的工匠精神。机械加工精度基本概念产品的质量与零件的加工质量、产品的装配质量密切相关，而零件的加工质量是保证产品质量的基础。它包括零件的加工精度和表面质量两方面。一、机械加工精度的概念机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和相互位置)与理想几何参数的符合程度。实际几何参数与理想几何参数的偏离程度称为加工误差。加工误差越小，加工精度就越高。所以，加工精度与加工误差是一个问题的两种提法。零件有关表面的尺寸精度，几何形状精度和相互位置精度之间是有联系的。形状误差应该限制在位置公差内，位置误差要限制在尺寸公差内。一般尺寸精度高，相应的形状、位置要求也高。二、获得加工精度的方法零件的加工精度包括尺寸精度、几何形状精度和相互位置精度。几何形状误差又可分为宏观几何形状误差、波度和微观几何形状误差。(一)获得尺寸精度的方法1.获得尺寸精度的方法

试切法

定尺寸刀具法

调整法自动控制法

2.获得形状精度的方法

刀尖轨迹法

成形刀具法

展成法

3.获得位置精度的方法

直接找正

划线找正

夹具定位三、影响加工精度的原始误差机械加工中，由机床、夹具、刀具和工件组成的系统，称为机械加工工艺系统。机械加工工艺系统的误差是工件产生加工误差的根源。我们把工艺系统的各种误差称之为原始误差。原始误差的种类1)工艺系统的几何误差。2)工艺系统受力变形引起的误差。3)工艺系统热变形引起的误差。4)工件的残余应力引起的误差。原始误差产生加工误差的根源，它包括：加工误差加工原理误差机床几何误差（工艺系统静误差）工艺系统动误差主轴回转误差1.轴向窜动2.径向跳动3.角度摆动导轨导向误差1.导轨在水平面内的直线度误差2.导轨在垂直面内的直线度误差3.导轨面间的平行度误差机床的传动误差工艺系统其他几何误差1.刀具误差2.夹具误差和装夹误差3.调整误差工艺系统的几何误差一、加工原理误差加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。例如，滚齿加工用的齿轮滚刀，就有两种误差存在：一是刀刃轮廓近似造形误差，由于制造上的困难，采用了阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆;二是由于滚刀刀齿数有限，实际上加工出的齿形是一条折线和理论的光滑渐开线有差异，这些都会产生原理误差。车削模数蜗杆时，由于蜗杆的螺距等于蜗轮的周节(即πm)，其中m是模数，而π是一个无理数(π=3.1415…)，选择配换齿轮时只能将π化为近似的分数值计算，这就将引起刀具相对于工件的成形运动(螺旋运动)不准确，造成螺距误差。采用近似的成形运动或近似的刀刃轮廓，虽然会带来加工原理误差，但往往可以简化机床或刀具的结构，有时反而可以得到高的加工精度，并且能提高生产率和经济性。因此，只要其误差不超过规定的精度要求，在生产中仍得到广泛的应用。二、机床的几何误差机床几何误差的来源机床制造磨损安装机床几何误差的组成①主轴回转误差②导轨误差③传动链误差水平面内直线度垂直面内直线度前后导轨的平行度内联传动链始末两端传动元件间相对运动误差轴向窜动径向跳动角度摆动(一)主轴回转误差图6-3主轴回转误差的基本形式1.回转误差的概念及其影响因素主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对理论回转轴线的“漂移”。主轴回转误差可分为三种基本形式，即轴向窜动、径向跳动和角度摆动(图6-3a、b、c)。实际上，主轴回转运动误差的三种基本形式是同时存在的(图6-3d)。图6-4滚动轴承的几何误差a)滚道的圆度误差b)滚道的波度c)滚子的圆度和尺寸影响主轴回转精度的主要因素有：

1)主轴误差

主要包括主轴支承轴颈的圆度误差、同轴度误差(使主轴轴心线发生偏斜)和主轴轴颈轴向承载面与轴线的垂直度误差(影响主轴轴向窜动量)。2)轴承误差

①滑动轴承内孔或滚动轴承滚道的圆度误差(图6-4a)。②滑动轴承内孔或滚动轴承滚道的波度(图6-4b)。③滚动轴承滚子的形状与尺寸误差(图6-4c)。④轴承定位端面与轴心线垂直度误差、轴承端面之间的平行度误差。⑤轴承间隙以及切削中的受力变形。3)主轴系统的径向不等刚度及热变形。

