机械制造工艺学（第3版）课件：机械加工精度控制

机械制造工艺学1机械加工精度控制

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3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。4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1.力的作用点变化2.力的大小变化3.惯性力、传动力、重力、夹紧力引起的变化工艺系统受力变形工艺系统受热变形工艺系统内应力变形1.机床热变形2.工件热变形3.刀具热变形工艺系统热变形对加工精度的影响一、概述在机械加工过程中，尤其是在某些精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%~70%。热变形不仅降低了系统的加工精度，而且还影响了加工效率的提高。(一)工艺系统的热源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切削热是在切削过程中，切削层金属的弹性变形和塑性变形以及刀具与工件、切屑间的摩擦所产生的。它由工件、切屑、刀具、夹具、机床、切削液以及周围介质传出。它是刀具和工件热变形的主要热源。摩擦热主要是机床和液压系统中运动部件产生的，如电动机、轴承、齿轮传动副、导轨副、液压泵、阀等运动部件均会产生摩擦热，它是机床热变形的主要热源。

7工艺系统的外部热源，主要是环境温度的变化和热辐射的影响较大，对大型和精密工件的加工影响比较显著。8(二)工艺系统的热平衡工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐升高。与此同时，它们也通过各种传热方式向周围散发热量。当单位时间内传入和散发的热量相等时，则认为工艺系统达到了热平衡。图6-34所示为一般机床工作时的温度和时间曲线。9二、机床热变形引起的加工误差机床受热源的影响，各部分温度将发生变化，由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件将发生不同程度的热变形，破坏了机床原有的几何精度，从而引起了加工误差。车床类机床主轴箱中的轴承、齿轮、离合器等传动副的摩擦使主轴箱和床身的温度上升，从而造成了机床主轴抬高和倾斜。10图6-36所示为外圆磨床温升和热变形的测量结果。对大型机床如导轨磨床、外圆磨床、龙门铣床等长床身部件，由于温度分层变化，床身上表面比床身的底面温度高而形成温差，因此床身将产生弯曲变形，表面呈中凸状，如图6-37所示。11图6-38所示为大型平面磨床工作台热变形的实测记录。因油温的变化，引起工作台的热变形(图6-38中虚线)，将影响工件的平行度误差。采用冷却器使油液冷却后，有一定效果，但由于电磁吸盘的发热，使工作台上部温度仍然较高，工作台变形仍然较大(图6-38中实线)。12图6-39几种机床的热变形趋势a)车床b)铣床c)立式平面磨床d)双端面磨床13三、工件热变形引起的加工误差由于加工方法、工件材料、结构尺寸等的不同，工件受热变形情况和对加工精度的影响也不同。①细长轴在顶尖间车削时，热变形将使工件伸长，导致工件的弯曲变形，加工后将产生圆柱度误差。②精密丝杠磨削时，工件的受热伸长会引起螺距的积累误差。例如

磨削长度为3000mm的丝杠，每一次走刀温度将升高3℃，工件热伸长量为Δ=3000×12×10-6×3mm=0.1mm(12×10-6为钢材的热膨胀系数)。而6级丝杠螺距积累误差，按规定在全长上不许超过0.02mm，可见热变形对加工精度影响的严重性。③床身导轨面的磨削，由于单面受热，与底面产生温差而引起热变形，使磨出的导轨产生直线度误差。④薄圆环磨削，如图6-40所示，虽近似均匀受热，但磨削时磨削热量大，工件质量小，温升高，在夹压处散热条件较好，该处温度较其他部分低，加工完毕工件冷却后，会出现棱圆形的圆度误差。15四、刀具热变形引起的加工误差刀具切削部分质量小(体积小)，热容量小，所以刀具切削部分的温升大。例如用高速钢刀具车削时，刃部的温度高达700~800℃，刀具热伸长量可达0.03~0.05mm。曲线1为车刀连续车削时；曲线3为车刀冷却过程车刀变形情况;当车削一批短小轴类工件时，加工由于需要装卸工件而时断时续，车刀进行间断切削，热变形在Δ范围内变动，其变形过程如曲线2。161．减少发热和隔热

