第六章机械加工质量

第六章机械加工质量机械产品的加工质量对产品的工作性能和使用寿命影响很大,零件的加工质量一般用加工精度和加工表面质量两个指标表示。第一节机械加工精度1．加工精度与加工误差加工精度是指零件经机械加工后，其几何参数（尺寸、形状、表面相互位置）的实际值与理想值的符合程度。符合程度愈高，加工精度也愈高。加工误差:机械加工实际值与理想值之差，称为加工误差。加工误差愈小，加工精度愈高。加工误差δ加工精度2．获得加工精度的方法（1）获得尺寸精度的方法试切法调整法定尺寸刀具法自动控制法（2）获得形状精度的方法轨迹法成形刀具法展成法（3）获得相互位置精度的方法直接找正法划线找正法夹具定位法。3．影响加工精度的因素原始误差:工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。原始误差包括：加工原理误差:工艺系统的几何（静）误差:与工艺系统初始状态有关工艺系统加工过程（动）误差:与工艺系统加工过程有关4.误差的敏感方向误差的敏感方向:对加工精度影响最大的方向称为误差的敏感方向（图中通过刀刃加工表面A点的法向为敏感方向）。02002202coscos2RRRROAAOR＝0°=90°ΔＲ＝δ＝ＭａｘΔＲ＝Ｏ＝Ｍｉｎ第二节影响加工精度的因素一、原理误差加工原理误差是指由于采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工而产生的误差，也称为理论误差。（在实践中，有时完全精确的加工原理常常很难实现，或者加工效率低，或者使机床或刀具的结构极为复杂，难以制造。有时由于连接环节多，使机床传动链中的误差增加，或使机床刚度和制造精度很难保证）二、工艺系统的几何误差工艺系统的几何误差包括机床、夹具、刀具的误差，是由制造误差、安装误差以及使用中的磨损引起的。（一）机床的几何误差1．机床主轴的回转误差主轴的回转运动误差表现为端面跳动、径向跳动、角度摆动3种基本形式，如图6-2所示。图6-2主轴回转误差的基本形式（1）主轴回转误差机床主轴的回转误差将直接影响被加工工件的形状精度和位置精度。图5.4主轴回转误差端面跳动——实际主轴回转轴线沿平均回转轴线的方向作轴向运动，如图6-2a所示。它对内、外圆柱面车削或镗孔影响不大。主要在车端面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差和轴向尺寸精度误差，车螺纹时，使导程产生误差。径向跳动——实际回转轴线相对于平均回转轴线在径向的方向的变动量，如图6-2b所示。车削外圆时它影响被加工工件圆柱面的圆度和圆柱度误差。角度摆动——实际回转轴线相对于平均回转轴线成倾斜一个角度作摆动，如图6-2c所示。它影响被加工工件圆柱度与端面的形状误差。(3)主轴回转运动误差的影响因素A、对于工件回转类机床，因切削力的方向不变，此时主轴的轴颈的圆度误差影响大，而轴承孔圆度误差影响不大；B、对于刀具回转类机床，因切削力的方向随旋转方向而改变，此时主轴的轴颈的圆度误差影响不大，而轴承孔的圆度误差影响较大；2．机床导轨误差机床导轨副是机床中确定各主要运动部件位置关系的基准，是实现直线运动的主要部件，其制造和装配精度是影响直线运动的主要因素，直接影响工件的加工精度。机床导轨误差主要有：导轨在水平面内的直线度误差；导轨在垂直面内的直线度误差；导轨在水平和垂直面内的综合误差（扭曲）导轨对主轴回转轴线的位置误差1）导轨在水平面内的直线度误差如图6-4所示，磨床导轨在X方向存在误差△，磨削外圆时工件沿砂轮法线方向产生位移，引起工件在半径方向上的误差。当磨削长外圆柱表面时，造成工件的圆柱度误差。2）导轨在垂直面内的直线度误差如图6-5所示，由于磨床导轨在垂直面内存在误差，磨削外圆时，工件沿砂轮切线方向（误差非敏感方向）产生位移，此时工件半径方向上产生误差∆R≈∆2／2R，其值甚小。