第六章机械加工精度

第六章机械加工精度第一节概述第二节加工原理误差对零件加工精度的影响第三节工艺系统的几何误差对加工精度的影响第四节工艺系统的受力变形对加工精度的影响第五节工艺系统受热变形对加工精度的影响第六节加工误差的统计分析法第一节概述一．机械加工精度机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的符合程度。加工质量机械加工精度表面质量尺寸精度形状精度位置精度表面粗糙度表面层的物理、力学性能二．误差的分类：加工误差是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的偏差程度。误差是精度的度量。机床夹具刀具工件环境1.加工原理误差2.工艺系统的几何误差①工件与刀具的相对位置在静止状态已存在的误差。如：刀具、夹具的制造误差与磨损，定位误差等。②工件与刀具的相对位置在运动状态下存在的误差。如：机床主轴回转误差导轨导向误差、传动链误差等。3.工艺系统的受力变形：——力效应误差4.工艺系统的受热变形：——热效应误差5.调整误差6.测量误差二．误差的分类：误差的性质系统误差常值系统误差变值系统误差随机误差222)xx(e21y6σX①随机误差有大有小它们对称分布于尺寸分布中心的左右。②距尺寸分布中心越近的随机误差出现的可能性越大。③随机误差在一定范围内分布。第二节加工原理误差对零件加工精度的影响一．近似刀具加工所造成的误差二．由于采用近似的加工运动方法所造成的误差1.展成法切削齿轮：2.车削模数(m=2)螺纹：模数螺纹：P=mπ=2×3.1415927=6.2831854挂轮齿数：Z1=26、Z2=24、Z3=29、Z4=306,1,14321丝丝工PcbbaamiPZZZZiP2833333.66302924261工P)(0001479.02831854.62833333.6mmP若蜗杆长度为100mm，则导程的累积误差为：)(002.00001479.06100mmP累积第三节工艺系统的制造精度和磨损对加工精度的影响一．机床的误差：1.主轴的回转精度：例：镗孔时镗杆回转，镗杆中心作某一方向的简谐振动。sincos)(RzRAy1)(2222RzARycosAh1.主轴的回转精度：①回转精度的表现形式：a.轴向窜动：指回转轴线在轴向的位置变化。b.径向跳动：指回转轴线绕平均轴线作平行的公转运动。c.角度摆动：指回转轴线绕平均轴线作不平行的公转运动。1.主轴的回转精度：②影响主轴回转精度的因素：a.前后支承轴承的影响：b.前后支承轴颈的圆度误差的影响：③主轴回转精度的测量：2.导轨的几何精度①对机床导轨的精度要求：a.导轨在水平面内的直线度b.导轨在垂直面内的直线度c.导轨与导轨之间垂直方向的平行度一般机床：1000：0.02精密机床：1000：0.01接触精度：每平方英寸不少于20个点。2.机床导轨误差对工件精度的影响：R2hRR0RRR2hRh)RR(Rh'R2222222222则：项：忽略由于刀尖相对于工件回转轴线在加工表面切线方向的变化属非敏感方向，故其对零件的形状精度影响极小。a.垂直面内直线度误差的影响2.机床导轨误差对工件精度的影响：b.水平面内直线度误差的影响由于刀尖相对于工件回转轴线在加工表面径向方向的变化属敏感方向，故其对零件的形状精度影响很大。yR'2.机床导轨误差对工件精度的影响：c.导轨之间垂直方向的平行度误差的影响aBHyHyBasintgHysin,Batg很小，一般：车床：磨床：32~21BH1BH对零件精度的影响不容忽视3.