分离热源、采用隔热措施，改善摩擦条件，减少热量产生，如6-42。有时可采用强制冷却法，吸收热源热量，控制机床温升和热变形。合理安排工艺、粗精分开。1)采用热对称结构2)合理选择机床零部件的安装基准寻求各部件热变形的规律建立热变形位移数字模型并存入计算机中进行实时补偿加工前使机床高速空转，达到热平衡时再切削加工1）减小温差；2）均衡关键件的温升，避免弯曲变形（如图2－30所示）恒温车间、使用门帘、取暖装置均匀布置；恒温精度一般控制在±1℃以内，精密级较高的机床为±0.5℃。恒温室平均温度一般为20℃，在夏季取23℃，在冬季可取17℃2．加强散热能力3．用热补偿法减少热变形的影响4．控制温度的变化5．控制环境温度6.热位移补偿五、减少工艺系统热变形的主要途径17五、减少工艺系统热变形的主要途径(一)减少发热和隔热①切削中内部热源是机床产生热变形的主要根源。为了减少机床的发热，采用分离热源，如用隔热材料将发热部件和机床大件分隔开来（如图6-42）；从结构和润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热等方式。②切屑和切削液也是使工艺系统产生热变形的重要因素。对切屑传出的热，可采用及时清除、切削液冷却或在工作台上装隔热板来减少它的影响。18(二)加强散热能力为了消除机床内部热源的影响，可以采用强制冷却的办法，吸收热源发出的热量，从而控制机床的温升和热变形。大型数控机床、加工中心机床都普遍使用冷冻机对润滑油和切削液进行强制冷却，以提高冷却的效果。19(三)用热补偿法减少热变形的影响采用热补偿法使机床的温度场比较均匀，从而使机床产生均匀的热变形以减少对加工精度的影响。20(四)控制温度的变化在加工或测量精密零件时，应控制室温的变化。采用喷油冷却整台机床或采用机床预热等的方法控制温度变化的方法。21(三)惯性力、传动力、重力和夹紧力所引起的加工误差工艺系统受力变形总的来说可以分为两个方面，即外力和内力。产生原因：在铸、锻、焊等毛坯的生产过程中，由于工件各部分的厚薄不均，冷却速度不均匀而产生内应力。工件内应力对加工精度的影响工件在没有外加载荷的情况下，仍然残存在工件内部的应力称内应力或残余应力。一、毛坯的内应力细长的轴类零件，如光杠、丝杠、曲轴、凸轮轴等在加工和运输中很容易产生弯曲变形，因此，大多数在加工中安排冷校直工序，这种方法简单方便，但会带来内应力，引起工件变形而影响加工精度。二、冷校直引起的内应力22精密零件的加工是不允许安排冷校直工序的。当零件产生弯曲变形时，如果变形较小，可加大加工余量，利用切削加工方法去除其弯曲度;如果变形较大，则可用热校直的方法，这样可减小内应力，但操作比较麻烦。23工件在进行切削加工时，在切削力和摩擦力的作用下，使表层金属产生塑性变形，体积膨胀，受到里层组织的阻碍，故表层产生压应力，里层产生拉应力。三、工件切削时的内应力切削热也会使工件产生内应力。金属在切削时，如果表层温度超过弹性变形范围，则会产生热塑性变形，切削后，表层温度下降快，冷却收缩也比里层大，当温度降至弹性变形范围内，表层收缩受到里层的阻碍，因而产生拉应力，里层将产生平衡的压应力。在大多数情况下，热的作用大于力的作用。特别是高速切削、强力切削、磨削等，热的作用占主要地位。磨削加工中，表层拉力严重时会产生裂纹。24四、减少或消除内应力的措施1.合理设计零件结构2.采取时效处理自然时效人工时效振动时效3.合理安排工艺过程25提高加工精度的措施一、直接减少原始误差法①车削细长轴时，采用跟刀架、中心架可消除或减少工件弯曲变形所引起的加工误差。②采用大进给量反向切削法，基本上消除了轴向切削力引起的弯曲变形。若辅以弹簧顶尖，可进一步消除热变形所引起的加工误差。③在加工薄壁套筒内孔时，采用过渡圆环以使夹紧力均匀分布，避免夹紧变形所引起的加工误差。二、误差补偿法误差补偿法是人为地制造一种误差，去抵消工艺系统固有的原始误差，或者利用一种原始误差去抵消另一种原始误差，从而达到提高加工精度的目的。2627如：①磨削主轴锥孔时，机床主轴与工件采用浮动连接，机床主轴的原始误差不再影响加工精度，而转移到夹具来保证加工精度。②箱体的孔系加工中，在镗床上用镗模镗削孔系时，镗杆与主轴之间为浮动连接，孔系的位置精度和孔间距的尺寸精度都依靠镗模和镗杆的精度来保证，故机床的精度与加工精度无关，这样就可以利用普通精度和生产率较高的组合机床来精镗孔系。三、误差转移法误差转移法的实质是转移工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等。28全部零件按经济精度制造，然后装配成部件或产品，且各零部件之间具有工作时要求的相对位置，最后以一个表面为基准加工另一个有位置精度要求的表面，实现最终精加工，这就是“就地加工”法，也称自身加工修配法。四、就地加工法五、误差分组法误差分组法把毛坯或上工序尺寸按误差大小分为n组，每组毛坯的误差就缩小为原来的1/n，然后按各组分别调整