05第五讲+传动链与热误差.ppt

1、1,机械制造工艺过程 第五讲,2,第一部分 传动链误差 第二部分 工艺系统热变形引起的误差,本次课程内容,第一部分内容,1 传动链精度分析 2 传动误差的估算和对加工精度的影响 3 减少传动链传动误差的措施 4 夹具的制造误差与磨损 5 刀具的制造误差与磨损 6 例题分析（实战演练）,3,一 机床传动链精度分析,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。 传动链的传动误差是螺纹、齿轮、蜗轮以及其他按展成原理加工时，影响加工的主要因素。,4,一 机床传动链精度分析,例如：在滚齿机上用单头滚刀加工直齿轮时，要求滚刀与工件之间具有严格的运动关系：滚刀转一转，工件转过

2、一个齿。 这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的。 见下页图,5,6,一 机床传动链精度分析,图3-20所示的机床传动系统具体表示:,7,一 机床传动链精度分析,一 机床传动链精度分析,破坏正确的运动关系，使工件产生误差的主要原因： 传动链中传动元件（如齿轮、蜗轮、蜗杆、丝杠、螺母等）存在以下问题 制造误差（主要是影响运动精度的误差）、 装配误差（主要是装配偏心） 磨损,8,一 机床传动链精度分析,传动链传动误差一般可用传动链末端元件的转角误差来衡量。 由于各传动件在传动链中所处的位置不同，它们对工件加工精度（即末端件的转角误差）的影响程度是不同的。 假设滚刀轴均匀旋转，则不同传动件的转

3、角误差传递到末端件所产生的转角误差分析如下：,9,不同传动件的转角误差传递到末端件所产生的转角误差：,10,一 机床传动链精度分析,总的影响分析,11,传动元件如齿轮、蜗轮等所产生的转角误差，主要是因为制造时的几何偏心或运动偏心及装配到轴上时的安装偏心所引起。 因此，各传动元件的转角误差是转角的正弦函数：,12,一 机床传动链精度分析,13,一 机床传动链精度分析,结论：传动链传动误差（即末端元件总转角误差）也是呈周期性变化的。,14,一 机床传动链精度分析,传动链的传动误差可以用误差频谱图来表示。 横坐标表示误差的各次谐波的频率， 纵坐标表示误差的各次谐波的幅值,见图a； 对滚齿机来说，当滚

4、刀轴均匀转动时，直接测量工作台转角误差，可得到周期性的传动误差曲线，见图b； 如将其各种频率成分分量分解出来，如图c，作出频谱图。,15,传动精度的测量与信号处理,16,传动精度的测量与信号处理,作出频谱图以后，可以根据频率的大小判断每种误差分量来自传动链中哪一个传动元件，并可根据各种误差分量幅值大小找出影响传动误差的主要环节。 这种分析方法称作传动误差的谐波分析法。,17,传动精度的测量与信号处理,测量传动链传动精度的常用两种方法： 1 磁分度仪 2 光珊式分度仪。 磁分度仪的传感元件是两副磁盘和磁头，两个磁盘上分别录有波数不同的准确的正弦波。 疏波数的磁盘安装在工作台上， 密波数的磁盘安装

5、在滚刀轴上。,18,传动精度的测量与信号处理,19,在机床开动后相应的磁头分别拾取两路正弦信号，经过放大滤波，其中一路信号还经过变频，使之与另一路信号的频率相同后比相。,传动精度的测量与信号处理,相位差就反映了随工作台转动角度而产生的传动误差。在记录仪上便可绘出图b的转角误差曲线。 如果把产生的传动误差的信号输入频谱分析仪，通过若干并联的窄带滤波器，把各阶谐波分解开，再经过检波、积分电路，得到相应的各阶谐波值，接着由开关电路顺次取样，以频谱图方式显示在荧光屏上或用电平记录仪绘出。,20,传动精度的测量与信号处理,21,传动精度的测量与信号处理,传动误差的估算和对加工精度的影响,22,在实际生产

6、中，各传动元件转角误差的幅值虽可测得，但由于 初相角往往是随机的，很难一一确定，因此一般都是采用测试 手段实测整个传动链的总误差，然后进行谐波分析。 如果没有精确测量传动链误差和进行谐波分析的条件，也可 根据各传动元件周节累积误差来估算其转角误差的幅值以及 对加工精度的影响。,传动误差的估算和对加工精度的影响,23,齿轮转角误差的估算（续）,24,例题（书上习题）：在滚齿机上若被加工齿轮分度圆直径D=100MM,滚切传动链中最后一个交换齿轮的分度圆直径D=200MM,分度蜗轮付的降速比为1:96，若此交换齿轮的周节累积误差为0.12MM,试求由此引起的工件的周节累积偏差？,25,26,螺距误差