传动链精度以车螺纹为例，说明传动链精度对工件加工精度的影响：4321zzzziPiP丝工如图所示：对上式微分：diPdPidP丝丝工iPPiP丝丝工工件导程误差可表示为：由丝杠副传动误差引起的误差由传动链总传动比误差引起的误差3.传动链精度若仅考虑传动比的误差因素：iPP丝工△i的变化量最终反映到工件上是转角误差，故△i可表示为：2si：丝杠总的转角误差，即由各传动件的转角误差累积到丝杠上的误差之和。s设：：为传动链中第j个环节传动件在工件转一转内的转角误差：为第j个传动件到机床丝杠的传动比：第j个传动件的转角误差所引起的丝杠转角误差jjijjjjinjjs12则：丝杠总的转角误差：3.传动链精度4434332432143211zzzzzzzzzzzzzzzz如图所示：242324322243212432124232221)()()(zzzzzzzzszzzzzzzz由此可见：①传动链短，则传动精度高；②传动比i小，则传动精度高；传动链中采用降速比的传动是保证传动精度的重要原则；③传动链中最后一个传动件的精度要高。二、刀具的制造精度和尺寸磨损1.定尺寸刀具和成形刀具的制造精度和尺寸磨损对加工精度的影响：2.一般刀具的尺寸磨损对加工精度的影响：一般刀具如：车刀、立铣刀等，主要靠调整刀具位置来保证加工尺寸，其制造精度不会影响加工尺寸精度。但刀具的磨损将对工件的加工精度产生影响。a.初期磨损阶段：BLLNB1b.正常磨损阶段：011000LLNBB式中：L：切削长度L1：初期磨损的切削行程长度μ0：单位磨损量μB：刀具的初期磨损量二、刀具的制造精度和尺寸磨损3.减少刀具尺寸磨损对加工精度影响的措施：a.进行刀具补偿；b.选用合理的刀具材料；c.选用最佳的切削用量；μ0高速钢刀具：V佳=0.4~0.5m/s硬质合金刀具:V佳=1.7~3.2m/s三、夹具的制造精度与磨损第四节工艺系统的受力变形对加工精度的影响一．基本概念：1.刚度和柔度：一．基本概念：2.工艺系统的刚度式中：Fy：切削力在Y方向的分力；y：系统在切削力Fx、Fy、Fz共同作用下在Y方向上的变形；)/(mmNyFKy二、工艺系统刚度的测定：①加载、卸载曲线不符合虎克定律；②有残余变形；③加载曲线平坦，卸载曲线较陡；④部件刚度远小于单件的刚度；1.机床部件刚度的测定：二、工艺系统刚度的测定：2.影响机床部件刚度的因素：①连接表面的接触变形②薄弱零件本身的变形③接触表面之间的摩擦④连接表面间的间隙影响⑤连接件夹紧力的影响二．工艺系统刚度的测定：工艺系统是由机床、刀具、夹具、工件等组成，系统的受力变形应等于各环节在误差敏感方向的变形之和。即：夹具工件刀具机床系统yyyyy依据刚度的定义：夹具工件刀具机床系统系统KFKFKFKFFyFKyyyyyy夹具工件刀具机床系统K1K1K1K1K13.工艺系统刚度的计算：三．工艺系统受力变形对加工精度的影响：1.切削力对加工精度的影响：以车削为例：①切削力的位置是变化的a.只考虑床头、尾座的变形：LxFFLxLFFywzyctLx)yy(yyctwzctxLxKF)LxL(KF)Lx(KF)LxL(Lx)KFKF(KFyctywzyctyctctwzwzctctx2wzy2ctyx)Lx(KF)LxL(KFy1.切削力对加工精度的影响：b.考虑刀架的变形：jcydjywzyctyjcdjxjcKFKFLxKFLxLKFyyyy22)()(djwzctjcKLxKLxLKK111122c.考虑工件的变形：LxxLEIFyyg22)(3stygydjywzyctystgjcstKFKFKFLxKFLxLKFyyyy22)()(EILxxLKLxKLxLKKdjwzctst3)(11112222工艺系统的变形曲线：1.