机械制造及自动化系(1)

1机械制造技术基础第5章机械加工质量及其控制FUNDAMENTALSOFMACHINERYMANUFACTURINGTECHNOLOGYMachiningQualityanditsControl25.1概述5.1.1机械加工质量的含义表面（微观）形貌加工变质层零件质量装配质量机械产品质量材料，金相组织(材质)加工精度，波纹度，表面粗糙度(几何)加工精度表面质量尺寸精度形状精度位置精度机械加工质量3加工精度及其发展车、铣磨CNC机床研磨，工具磨光学磨，金刚石车、磨金刚石超精车、磨，电解加工衍射光栅刻线机电子束，离子束，X射线分子束生长，离子注扫描隧道技术埃114nm激光反射镜平面度提高到30nm，表面粗糙度降低到10nm，反射率将提高到99.8%以上。否则，寿命将大大缩短磁头与磁盘间的飞行高度在50nm以下，若进一步降低将使存储容量呈指数倍增长1kg精密陀螺转子的偏心增加0.5nm，将引起100m的射程误差和50m的轨道误差56机械加工精度的各项指标既有区别，又有联系。一般情况下，形状精度要求高于尺寸精度，位置精度要求也高于尺寸精度。精密和超精密加工技术机械加工的技术重点大型工件的加工技术特殊材料的加工技术尺寸公差位置公差形状公差表面粗糙度值75.1.2机械加工精度的获得方法1．尺寸精度的获得方法手工逐步调刀获得所需尺寸加工前先调整好刀具位置再进行一批加工尺寸精度由刀具保证（钻头、拉刀）自动化的试切法试切法调整法定尺寸刀具法自动控制法2．形状精度的获得方法成形运动法非成形运动法仿形法靠模展成法成形表面通过包络形成轨迹法车、刨、磨形状精度超过机床成形运动精度时使用成形刀具法成形运动和刃形83．位置精度的获得方法直接装夹效率高，精度低找正装夹高精度，小批夹具装夹效率高，精度可满足要求一次装夹法多次装夹法非成形运动法与机床几何精度有关位置精度要求极高时采用与检测精度密切相关95.1.3机械加工表面质量及其对机器使用性能的影响表面（微观）形貌表面层物理机械性能（加工变质层）机械加工表面质量表面粗糙度表面波纹度塑性变形引起的冷作硬化切（磨）削热引起的金相组织变化力（热）产生的残余应力1.机械加工表面质量的含义102.机械加工表面质量对机器使用性能的影响（1）影响耐磨性粗糙度值大，实际接触面积小，接触应力大，易磨损，耐磨性差。粗糙度值越小，实际接触面积越大，耐磨性较好。若粗糙度值过小，可能增加制造成本，且可能破坏润滑油膜，造成干摩擦。加工表面硬化到一定程度能使耐磨性有所提高，但硬化过度反会使结晶组织出现过度变形，甚至产生裂纹或剥落，使磨损加剧，使耐磨性降低。11（2）影响疲劳强度交变载荷作用时，表面粗糙度、划痕及微裂纹等均会引起应力集中，从而降低疲劳强度。加工表面粗糙度的纹路方向与受力方向垂直时，疲劳强度明显降低。一般加工硬化可提高疲劳强度，但硬化过度则会适得其反。残余应力为压应力时，可部分抵消交变载荷施加的拉压力，阻碍和延缓裂纹的产生或扩大，从而提高疲劳强度；但为拉应力时，则会大大降低疲劳强度。有些加工方法，如滚压加工，可减小粗糙度值、强化表面层，使表层呈压应力状态，从而防止产生微裂纹，提高疲劳强度。12（3）影响耐蚀性表面粗糙度值大的表面，腐蚀性物质（气体、液体）容易渗透到表面的凹凸不平处，从而产生化学或电化学作用而被腐蚀。表面微裂纹处容易受腐蚀性气体或液体的侵蚀，如零件表面有残余压应力，则可阻碍微裂纹的扩展，从而在一定程度上提高零件的耐蚀性。13（4）影响配合性质影响配合性质最主要因素是表面粗糙度。对于间隙配合，经初期磨损后，间隙会有所增大，严重时会影响密封性能或导向精度；对于过盈配合，使计算所得过盈量与实际过盈量有所不同，成为过渡配合甚至间隙配合，从而可能影响过盈配合的连接强度。此外，加工表面质量对零件接触刚度、运动平稳性和噪音等也有影响。14加工误差与原始误差加工误差——加工后每个零件在尺寸、形状、位置方面与理想零件的差值。（几何参数的偏差）5.2机械加工精度的影响因素及控制措施原始误差——由于机床、刀具、量具、夹具和工件组成的工艺系统造成加工误差的因素。