过程装备制造与检测——第十篇机械加工精度

第Ⅲ篇过程机械制造的质量要求10机械加工精度10机械加工精度10.1概述10.2工艺系统的几何误差10.3工艺系统的受力变形10.4工艺系统的热变形10.5工件残余应力引起的变形10.1概述——机械加工精度尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数（尺寸、形状和表面间的相互位置）符合程度。加工误差：零件的实际几何参数与理想几何参数的偏差两者关系：两者从不同角度来评定加工零件的几何参数。加工精度的高低是由加工误差的小大来表示的，保证和提高加工精度问题，实际上是限制和降低加工误差问题。加工精度1)尺寸精度限制加工表面与其基准间尺寸误差不超过一定的范围；2)几何形状精度限制加工表面宏观几何形状误差，如圆度、圆柱度、平面度、直线度等；3)相互位置精度限制加工表面与其基准面的相互位置误差，如平行度、垂直度、同轴度、位置度等。几何形状精度和尺寸精度有关系吗？尺寸精度、形状精度和位置精度三者之间关系：通常形状公差限制在位置公差内，而位置误差一般限制在尺寸公差之内。当尺寸精度要求高时，相应的位置精度、形状精度也要求高。但形状精度或位置精度要求高时，相应的尺寸精度不一定要求高，这要根据零件的功能要求来决定。工艺系统:在机械加工时，机床、刀具，夹具和工件构成一个完整的系统，为工艺系统。零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统中进行的。工艺系统中凡是直接引起加工误差的因素都称为原始误差。*原始误差的分类归纳如下：•获得尺寸精度方法：试切法调整法定尺寸刀具法自动控制法•获得形状精度方法：轨迹法成形法展成法•表面相互位置精度的获得：由工件的定位安装精度决定附：获得零件加工几何参数的方法获得尺寸精度的基本方法试切法——以试切—测量—调整—再试切的循环方法，得到刀具与工件的正确位置，以获得加工表面的尺寸精度。调整法——预先调整好刀具与工件的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这个相对位置的不变，取得尺寸精度的加工方法。定尺寸刀具法——依靠刀具的尺寸以保证加工面的尺寸。自动控制法——将测量、调整和切削机构组成自动控制系统，以自动控制被加工面的尺寸要求。获得表面形状的基本方法轨迹法——依靠刀尖运动轨迹取得所要求的表面几何形状。简单几何形状表面的加工，如圆柱面、圆锥面、平面等。成形法——由成形刀具刀刃形状取得所要求的表面形状。成形车刀（砂轮）加工回转曲面、成形铣刀加工曲面、车磨螺纹时其牙形由刀具形状所决定。展成法——依靠刀具与工件的相对啮合运动，被加工表面由刀刃在啮合运动中的包络面所形成。齿轮的滚、插、磨及剃齿加工；加工螺纹的螺旋面成形。10.2工艺系统的误差工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具静止状态下的误差原始误差——原始误差分类10.2.1原理误差一、加工原理误差——采用原理上近似的成形运动或近似的刀具轮廓进行加工所引起的误差。⑴加工原理误差多出现于螺纹、齿轮、复杂曲面加工中⑵应用近似加工，在理论误差可以满足加工精度要求的前提下(≤10%--15%尺寸公差)，是提高生产率和经济性的有效工艺方法。一般加工原理误差应≤10%--15%工件公差10.2.2调整误差调整误差——由于调整不准确而产生的误差工艺系统的调整有两种基本形式：(1)试切法调整——试切、测量、调整，直至符合规定的尺寸要求影响调整误差的因素：1）测量误差2）机床进给机构位移误差3）试切厚度与正式切削厚度不同而产生的误差试切法调整加工特点：生产效率低，只适于单件小批生产⑵调整法——加工前调整好刀具与工件之间的相对位置影响调整误差的因素：1）影响试切法的所有因素2）定程机构误差3）样件或样板误差4）测量有限试件造成的误差调整法加工特点：生产效率高,广泛采用行程挡块、行程开关、夹具10.2.3机床的几何误差机床的几何误差来自三方面：机床本身的制造、磨损、安装、调整。•1）主轴回转误差•2）导轨误差•3）机床的传动误差“误差的敏感方向”“误差的敏感方向”“误差的敏感方向”主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。用平均回转轴线（主轴各瞬时回转轴线的平均位置）代替。为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式。主轴回转误差b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动主轴回转误差基本形式主轴回转误差概念10.2.3机床的几何误差——主轴误差主轴回转误差对加工精度的影响主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）≦5微米考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：e径向跳动对镗孔精度影响式中R——刀尖回转半径；φ——主轴转角。()cossinXReYR显然，上式为一椭圆。径向跳动对车外圆精度影响13仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆（图）。思考：主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率为主轴转速两倍，被车外圆形状如何？结论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差e主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）主轴端面圆跳动对加工精度的影响(2~3微米）对圆柱面加工没有影响；被加工端面不平，与圆柱面不垂直（如主轴回转一周，端面跳动一次，加工出的端面近似螺旋面）；加工螺纹时，产生螺距周期性误差。2πφπSΔx主轴端面跳动引起螺距加工周期误差主轴倾角摆动对加工精度的影响（1）几何轴线相对与平均轴线在空间成一定锥角的圆锥运动若沿与平均轴线垂直的各个截面来看，相当于几何轴线绕平均轴心做偏心运动，只是各截面的偏心量不同。