7、的估算,27,28,螺距误差的估算,减少传动链传动误差的措施,1) 传动件少 2) 传动比小，降速传动 3) 各传动件的加工、装配误差 4) 采用校正装置,29,减少传动链传动误差的措施,1) 传动件少 传动件数越少，传动链越短，传动误差就越小，因而传动精度就高。,30,减少传动链传动误差的措施,31,2)传动比小 传动比越小，特别是传动链末端传动副的传动比小，则传动链中其余各传动元件误差对传动精度的影响就越小。采用降速传动，是保证传动精度的重要原则。 对于螺纹或丝杠加工机床，为保证降速传动，机床传动丝杠的导程应大于工件螺纹导程； 对于齿轮加工机床，分度蜗轮的齿数一般比被加工齿轮的齿数多，目的

8、是为了得到很大的降速传动比。 同时，传动链中各传动副传动比应按越接近末端的传动副，其降速比越小的原则分配，这样有利于减少传动误差。,减少传动链传动误差的措施,3)传动链中各传动件的加工、装配误差 传动链中各传动件的加工、装配误差对传动精度均有影响。 最后的传动件（末端件）的误差影响最大，故末端件（如滚齿机的分度蜗轮、螺纹加工机床的最后一个齿轮及传动丝杠）应做得更精确些。,32,减少传动链传动误差的措施,4)采用校正装置 校正装置的实质是在原传动链中人为地加入一误差，其大小与传动链本身的误差相等而方向相反，从而使之相互抵消。 如高精度螺纹加工机床常采用机械式校正机构原理。 采用机械式的校正装置只

9、能校正静态的传动误差。如果要校正机床静态及动态传动误差，则需采用计算机控制的传动误差补偿装置。,33,34,减少传动链传动误差的措施,夹具的制造误差与磨损,夹具误差主要指： 1) 定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等的制造误差； 2) 夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸误差； 3) 夹具在使用过程中工作表面的磨损。,35,夹具的制造误差与磨损,36,夹具误差将直接影响工件加工表面的位置精度或尺寸精度。 例如：钻孔夹具； 钻套中心至夹具体上定位平面间的距离误差，直接影响工件孔至工件底平面的尺寸精度； 钻套中心线与夹具体上定位平面间的平行度误差，直接影响工件孔中心线与工件底平面的平行

10、度； 钻套的直径误差也将影响工件孔至底平面的尺寸精度与平行度。 一般来说，夹具误差对加工表面的位置误差影响最大。在设计夹具时，凡影响工件精度的尺寸应严格控制其制造误差。,37,夹具的制造误差与磨损,刀具误差主要是刀具的制造误差和磨损。 1) 定尺寸刀具； 2) 成形刀具； 3) 展成刀具； 4) 单刃刀具。,38,刀具误差,1) 定尺寸刀具； 采用定尺寸刀具（如钻头、铰刀、键槽铣刀、镗刀块及圆拉刀等）加工时，刀具的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度。,39,刀具误差,2) 成形刀具； 采用成形刀具（如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的形状精度将直接影响工件的形状精度。,40,刀具误差,

11、3) 展成刀具； 展成刀具（如齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀等）的刀刃形状必须是加工表面的共轭曲线。因此，刀刃的形状误差会影响加工表面的形状精度。,41,刀具误差,4) 一般刀具； 对于一般刀具（如车刀、镗刀、铣刀），其制造精度对加工精度无直接影响，但这类刀具的耐用度较低，刀具容易磨损。,42,刀具误差,43,刀具的尺寸磨损 任何工具在切削过程中都不可避免地要产生磨损，并由此引起工件的尺寸和形状误差。 例如：用成形刀具加工时，刀具刃口的不均磨损将直接复映在工件上，造成形状误差； 在加工较大表面（一次走刀需较长时间）时，刀具的尺寸磨损会严重影响工件的形状精度； 用调整法加工一批时，刀具的磨损会扩大工

12、件尺寸的分散范围。,刀具误差,44,刀具尺寸磨损的定义： 是指刀刃在加工表面的法线方向（即误差敏感方向）上的磨损量u，它直接反映出刀具磨损对加工精度的影响。,刀具误差,45,刀具尺寸磨损的过程分为三个阶段： 初期磨损； 正常磨损； 急剧磨损。 在急剧磨损阶段前就必须重新磨刀。,刀具误差,例题： 在车床上加工丝杠和在滚齿机上加工齿轮时，产生传动链误差最主要的环节是什么？ 它们引起误差对一批工件而言误差性质是什么？ 通常采用哪些措施来提高传动链精度？,46,例题分析,47,在车床上加工丝杠，产生传动链误差最主要环节是车床母丝杠的精度； 在滚齿机上加工齿轮，产生传动链误差最主要的环节是滚齿机工作台分