5.2.1机械加工工艺系统原始误差15常值系统性误差误差的性质变值随机性误差误差敏感方向：加工表面法向——原始误差引起的加工误差最大误差敏感方向误差非敏感方向XR022RYR16原始误差机床夹具刀具工件（毛坯）工艺系统静误差加工过程中产生的误差受力变形热变形刀具磨损残余应力变形工件装夹误差调整误差（更换工件、刀具、夹具、量具时调整）测量误差（测量方法和量具误差）原理误差（阿线滚刀滚切渐开线齿轮、数控插补）原有误差17用模数铣刀铣齿轮时的齿形误差185.2.2工艺系统原有误差对加工精度的影响与控制一、影响尺寸精度的主要因素与控制改善测量方法；提高测量精度KGL)(0式中，L为跃进距离；G为工作台重量；μ0，μ分别为静、动摩擦系数；K为机构传动刚度。改进工艺方法（精车、精磨、研磨）减小刀具或磨粒的刃口钝圆半径re试切测量精度：微量进给精度：微薄切削层的极限厚度：定位调整精度:减少定位误差；提高进给重复定位精度提高对尺寸分布中心判断的准确性ℯ19二、影响形状精度的主要因素与控制非成形运动法足够的检测精度保证形状精度的条件成形运动法基本成形运动（回转、直线）相互位置关系（几何关系）速度关系（运动关系）均准确20机械制造新技术：数控（NumericalControl—NC）技术加工中心（MC）工业机器人（IndustrialRobot）技术自适应控制机床（AdaptiveControlMachineTools）计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing－CAM）计算机数控机床（ComputerizedNumericalControl－CNC）21机械制造新技术：可变制造系统柔性制造单元数字化制造无人化机械制造厂现阶段：互联网技术的迅猛发展（e-制造、网络控制、分子开关）工业生产追求更大的投入产出经济效益智能制造（IMT）、并行工程（CE）、精节生产（LP）敏捷制造（AM）、绿色制造、柔性制造（FMS）、虚拟制造、超精加工（KDP晶体）、纳米技术、分子自组装技术（化学、生物）生物加工的纯铜微齿轮22三、影响位置精度的主要因素与控制刀具切削成形面刀具切削成形面相互重（接）合的表面之间有精度关系的表面之间工件加工面工件加工面位置精度要求机床几何精度一次装夹：如在龙门铣床、加工中心上加工箱体零件采用成形运动法时，位置精度的获得与装夹方式有关23直接装夹：如用外圆定位在车床上加工齿轮内孔后，再在插床上加工键槽工件基准面机床安装面工件加工面刀具切削成形面位置精度要求刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度机床几何精度24找正装夹：如在车床上加工与外圆同轴度要求很高的内孔工件基准面机床安装面刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度可调支承找正精度刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度找正精度25夹具装夹：非成形运动法：检测精度工件基准面机床安装面刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度夹具安装面对刀导引精度（找正精度）夹具定位面夹具安装精度夹具制造精度装夹精度刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度对刀导引精度（找正精度）26机床的制造误差、安装误差以及在使用过程中精度保持性被破坏等原因，都将会产生机床几何误差，进而引起机械加工误差。四、机床几何误差的影响与控制机床几何精度回转运动精度直线运动精度成形运动之间的位置精度传动（速度关系）精度27（1）机床回转运动精度主要取决于机床主轴的回转精度主轴回转误差的形式机床主轴回转精度的高低主要以在规定测量截面内主轴一转或数转内诸瞬时回转中心的平均位置的变化范围来衡量。