切削力对加工精度的影响：②切削力的大小是变化的——误差复映原理切削分力Fy可表示为：ccFcFcFYXpFcyKfaCFF车削时XFc=1，在一次走刀中f不变，故：pyaAFstpstystpstyKaAKFyKaAKFy222111,车削前圆度误差：车削后圆度误差：210ppaa021211)(stppstKAaaKAyy②切削力的大小是变化的——误差复映原理令：01则：1stKA第一次走刀：01111,stKA第二次走刀：02112222,stKA第n次走刀：0211,nnnnstnnKA121nz可见：n↑，则：ε↓Kst↑，则：ε↓FCFCRr2.其它作用力对加工精度的影响①传动力引起的变形对工件的影响：如图：sinsinRrFFFcyRFrFMc,0RrFFc传动力在Y方向的分力为：Y由传动力引起的工件夹持端在Y方向的位移为：sinRrKFKFyctcctyct①传动力引起的变形对工件的影响：在x处工件和刀具的相对位移：sin)1()1(RrKFLxyLxyctcctx在x处工件的实际半径：)sin)1(1('RKFLxryrrctcxRKFrctcc)sin)1(1('crLxrr令：则：r’是x和θ的函数，x引起圆柱度误差，θ的变化造成圆度误差。)1(90)1(90)sin1(0'''cococrrrrrrrrrx：：时：rrLx'时：②惯性力引起的变形对工件的影响：不平衡质量为M，工件转速为n。2rMF60n2离心力：角速度：在Y方向上由F引起的变形：cosKrMyst22.其它作用力对加工精度的影响：③夹紧力引起的变形对工件的影响：④重力引起的变形对工件的影响：四．内应力的重新分布对加工精度的影响工件的内应力毛坯热应力切削加工内应力冷校直内应力对于铸、锻、焊毛坯，由于各部分厚度不均，冷却速度不等而产生的内应力。对于铸件：“厚拉薄压”“心部受拉、表层受压”力的作用使工件表层产生压应力，热作用使工件表层产生拉应力。在大多数的情况下热的作用大于力的作用，故工件表层应力通常呈“表层受拉，里层受压”状态。减少内应力的措施：①时效处理；②结构上保证壁厚均匀；③刚度适当；④减少切削力，“小切深，多走刀”；⑤尽量不用冷校直工序；五．减少工艺系统受力变形的措施1.提高机床构件自身刚度；2.提高零部件间的接触刚度；3.设置辅助支承，提高系统刚度；4.加预紧力；5.采用合理的安装、加工方法；6.选用合理的切削用量、合理的刀具角度，减小切削力；第五节工艺系统受热变形对加工精度的影响一．热源：1.切削热：（内部热源）一般传入工件或刀具的切削热用下式估算：）：主切削力（：切削热传递的百分比）切削速度（式中：NFKsmvsJKvFQcccc/:)/(铣、刨时：Q工件30%，钻削时：Q工件50%磨削时：Q屑≈4%，Q砂轮≈12%，Q工件≈84%2.摩擦热（内部热源）3.环境温度（外部热源）二、工艺系统热变形对加工精度的影响1.机床的热变形：如图所示，主轴转速1200rpm，工作8小时后，主轴抬高量达140μm，在垂直面上的倾斜为60μm/300mm。机床的热变形主要体现在：①主轴部件②导轨③床身④立柱⑤工作台等部件上。车、镗类机床其主要热源为主轴箱的发热。造成主轴的位移和倾斜。铣床主要表现在主轴在垂直面上的倾斜。铣削后将影响工件的平面与定位基面之间的平行度或垂直度。外圆磨床主要表现在砂轮架、工件头架的位移和导轨的凸起。龙门刨、龙门铣床的热变形主要表现在导轨的凸起。如：10m长的龙门刨床床身高为0.8m，当床身上导轨面与底面温差为1°时，床身导轨的中凸量可达0.19mm。这个数值可表示为：0.02/100