2.主轴回转误差对加工精度的影响15下面以在镗床上镗孔、车床上车外圆为例来说明主轴回转误差对加工精度的影响。车间所有机床，我们分为：

工件回转类刀具回转类误差敏感方向不变镗床

车床加工时误差敏感方向和切削力方向随主轴回转而不断变化16(R+ΔR)2=Δz2+R2整理中略去高阶微量ΔR2项可得ΔR=Δz2/2R设Δz=0.01mm，R=50mm，则ΔR=0.000001mm。此值完全可以忽略不计。由此可见，主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆度影响很小。①主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响车床加工：工件回转，刀具移动01图6-5回转误差对加工精度的影响车削圆柱表面时，回转误差沿刀具与工件接触点的法线方向分量Δy对精度影响最大(图6-5b)，反映到工件半径方向上的误差为ΔR=Δy，而切向分量Δz的影响最小(图6-5a)，由图6-5可看出，存在误差Δz时，反映到工件半径方向上的误差为ΔR，其关系式为假设由于主轴的纯径向跳动而使轴线在y坐标方向作简谐运动，其频率与主轴转速相同，简谐幅值为A；则:Y=Acosφ（φ＝ωt）且主轴中心偏移最大（等于A）时，镗刀尖正好通过水平位置1处。当镗刀转过一个φ角时（位置1’），刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别计算得：

y=Acosφ+Rcosφ=(A+R)cosφ Z=Rsinφ将上两式平方相加得:

y2/(A+R)2+Z2/R2=1

表明此时镗出的孔为椭圆形。02镗削加工：镗刀回转，工件不转

①主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响AARφOm11，AcosφO234ORsinφ(A+R）cosφ图

镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响②轴向窜动对车、镗削加工精度的影响主轴的纯轴向窜动对工件的内、外圆加工没有影响，但会影响加工端面与内、外圆的垂直度误差。主轴每旋转一周，就要沿轴向窜动一次，向前窜的半周中形成右螺旋面，向后窜的半周中形成左螺旋面，最后切出如端面凸轮一样的形状，并在端面中心附近出现一个凸台。当加工螺纹时，主轴轴向窜动会使加工的螺纹产生螺距的小周期误差。

主轴轴向窜动对端面加工的影响③角度摆动对车、镗削加工精度的影响主轴纯角度摆动对加工精度的影响，取决于不同的加工内容。车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小，但轴平面有圆柱度误差（锥度）。车外圆：得到圆形工件，但产生圆柱度误差（锥体）车端面：产生平面度误差镗孔时：由于主轴的纯角度摆动

使得主轴回转轴线与工作台导轨不平行，使镗出的孔呈椭圆形。

主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响21④提高主轴回转精度的措施1）提高主轴的轴承精度。2）减少机床主轴回转误差对加工精度的影响。3）对滚动轴承进行预紧，以消除间隙。4）提高主轴箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合的零件有关表面的加工精度。3.主轴回转精度的测量①机床主轴回转精度(包括径向跳动、轴向窜动和角度摆动)的测量，在目前的生产过程中主要是利用表测法(图6-7)。图6-7主轴回转精度的千分表测量3.主轴回转精度的测量②传感器测量法

图6-8所示为用于刀具回转类机床(镗床)的主轴回转精度测量示意图。图6-8用于刀具回转类机床(镗床)的主轴回转精度测量示意图1、2—位移传感器3—标准钢球4—示波器5—调整盘(二)导轨导向误差机床导轨是机床中确定某些主要部件相对位置的基准，也是某些主要部件的运动基准。

机床导轨导向误差的基本形式水平面内的直线度垂直面内的直线度前后导轨的平行度（扭曲）1.导轨在水平面内直线度误差的影响磨床导轨在x方向存在误差Δ(图6-9a)，引起工件在半径方向上的误差ΔR(图6-9b)。当磨削长外圆柱表面时，将造成工件的圆柱度误差。图6-9磨床导轨在水平面内的直线度误差卧式车床车削零件当导轨在水平面内的直线度误差为△y时,引起工件在半径方向的误差为△R=△y1.导轨在水平面内直线度误差的影响导轨在水平面内直线度误差导轨水平面内直线度ΔYΔYoDΔR水平面由此可见：床身导轨在水平面内如果有直线度误差，使工件在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差。当导轨向后凸出时，工件上产生鞍形加工误差；当导轨向前凸出时，工件上产生鼓形加工误差。结论卧式车床车削零件