瞬时回转中心1）主轴回转误差的主要形式28以滑动轴承为例车床：主轴受力方向不变，故轴径形状精度影响最大;轴孔、前后轴径以及轴承孔的同轴度、配合精度、装配精度等也有影响。镗床：主轴受力方向不断改变，故主要取决于主轴轴承孔的形状精度。主轴径向跳动将会造成什么加工误差？2）影响主轴回转精度的主要因素①径向跳动29②轴向窜动滑动轴承主轴的轴向窜动量取决于止推（承载）轴承副中端面与主轴轴线垂直度较高者影响滚动轴承主轴轴向窜动的主要因素有：滚道与轴线的垂直度滚动体形状误差（轴向间隙变化）尺寸一致性（承载不均而降低刚度）主轴轴向窜动将会造成什么加工误差？30③角度摆动主要取决于主轴前后支承跳动（跳动量、相位等）的综合影响3）提高回转运动精度的措施不仅影响圆度，而且影响圆柱度镗模；固定顶尖定位，修磨顶尖孔；采用无心磨加工用精密滚动轴承并加预载，消除间隙、提高刚度改进滑动轴承结构（短三瓦自位轴承）使用液、气静压轴承，刚度高、精度高、工艺性好隔离主轴回转误差的影响：提高主轴回转精度：31（2）机床直线运动精度主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：1）导轨误差形式及其影响ΔyΔy导轨在铅垂面内的直线度ΔyRyD2可忽略不计32（2）机床直线运动精度主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：1）导轨误差形式及其影响ΔxΔx导轨在水平面内的直线度ΔxxD2误差敏感方向33（2）机床直线运动精度主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：1）导轨误差形式及其影响Δx双导轨间在铅垂方向的平行度ΔnnBHxR34（2）机床直线运动精度主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：1）导轨误差形式及其影响导轨在水平面内的直线度Δx导轨在铅垂面内的直线度Δy双导轨间在铅垂方向的平行度ΔnxD2误差敏感方向RyD2可忽略不计nBHxR在平面磨床上加工时情况又如何？352）提高导轨直线运动精度的措施合理的导轨形状和组合形式改善制造精度、接触精度和精度保持性采用静压导轨90o双三角导轨适当加长工作台配磨、刮研耐磨损均化作用防磨损36（3）成形运动之间的相互关系精度①成形运动间位置关系的影响与控制022rHrdy圆柱面成为双曲面tan2dz平面成为内凹或外凸xd2圆柱面成为圆锥面车削时：刀具直线运动与工件回转轴线不垂直刀具与工件回转轴线在空间交错不平行0r刀具与工件回转轴线在zx面内不平行37镗削时：若工件直线进给运动与镗杆回转轴线不平行铣削时：若端铣刀回转轴线与工作台直线进给运动不垂直移位加工可使误差从Δ减小至Δ΄移位方向cd42圆孔成为椭圆孔sin1122ccdBd平面下凹38提高成形运动间相互位置关系精度的措施使用几何精度高的机床（决定因素）保证高精度的零部件制造、总装调试和维修误差检测与补偿39②成形运动间速度关系的影响与控制车、磨螺纹以及滚齿、插齿、磨齿等加工，要求各成形运动之间具有准确的速度关系滚齿机速度关系误差对加工精度的影响各传动件传动误差对工件精度影响的总和为：njjjnjjnK11Δ40影响速度关系精度的因素机床传动链中各传动元件的制造误差、装配误差以及磨损等，都会破坏正确的运动关系，造成工件和刀具运动相对速度的不准确，从而产生加工误差。在降速链中的低速传动件误差的影响最大。提高成形运动间速度关系精度的措施尽量减少传动件数目，缩短传动链长度采用降速传动保证高精度的传动零部件制造、总装调试和维修传动误差检测与补偿41题1：套筒零件如图所示。本工序为最后工序，欲在这批工件上铣键槽，定位方案见图示。定位元件为水平放置的带台肩心轴，心轴直径试求：1．所给定位方案的定位误差，并判断能否满足加工要求；2．若所给定位方案不能满足要求，试通过分析计算给