13、度蜗轮的精度。 它们引起的误差对一批工件而言是常值系统误差。 为提高传动链精度通常采用的措施有： （1）尽量缩短传动链以减少传动幅的数目； （2）合理安排传动比； （3）提高主要传动元件的制造及装配精度； （4）采用校正机构,参考答案,加工外圆、内孔和平面时，机床传动链误差对加工精度有否影响？ 在怎样的加工场合下，才须着重考虑机床传动链误差对加工精度的影响？ 传动元件的误差传递系数，其物理意义是什么？,48,例题分析,49,加工外圆、内孔与平面时，机床传动链误差对加工精度没有影响。只有在加工时要求成形运动之间有一定的速比关系时（如加工螺纹、齿轮等成型表面）才须着重考虑机床传动链误差对加工精度的

14、影响。,参考答案,50,例题分析,51,例题分析,52,参考答案,在钻床上用钻模扩孔时，试问钻套直径的误差（如尺寸变大了）对扩孔直径有否直接影响？ 若改用单刃镗刀，仍用上述钻模来引导刀杆进行镗孔，则钻套直径的误差对镗孔尺寸精度有否影响？,53,例题分析,在钻床上：用扩孔钻，扩孔直径不受直接影响。用单刃镗刀，镗孔尺寸会变小。 在车床上：用扩孔钻，扩孔直径会受影响（因为被加工孔的轴线是车床主轴的回转轴线），用单刃镗刀、镗孔尺寸不受直接影响。,54,参考答案,小结：,55,1 传动链精度分析 2 传动误差的估算和对加工精度的影响 3 减少传动链传动误差的措施 4 夹具的制造误差与磨损 5 刀具的制造

15、误差与磨损 6 例题分析（实战演练）,56,第一部分 传动链误差 第二部分 工艺系统热变形引起的误差,本次课程内容,57,1 热源、热平衡、温度场 2 工件热变形 3 刀具热变形 4 机床热变形 5 应对措施 6 实战演练,第二部分内容,热变形破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系，造成工件的加工误差。 热变形对加工精度的影响比较大，精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的40%-70%。,58,概述,工艺系统热变形影响加工精度，而且影响加工效率。 如：预热机床获得热平衡； 降低切削用量减少切削热和摩擦热； 粗加工后停机待热量散发后在进行精加工； 增加工序粗精加工

16、分开。,59,概述,工艺系统的热源,热传递的三种方式： 导热传递 对流传递 辐射传递。 两大类热源： 内部热源 外部热源。,60,工艺系统的热源,内部热源：切削热和摩擦热，产生于工艺系统内部，以热传导的的形式传递。 外部热源：工艺系统外部的、以对流传热为主要形式的环境温度（与气温变化、通风、空气对流和周围环境等有关）和各种辐射热（包括由阳光、照明、暖气设备等发出的辐射热）。,61,切削热是切削加工过程中最主要的热源，对工件加工精度的影响最为直接。 在切削（磨削）过程中，消耗于切削层的弹、塑性变形能及刀具、工件和切削之间摩擦的机械能，绝大部分转变为切削热。,62,工艺系统的热源,切削热Q(j)的

17、大小与被加工材料的性质、切削用量及刀具的几何参数等有关。 Q=P(z)vt P(z):主切削力(N); v:切削速度(m/min); t:切削时间(min).,63,工艺系统的热源,影响切削热传导的主要因素： （1）工件、刀具、夹具、机床等材料的导热性能； （2）周围介质的情况。 工件材料热导率大，则由切削和工件传导的切削热较多；刀具材料亦同理。,64,工艺系统的热源,65,工艺系统的热源,工艺系统的摩擦热： 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、丝杠、导轨幅、离合器、液压泵等各运动部分产生的摩擦热。 摩擦热比切削热少，但局部发热后，引起温升和变形，破坏系统的原有几何

18、精度，对加工精度带来严重影响。,66,工艺系统的热源,外部热源的热辐射及周围环境温度对机床热变形的影响，有时不容忽视。 加工大型工件，昼夜连续加工，由于昼夜温度不同，引起工艺系统的热变形就不一样，从而影响了加工精度。,67,工艺系统的热源,照明灯光、加热器等对机床的热辐射，往往是局部的，日光对机床的照射不仅是局部的，而且不同时间在辐射热量和照射位置也不同，因而引起机床各部分不同的温升和变形，大型、精密加工尤其不能忽视。,68,工艺系统的热源,工艺系统在各种热源的作用下，温度升高，同时也通过各种传热方式向周围的介质散发热量。 当工件、刀具和机床的温度达到某一数值时，单位时间内散出的热量与热源传入