床身导轨在垂直面内有直线度误差，会引起刀尖产生切向位移△Z，造成工件在半径方向产生的误差为：

△R≈△Z2/d设：△Z=△Y=0.01mm，R=50mm，则由于法向原始误差而产生的加工误差△R=△Y=0.01mm,由于切向原始误差产生的加工误差△R≈△Z2/d=0.000001mm此值完全可以忽略不计。由于△Z2数值很小，因此该误差对工件的尺寸精度和形状精度影响甚小。2.导轨在垂直面内直线度误差的影响垂直平面导轨垂直面直线度ΔZdΔRΔZ图

导轨在垂直面内直线度误差Rd/22.导轨在垂直面内直线度误差的影响如图6-10所示，磨床导轨在y方向内存在误差Δ，磨削外圆时，工件沿砂轮切线方向产生位移，此时，工件半径方向上产生误差ΔR≈Δ2/2R，对工件的形状精度影响甚小(误差非敏感方向)。但导轨在垂直方向上的误差对平面磨床、龙门刨床、铣床等将引起法向位移，其误差直接反映到工件的加工表面(误差敏感方向)，造成水平面上的形状误差。图6-10磨床导轨在垂直面内的直线度误差

图

龙门刨床导轨垂直面内直线度误差

1－刨刀2－工件3－工作台4－床身导轨原始误差引起工件相对于刀具产生相对位移，若产生在加工表面法向方向（误差敏感方向），对加工精度有直接影响；产生在加工表面切向方向（误差非敏感方向），可忽略不计。结论：3.导轨面间平行度误差的影响当在车床类或磨床类机床上加工工件时，如果导轨与主轴轴心线不平行，则会引起工件的几何形状误差。例如车床导轨与主轴轴心线在水平面内不平行，会使工件的外圆柱表面产生锥度;在垂直面内不平行时，会使工件成马鞍形。卧式车床导轨从图6-11可知，车床前后导轨扭曲的最终结果反映在工件上，于是产生了加工误差△y。从几何关系中可得出：

△y≈H△/B一般车床H≈2B/3，外圆磨床H≈B，因此该项原始误差△对加工精度的影响很大。图6-11导轨面间的平行度误差

（1）机床传动链误差定义指传动链始末两端执行元件间相对运动的误差。（2）机床传动链误差描述传动链末端元件产生的转角误差。它的大小对车、磨、铣螺纹，滚、插、磨（展成法磨齿）齿轮等加工会影响分度精度，造成加工表面的形状误差，如螺距精度、齿距精度等。(三)机床的传动误差(三)机床的传动误差车削螺纹时，要求工件旋转一周刀具直线移动一个导程(对于单头螺纹即为一个螺距)，如图6-12所示。传动时，必须保持Ph=iT为恒值，Ph为工件导程，T为丝杠导程，i为齿轮z1~z8的传动比。所以，丝杠导程和各齿轮的制造误差都必将引起工件螺纹导程的误差。图6-12车螺纹的传动链示意图S－工件导程；T－丝杠导程；Z1～Z8－各齿轮齿数例：车螺纹，要求主轴与传动丝杠的转速比恒定（见图6-12），即Z1Z2驱动丝杠误差的产生若齿轮Z1有转角误差δ1，造成Z2的转角误差为：δ12＝i12δ1Z1δ1δ1n=i1nδ1Z2δ2δ2n=i2nδ2………………Znδnδnn=innδn在任一时刻，各齿轮的转角误差反映到丝杠的总误差为：传到丝杠上的转角误差为δ1n，即：减少传动链误差的措施1)减少传动链中的环节，缩短传动链。2)提高传动副(特别是末端传动副)的制造和装配精度。3)消除传动间隙。4)采用误差校正机构。三、工艺系统的其他几何误差(一)刀具误差一般刀具定尺寸刀具成形刀具如普通车刀、单刃镗刀和面铣刀等的制造误差对加工精度没有直接影响，但磨损后对工件尺寸或形状精度有一定影响

定尺寸