但导轨在垂直方向上的误差对平面磨床、龙门刨床、铣床等将引起法向方向（误差敏感方向）的位移，将直接反映到被加工工件的表面，造成工件的形状误差。图6-5磨床导轨在垂直面内的直线度误差3）导轨在水平和垂直面内的综合误差（扭曲）如图6-6所示：若车床前后导轨平行度误差使大，溜板产生横向倾斜扭曲，刀具产生位移，因而引起工件形状误差。图6-64）导轨对主轴回转轴线的位置误差若导轨与机床主轴回转轴线不平行或不垂直，则会引起工件的几何形状误差，如车床导轨与主轴回转轴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，会使工件的外圆柱表面产生马鞍形误差。3．机床传动链误差1）传动链误差的概念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。传动链中的各传动元件，如齿轮、蜗轮、蜗杆等有制造误差（主要是影响运动精度的误差）、装配误差（主要是装配偏心）和磨损时，就会破坏正确的运动关系，使工件产生误差，这些误差的累积，就是传动链的传动误差。2)传动元件的转角误差传动链中传动元件传动误差一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。传动链中某个传动元件的转角误差引起末端传动元件转角误差的大小，取决于该传动元件到末端元件之间的总传动比，即:jjjni传动链元件的总转角误差：传动链的总转角误差不等於各传动件误差所引起末端传动元件转角误差的叠加。考虑到各传动件转角误差的随机性，则传动链末端元件的总转角误差可用概率法进行估计：njjji1224）减少传动链传动误差的措施减少传动环节，缩短传动链。提高传动元件，特别是提高末端传动元件（如车床丝杆螺母副、滚齿机分度蜗杆副）的制造精度和装配精度。在传动链中按降速比递增的原则分配各传动副的传动比。采用误差校正机构。（二）夹具误差夹具误差主要是指夹具的定位误差与夹紧误差(在第五章中已有详述),它将直接影响工件加工表面的位置精度或尺寸精度，对被加工工件的位置误差影响最大。夹具的磨损是逐渐而缓慢的过程；它对加工误差的影响不很明显，对它们进行定期的检测和维修，便可提高其几何精度。（三）刀具误差刀具误差是由刀具制造误差和刀具磨损所引起的。一般刀具（普通车刀、单刃镗刀和平面铣刀等）的制造误差，对加工精度没有直接影响。定尺寸刀具（如钻头、铰刀、拉刀等）的尺寸误差直接影响加工工件的尺寸精度。成形刀具和展成刀具（如成形车刀、成形铣刀及齿轮刀具等）的制造误差，直接影响被加工表面的形状精度。刀具的磨损，除了对切削性能、加工表面质量有不良影响外，也直接影响加工精度。（四）测量误差工件在加工过程中要用各种量具、量仪等进行检验测量，再根据测量结果对工件进行试切或调整机床。量具本身的制造误差、测量时的接触力、温度、目测正确程度等，都直接影响加工误差。因此，要正确地选择和使用量具，以保证测量精度。正确选择量具:1;0.1;0.01;0.001(五)调整误差批量生产时，机械加工的每一工序中总是要对工艺系统进行这样或那样的调整工作。由于调整不可能绝对地准确，就带来了一项原始误差即调整误差。工艺系统的调整有如下两种基本方式,不同的调整方式有不同的误差来源:1试切法调整单件小批生产中，通常采用试切法调整，这时，引起调整误差的因素除测量误差外主要有：1）进给机构的位移误差在试切中，总是要微量调整刀具的位置。在低速微量进给中，常会出现进给机构的“爬行”现象，其结果使刀具的实际位移与刻度盘上的数值不一致，造成加工误差。2）最小切削层厚度极限的影响精加工时，试切的最后一刀余量往往很小，若切削余量小于最小切削厚度极限，切削刃只起挤压作用而不起切削作用，正式切削时的深度较大，切削刀不打滑，就会多切工件。因此，工件尺寸就与试切时不同，形成工件的尺寸误差。2调整法调整用调整法加工时，影响调整精度的因素有：定程机构的误差样件或样板的误差抽样件数的影响三、加工过程误差（一）工艺系统受力变形引起的误差1.