北京科技大学机械制造工程4-讲稿

第四章机械加工质量及其控制4.1机械加工质量概述4.2机械加工精度的影响因素4.3机床几何误差及其对加工精度的影响4.4工艺系统受力变形与受热变形对加工精度的影响4.5工件内应力对加工精度影响4.6加工误差的统计分析4.7机械加工表面质量学习指南机械加工质量主要包括加工精度和加工表面质量两个方面。在影响机械加工精度的诸多误差因素中，机床的几何误差、工艺系统的受力变形和受热变形占有突出的位置，学习者应了解这些误差因素是如何影响加工误差的。在影响机械加工表面质量的诸多因素中，切削用量、刀具几何角度以及工件、刀具材料等起重要作用，学习者应了解这些因素对加工表面质量的影响规律。应学会分析加工误差产生的物理原因，从而找出控制加工误差的方法。同时还应学会运用统计学方法对加工误差进行统计分析，以从加工误差的统计特征，确定出加工误差的变化规律及可能采取的控制方法。4.1机械加工质量概述学习要点：掌握机械加工质量和加工精度的概念熟知尺寸精度、形状精度和位置精度的获得方法了解表面质量对零件使用性能的影响。4.1机械加工质量概述机械加工质量的内涵相组织变化）变质层（力学性能及金材料性能方面表面粗糙度微观相互位置误差形状误差尺寸误差加工误差宏观几何方面加工质量机械加工后最外层表面与周围环境界面的几何形状误差波度：介于宏观几何形状误差与微观表面粗糙度之间的几何形状误差4.1机械加工质量概述零件加工表面的粗糙度和波度波度：波长，波高H4.1机械加工质量概述机械加工质量的内涵相组织变化）变质层（力学性能及金材料性能方面表面粗糙度微观相互位置误差形状误差尺寸误差加工误差宏观几何方面加工质量机械加工后，零件一定深度表面层的物理力学性质等方面的质量与基体相比发生的变化，称加工变质层4.1机械加工质量概述加工变质层的构成情况（P116）变质层构成厚度成因吸附层污染层、化合物层、物理化学吸附层、异物嵌入层（积屑瘤碎片、磨粒嵌入）8m外界因素结晶组织变化层（压缩层）非晶体层、微细结晶层、位错密度升高层、孪晶层、便面合金化层、纤维化层、相变层、再结晶层几十至几百微米切削力引起塑性变形应力变质层残余应力层4.1机械加工质量概述加工精度及加工误差零件加工后实际几何参数（尺寸、形状和各表面间相互位置）与理想几何参数（形状、位置无误差，尺寸位于零件图纸规定的公差带中心）的符合程度加工精度不符合程度加工误差符合程度高，加工精度高；加工精度高，加工误差小。形状误差应限制在位置公差之内；位置误差应限制在尺寸误差范围之内。如不作特殊说明，零件的形状误差和位置误差不应大于零件尺寸公差的二分之一。如对零件的形状误差或位置误差有特别要求，应在尺寸公差之外另加标注。如图所示夹具底板零件，其顶面于底面之间的距离尺寸为自由公差，但其顶面对底面的平行度误差要求很高，需特别加以标注。4.1机械加工质量概述机械加工精度的获得方法尺寸精度（1）试切法（2）调整法（3）定尺寸刀具法零件加工表面尺寸由刀具确定，孔（钻、扩、铰）；键槽（键槽铣刀）；成形刀具（成型表面）（4）自动控制法数控加工（尺寸测量装置+进给机构+控制装置加工过程中的尺寸测量+刀具补偿调整）BA4.1机械加工质量概述机械加工精度的获得方法形状精度（1）成形运动法：刀具相对于工件有规律的切削成形运动例：轨迹法、展成法、相切法和成形刀具法（2）非成形运动法：通过表面形状检验，人工修整加工4.1机械加工质量概述机械加工精度的获得方法形状精度（1）成形运动法：刀具相对于工件有规律的切削成形运动例：轨迹法、展成法、相切法和成形刀具法（2）非成形运动法：通过表面形状检验，人工修整加工例：样板加工效率低，但当零件形状精度要求很高（高于机床设备所能提供的成形运动精度）时采用4.1机械加工质量概述机械加工精度的获得