19、的热量趋于相等，这是工艺系统达到热平衡状态。,69,工艺系统的热平衡和温度场概念,热平衡状态下，工艺系统各部分的温度就保持在一相对固定的数值上，因而各部分的热变形也就相应地趋于稳定. 作用于工艺系统各组成部分的热源，其发热量、位置和作用时间各不相同，各部分的热容量、散热条件也不一样，因此各部分的温升不同。同一物体，处于不同空间位置上的各点在不同时间其温度也是不等的。 物体中各点温度的分布称为温度场。,70,工艺系统的热平衡和温度场概念,当物体未达到热平衡时，各点温度不仅是坐标位置的函数，也是时间的函数。这种温度场称为不稳态温度场。 物体达到热平衡后，各点温度将不再随时间而变化，而只是其坐标位置

20、的函数，这种温度场则成为稳态温度场。,71,工艺系统的热平衡和温度场概念,机床热变形最复杂，热源较多的。 工件和刀具热源简单，热变形用解析法估算和分析。 使工件产生热变形的热源，主要是切削热。 对精密零件，周围环境温度和局部温度受到日光等外部热源的辐射热不容忽视。 工件的热变形两种：工件比较均匀受热，工件不均匀受热。,72,工件热变形及其对加工精度影响,73,工件热变形及其对加工精度影响,74,（一）工件均匀受热 假设：形状简单的轴类、套类、盘类零件的内、外圆加工时，切削热比较均匀地传入工件，不考虑工件温升后的散热，其温度沿工件全长和圆周的分布是比较均匀的，可近似地看成均匀受热。 加工盘类和长

21、度较短的销轴、套类零件，工件纵向误差可忽略。 车削较长工件时，工件冷却收缩后外圆表面产生圆柱度误差,工件热变形及其对加工精度影响,工件以两顶尖定位，工件热伸长，如顶尖不能轴向位移，产生弯曲变形。 工件的热变形对精加工影响大： 丝杠长度为2m，每磨一次其温度相对于机床母丝杠就3摄氏度，则丝杠的伸长量为： 2000 x1.17x0.00001x3mm=0.07mm 6级丝杠的螺距累积误差在全长上不允许超过0.02mm,可见热变形的严重性。,75,工件热变形及其对加工精度影响,工件的热变形对粗加工影响不大，但工序集中的场合下，要重视。 例子P197: 在一台三工位的组合机床上加工。 为避免工件粗加工

22、时热变形对精加工时加工精度的影响，在安排工艺过程时应尽可能把粗、精加工分开在两个工序中进行，以使工件粗加工后有足够的冷却时间。,76,工件热变形及其对加工精度影响,（二）工件不均匀受热 铣、刨、磨平面时，除在沿进给方向有温度差外， 更严重的是工件只是在单面受到切削热的作用， 上下表面间的温度差将导致工件向上拱起， 加工时中间凸起的部分被切去， 冷却后工件变成下凹，造成平面度误差。,77,工件热变形及其对加工精度影响,78,工件热变形及其对加工精度影响,79,结论：工件单面受热，变形扰度随L的增长而急剧增大，但由于L、H、a均为工件的定量，故欲控制热变形，就必须减小温差，减少热量的传入。 对于大

23、型精密板类零件的磨削加工，工件单面受热引起的误差对加工精度的影响很严重。,工件热变形及其对加工精度影响,（二）工件不均匀受热 减小误差的措施： （1）切削时使用充分的切削液以减少切削表面的温升； （2） 也可采用误差补偿法，在装夹工件时使工件上表面产生微凹的夹紧变形，以此来补偿切削时工件单面受热而拱起的误差。,80,工件热变形及其对加工精度影响,刀具的热变形主要是切削热引起的。 通常传入刀具的热量并不太多，但热量集中在切削部分，刀体小，热容量小，故仍会有很高的温升。车削时，高速刚车刀温升700-800，硬质合金刀刃则可达1000。,81,刀具热变形及其对加工精度的影响,82,连续切削时： 刀具