工艺系统的刚度工艺系统刚度定义：加工表面法向作用力与工艺系统的法向变形的比值:工艺系统刚度计算：pxtFK（6-1）gjjjdcjtxkkkkk11111（6-3）2.工艺系统刚度对加工精度的影响1）受力点位置变化引起的加工误差切削过程中，工艺系统的刚度会随切削力作用点位置的变化而变化，引起工件的加工误差。(下面以在车床顶尖间加工光轴为例来说明这个问题)(1)假定工件短而粗，同时车刀悬伸长度很短，即工件和刀具的刚度好，其受力变形相对机床的变形要小得多，可忽略不计,如图6-7a所示。又假定工件的加工余量很均匀．并且由于机床变形而造成的背吃刀量（切削深度）变化对切削力的影响也很小，即假定在加工过程中切削力保持不变。图6-7工艺系统变形随切削力作用点变化而变化考虑到工件轴线的变形量与刀架的变形量方向相反，所以机床总的变形为z值的变化引起系统变形的变化，进而引起切削深度的变化，结果使工件产生形状误差。Z=0:δjc=Z=L/2:δjc=Z=L:δjc=jdzcjjdzwjtpjckLzkLzLkF11122（6-6）(6-4)例6-2设车床头架的刚度为6×104N/mm，尾座的刚度为5×104N/mm，刀架的刚度为4×104N/mm，径向切削分力为300N，工件长为600mm，则沿工件长度上系统的位移量如表6-1所示：由于变形大的地方，从工件上切去的金属层薄。变形小的地方，切去的金属层厚，因此因机床受力变形而使加工出来的工件产生两端粗、中间细的马鞍形圆柱度误差。误差值为:2*(0.0135-0.0103)=0.0064mm。表6-1沿工件长度的变形z0（头架处）L/6L/3L/2（工件中点）2L/35L/6L（尾座处）δxt(mm)0.01250.01110.01040.01030.01070.01180.0135工件加工后成鞍形图机床受力变形引起的加工误差◆工件的变形式中yg——工件变形；E——工件材料弹性模量；I——工件截面惯性矩；Fp，L，x——含义同前。EILxxLFyP3)(22g(2)假定工件细长若在两顶尖间车削细长轴，由于工件细长，刚度小，在切削力作用下，其变形大大超过机床、夹具和刀具所产生的变形。因此机床、夹具和刀具的受力变形可略去不计，工艺系统刚度主要取决于工件的变形。如图6-7b,由材料力学中简支梁公式计算工件在切削点的变形量:显然，当z=0或z=L时,变形为0；当z=L/2时，工件刚度最小、变形最大.LzzLEIFpg22)(3例6-3设工件尺寸为φ30×600mm，钢的弹性模量E=2×105N／mm2，径向切削分力为300N，则沿工件长度上的变形量如表6-2所示：故工件产生的腰鼓形圆柱度误差值为2×（0.17-0）=0.34mm表6-2沿工件长度的变形z0（头架处）L/6L/3L/2（工件中点）2L/35L/6L（尾座处）δg(mm)00.0520.1320.170.1320.0520（3）工艺系统的总变形当同时考虑机床和工件的变形时，工艺系统的总变形为二者的叠加。对于本例，车刀的变形可以忽略，故工艺系统的总变形为：=+不同类型的机床，由于切削力作用点的变化而引起刚度的变化形式各不相同，其造成的加工误差也有差别。例如立式车床、龙门刨床、龙门铣床等的横梁及刀架、铣床滑枕内的主轴等，其刚度均随刀架位置或滑枕伸出长度不同而异，对它们的分析一般也可参照上例方法进行。gjcjdzwjtpkLzkLzLkF11122LzzLEIFp22)(32）工件（毛坯）误差引起的加工误差在切削加工中，工件（毛坯）误差（毛坯余量和材料硬度的不均匀）会引起切削力大小的变化。工艺系统由于受力大小的不同，变形的大小也相应发生变化（图6-8所示）:图6-8图6-8刀具调整到一定的背吃刀量（图中虚线圆的位置），由于毛坯的形状误差，在工件每转一转中，背吃刀量在最大值与最小值中变化。假设毛坯材料的硬度是均匀的，那么1,3处的切削力最大，相应的变形也最大；2,4处的切削力最小，相应的变形也最小。车