方法位置精度（1）一次装夹获得法零件表面的位置精度在一次装夹中由刀具相对于工件的成形运动位置关系保证；（2）多次装夹获得法通过道具相对工件的成形运动与工件定位基准面之间的位置关系来保证零件表面的位置精度（3）非成形运动法人工修整，反复检测、加工4.1机械加工质量概述一次装夹获得法车床上一次安装车外圆和端面，则端面相对于外圆表面的垂直度由车床横向溜板运动轨迹与车床主轴回转中心线的垂直度来保证4.1机械加工质量概述机械加工精度的获得方法位置精度（1）一次装夹获得法零件表面的位置精度在一次装夹中由刀具相对于工件的成形运动位置关系保证；（2）多次装夹获得法通过刀具相对工件的成形运动与工件定位基准面之间的位置关系来保证零件表面的位置精度（3）非成形运动法人工修整，反复检测、加工4.1机械加工质量概述多次装夹获得法0.1//互为基准，经三次反复加工，保证两平面平行度0.1AA选择顶尖孔为基准，在调头的两次装夹中统一基准，磨轴上两轴颈，保证两轴颈的同轴度要求。4.2机械加工精度的影响因素学习要点：掌握机械加工工艺系统原始误差的概念，掌握工艺系统原始误差（包括静误差和动误差）对机械加工精度的影响及控制方法，深刻理解和掌握误差敏感方向的概念及其在机械加工精度分析中的应用。4.2机械加工精度的影响因素概念：机械加工工艺系统加工过程中，由机床、夹具、刀具、量具和工件构成的封闭系统称为机械加工工艺系统4.2机械加工精度的影响因素工艺系统原始误差工件内应力刀具磨损受热变形受力变形与加工过程有关测量误差调整误差原理误差量具误差刀具误差夹具误差机床误差与加工过程无关原始误差零件未加工前工艺系统本身所具有的误差例：数控插补加工、相切法和范成法加工工艺系统静误差工艺系统原有精度被破坏而产生的附加误差因素工艺系统动误差4.2机械加工精度的影响因素误差敏感方向切削加工过程中，由于各种原始误差的影响，会使刀具和工件之间正确的几何关系遭到破坏，引起加工误差。不同方向的原始误差，对加工误差的影响程度不同。当原始误差与工序尺寸方向一致时，原始误差对加工精度的影响最大。△xxyRA’’ARoOA’例：车削加工，工件回转轴线O，刀尖正确位置A△y4.2机械加工精度的影响因素误差敏感方向刀尖由A移至A’或A’’导致的工件半径上的误差是一样的，为△R'''AA2RyAAxRRR2o△xxyRA’’ARoOA’例：车削加工，工件回转轴线O，刀尖正确位置A△y22oo22o22o22oyRR2RRRyRRRR)(设：Ro=25mm，△y=0.1mm则：△R=0.0002mm4.2机械加工精度的影响因素误差敏感方向△xxyRA’’ARoOA’例：车削加工，工件回转轴线O，刀尖正确位置A△y'''AA2RyAAxRRR2o当原始误差的方向在加工表面法线方向时，引起的加工误差最大。当原始误差的方向在加工表面切线方向时，引起的加工误差最小，可以忽略不计影响加工精度最大的方向（即通过刀刃的加工表面的法向）称为误差敏感方向。4.3机床几何误差及其对加工精度的影响学习要点：掌握机床主轴回转精度的概念及对加工精度的影响，了解主轴回转误差产生的原因及提高主轴回转精度的措施；掌握机床导轨导向精度的概念及对加工精度的影响，掌握机床成形运动之间的位置关系精度及其对加工精度的影响，了解提高这些精度的措施。4.3机床几何误差及其对加工精度的影响机床几何原始误差基本成形运动自身误差主轴回转误差直线进给运动误差成形运动之间的相对误差纵向进给与主轴轴线不平行纵向、横向进给不垂直nf4.3机床几何误差及其对加工精度的影响机床主轴回转精度n主轴O机床主轴作回转运动时，在任一截面上若只有一点O的速度为零，则该点为主轴的回转中心。由于主轴回转误差，回转中心的位置时刻变动，为瞬时回转中心。