24、的热变形切削初始阶段增加很快，随后缓慢，10-20分钟趋向热平衡。刀具总的热变形量可达到0.03-0.05mm。 间断切削时： 刀具有短暂的冷却时间，其热变形曲线具有热胀冷缩双重特性，且总的变形量比连续切削时要小一些。 切削停止： 刀具温度立即下降，开始冷却较快，以后逐渐减慢。,刀具热变形及其对加工精度的影响,83,加工大型零件，刀具热变形往往造成几何形状误差。 如：车长轴时，可能由于刀具热伸长而产生锥度（尾座处直径比主轴箱附近的直径大）。 减小刀具热变形措施： 合理选择切削用量和刀具几何参数，并给以充分冷却和润滑，以减少切削热，降低切削温度。,84,刀具热变形及其对加工精度的影响,机床工作过

25、程中：内外热源影响各部分温度升高各部分热源不同分布不均匀机床结构的复杂性各部件以及同一部件不同位置的温升不同形成：不均匀温度场导致：机床各部件之间的相对位置发生变化结论：破坏原有的几何精度而造成加工误差。,85,机床热变形及其对加工精度的影响,机床空转时： 各运动部件产生的摩擦热基本不变。 一段时间后，达到热平衡，趋于稳定热态几何精度:机床到到热平衡状态时的几何精度。 机床达到热平衡之前，几何精度变化不定，对加工精度的影响也变化不定。 磨床：摩擦发热影响大，切削热影响小。 车床、磨床：空转热平衡时间4-6H，中小精密机床1-2H，大型精密机床超过12H。,86,机床热变形及其对加工精度的影响,

26、（一）车、铣、钻、镗，机床的主要热源及其加工精度影响 主轴箱轴中的齿轮、轴承摩擦发热，润滑油发热是其主要热源。 主轴箱（主轴倾斜） 床身（立柱）（导轨上凸）。 见P199图 车床的热变形,87,机床热变形及其对加工精度的影响,88,机床热变形及其对加工精度的影响,外圆磨床： 砂轮架倾斜工件直径； 工件头架倾斜锥度 平面磨床： 砂轮架立柱； 液压油池床身内，下高，中凹； 导轨 床身外，上高，中凸。 双端面磨床： 砂轮架， 冷却液床身中部中凸端面倾斜。,89,磨床类机床的热变形,磨床都有液压传动系统和高速回转磨头，并且使用大量的切削液，这是主要热源。,90,磨床类机床的热变形,床身热变形是影响加工

27、精度的主要因素。 龙门铣、刨、磨床床身：导轨面磨擦， 环境温度， 辐射。,91,大型机床热变形,92,（一）、合理的机床部件结构及装配基准 1、热对称结构 变速箱中，轴、轴承、传动齿轮等对称分布，箱壁温升均匀，箱体变形小。 加工中心：单立柱结构双立柱结构 双立柱结构的机床主轴相对于工作台的热变形比单立柱结构小很多。 2、合理选择机床零部件的装配基准 见下页图：主轴轴心线的影响,减少和控制工艺系统热变形的主要途径,93,（二）、均衡温度场 1)将油池搬出主机作为一单独的油箱； 床身下部配置热补偿油沟，使一部分带有余热的回油经热补偿油沟送回油池减少温差导轨中凸量减少。 2)采用热空气加热温升较低的

28、立柱后壁均衡立柱前后壁的温升减小立柱的向后倾斜。 注意参看 p201,94,减少和控制工艺系统热变形的主要途径,95,96,（二）、隔热和冷却 、分离（减小热源）：电动机，变速箱，液压，冷却系移出。 、隔离（热）：用隔热材料，阻挡热源传热。 、润滑：改善磨擦，减少发热。 、散热，冷却：带走热量。,97,减少和控制工艺系统热变形的主要途径,98,（三）、保持热平衡状态 空转加热， 人为加热 （四）、控制环境温度 恒温。,99,减少和控制工艺系统热变形的主要途径,100,例题分析,101,参考答案,102,例题分析,103,参考答案,104,试分析图中所示床身铸坯形成残余应力的原因，并确定ABC三点残余应力的符号。当刨去A层后，床面会产生怎样的变形？,例题分析,105,答：床身结构复杂，铸件冷却时各处冷却速度不均匀，外表面先冷，内表面后冷，内表面层的体积收缩时受到外表层的牵制，这种相互牵制在外表层就产生压应力，内表面产生拉应力。 切去A层后残余应力将重新分布，以求达到新的应力平衡，因此工件将产生相应的变形，床面形成中凹。,在组合镗床上多轴加工箱体件的孔，其中某孔图纸要求孔径尺寸为 mm，加工时由于切削热的影响，工件内孔温度升高15摄氏度，问此时应如何控制孔的尺寸才能保证不出废品。,106,例题分析,107,参考答案,108,在车床上加工一批光轴的外圆，加工后经度量若整批工件发