因此，无论车削还是镗削都能获得一个正圆柱。（2）几何轴线在某一平面内作角度摆动若频率和主轴回转频率一致，沿与平均回转轴线垂直的各个截面看，车削表面是一个圆，整体为一圆柱，镗孔时，在垂直于主轴平均轴线的各个截面内都形成椭圆，整体加工出椭圆柱。AB影响主轴回转精度的主要因素内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差轴径不圆引起车床主轴径向跳动滑动轴承（注意切削力的方向）镗床——轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动滚动轴承车床——轴径不圆引起车床主轴向跳动（注意其频率特性）静压轴承——对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用推力轴承滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差轴承间隙的影响a）b）Δ≈0Δ止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响影响主轴回转精度的主要因素轴承间隙过大，使主轴工作时油膜厚度增大．油膜承载能力降低，当工作条件(载荷、转速等)变化时，油楔厚度变化较大，主轴轴线漂移量增大。提高主轴部件制造精度对滚动轴承进行预紧使主轴回转精度不反映到工件上提高主轴回转精度的措施磨床采用死顶尖支承用镗模镗孔10.2.3机床的几何误差——导轨误差机床导轨误差•水平面内的直线度误差（弯曲）•垂直面内的直线度误差（弯曲）•前后导轨之间的平行度误差（扭曲）•水平面内的直线度误差（弯曲）•车削、磨削时，为误差敏感方向；引起圆柱度误差•垂直平面内的直线度误差（弯曲）•车削、磨削时，为误差非敏感方向；对加工精度影响很小•垂直平面内的直线度误差（弯曲）•车削、磨削时，为误差非敏感方向；•刨削、平面磨削时，为误差敏感方向。造成平面度或直线度误差•前后导轨之间的平行度误差（扭曲）•两导轨不平行对加工精度的影响较大，引起工件的形状误差（鞍形、鼓形、锥形等）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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：Hy工件直径差：△D=Hy2/Ro成形运动间相对位置误差的影响•车床横向导轨与主轴轴线有垂直度误差nf工件端面产生内凹或外凸的平面度误差α例：横向导轨与主轴夹角：α平面度误差：△=(d/2)*tan(α)△传动键误差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。•是螺纹、齿轮、蜗轮以及其它按展成原理加工时，影响加工精度的主要因素。•传动元件如齿轮、蜗轮、蜗杆、丝杠、螺母等有制造误差（主要是影响运动精度的误差）•传动元件的装配误差（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。10.2.3机床的几何误差——传动键误差缩短传动链长度提高末端元件的制造精度与安装精度采用降速传动采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节对传动误差进行补偿提高传动精度措施丝扛加工误差补偿装置1—工件2—螺母3—母丝杠4—杠杆5—校正尺6—触头7—校正曲线附加位移螺母附加转动L±0.05φ6F7φ10F7k6H7g6YZ钻孔夹具误差分析夹具误差影响加工位置精度。与夹具有关的影响位置误差因素包括通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。1）定位误差；2）刀具导向（对刀）误差；3）夹紧误差；4）夹具制造误差；5）夹具安装误差；……10.2.4机床的几何误差——夹具误差定尺寸刀具（钻头、绞刀、键槽铣刀、浮动镗刀块、拉刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差车刀后刀面磨损对加工尺寸影响刀具磨损过程10.2.5机床的几何误差——刀具误差10.3工艺系统的受力变形在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比工艺系统刚度定义式中k——工艺系统刚度；Fp——吃刀抗力；Δy——工艺系统位移（切削合力作用下的位移）。yFkp工艺系统受力变形工艺系统受力变形引起加工误差11111jcjjdgkkkkk式中k——工艺系统刚度；kjc——机床刚度；kjj——夹具刚度；kd——刀具刚度；kg——工件刚度。工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加。由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：工艺系统刚度计算公式工艺系统刚度计算说明工件、刀具形状简单时，其刚度可用材料力学公式计算对机床部件、夹具等，其刚度多采用实验方法确定计算时可适当简化（忽略变形小的部分）机床变形引起的加工误差式中yjc——机床总变形；Fp——吃刀抗力；ktj——机床前顶尖处刚度；kwz——机床后顶尖处刚度；kdj——机床刀架刚度；L——工件全长；x——刀尖至工件左端距离。变形随受力点变化规律xtjxwzΔxFpAA′BB′CC′zLFAFBxz切削力作用点位置变化引起工件形状误差djwztjPjckLxkLxLkFy11122机床误差使工件加工后成鞍形（很好）机床受力变形引起的加工误差dkkg和式中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由于工件变形，使工件加工后成鼓形(工件刚性差)工件受力变形引起的加工误差LxxLEIFyPg22)(3工件变形引起的加工误差机床变形和工件变形共同引起的加工误差工艺系统刚度EILxxLkLxkLxLkFyyydjwztjPgjc3)(1)(1)(12222EIL