主轴回转精度高低，以规定测量截面内，主轴瞬时回转中心相对于其平均位置来衡量4.3机床几何误差及其对加工精度的影响主轴回转误差----三种形式举例……举例……4.3机床几何误差及其对加工精度的影响举例：采用滑动轴承时主轴径向跳动分析OO’OO’（a）轴颈不圆（b）轴承孔不圆车床：切削力方向不变，主轴轴颈的圆度误差将在回转过程中引起轴线位置产生瞬时变化，造成径向跳动；而轴承内孔有圆度误差时，其影响较小镗床：由于切削力作用方向是变化的，因而当滑动轴承内孔有圆度误差时，将使主轴在回转的过程中产生径向跳动，引起镗孔的圆度误差4.3机床几何误差及其对加工精度的影响主轴径向跳动的主要原因----主轴轴承副的制造误差滑动轴承轴颈不圆轴承孔不圆油膜涡动滚动轴承外环与箱体配合质量内环与轴颈配合质量内外环滚道圆度间隙、受力变形滚动体形状不一致4.3机床几何误差及其对加工精度的影响举例：止推轴承端面误差对主轴轴向跳动的影响n△=0n△≠0若只有一个端面滚道存在误差，对端面圆跳动影响很小；只有当两个滚道端面均存在误差时，才会引起较大的跳动量4.3机床几何误差及其对加工精度的影响主轴轴向窜动的主要原因----滚动轴承：止推轴承两个滚道与轴线的垂直度误差滚动体的形状误差和尺寸一致性滑动轴承：主轴轴颈的轴向承载面或主轴轴承的承载端面与主轴回转轴线之间的垂直度误差4.3机床几何误差及其对加工精度的影响主轴回转误差对加工精度的影响考虑误差敏感方向主轴径向跳动回转面加工：圆度误差eg：车床上车外圆、镗孔镗床上镗孔平面加工：平面度误差eg：卧式铣床上铣平面n△n4.3机床几何误差及其对加工精度的影响主轴回转误差对加工精度的影响主轴轴向窜动端面加工（车、镗）平面度误差端面相对于内外圆的垂直度误差螺纹加工：螺距误差△а4.3机床几何误差及其对加工精度的影响主轴回转误差对加工精度的影响主轴角度摆动主轴角度摆动对加工误差的影响与主轴径向跳动对加工误差的影响相似，主要区别在于主轴的角度摆动不仅影响工件加工表面的圆度误差，而且影响工件加工表面的圆柱度误差△圆柱只有圆柱度误差，没有圆度误差△圆柱既有圆柱度误差，又有圆度误差△圆4.3机床几何误差及其对加工精度的影响直线运动精度机床的直线运动精度主要是指导轨的导向精度导轨制造精度导轨在水平面内的直线度导轨在垂直面内的直线度双导轨在垂直方向的平行度导轨与工作台之间的接触精度导致刀尖相对于工件的位置变化从而影响加工精度4.3机床几何误差及其对加工精度的影响导轨在水平面内有直线度误差△x△x△x刀尖相对于工件回转轴线在加工表面的法线方向（加工误差敏感方向）产生位移；位移量等于导轨的直线度误差；刀尖在水平面内的运动轨迹不是一条直线，造成工件的轴向形状误差（圆柱度误差）x2d4.3机床几何误差及其对加工精度的影响导轨在垂直面内有直线度误差△y△y△y刀尖相对于工件回转轴线在加工表面的切线方向（加工误差非敏感方向）产生位移；位移量等于导轨的直线度误差；刀尖在水平面内的运动轨迹也不是一条直线，造成工件的轴向形状误差（圆柱度误差）可以忽略不计dy2d24.3机床几何误差及其对加工精度的影响前后导轨扭曲△nBаH△n△R工作台在运动过程中产生摆动刀尖运动轨迹为一条空间曲线，产生加工误差（圆柱度误差）nBHR例：车床H/B=2/3，△n影响很大4.3机床几何误差及其对加工精度的影响成形运动间相对位置误差的影响车床纵向导轨与主轴在水平面内有平行度误差例：导轨与主轴平行度误差：Hx工件直径差：△D=2L*Hx主轴n导轨f△L工件产生圆柱度误差俯视图上导轨与主轴不平行圆锥形4.3机床几何误差及其对加工精度的影响成形运动间相对位置误差的影响车床纵向导轨与主轴在垂直面内有平行度误差正视图上导轨与主轴不平行n主轴导轨OBAfABO鞍形（轴剖面内为双曲线）例：导轨与主轴平行度误差：