第4章机械加工精度与表面质量20160911

第4章机械加工精度与表面质量机械加工质量分析与控制•本章主要介绍各种原始误差对加工精度的影响和解决方法，阐述机械加工表面质量的基本概念，分析影响表面质量的各种因素及其对机械零件以及整台机器的使用性能和使用寿命的影响。简单介绍机械加工中的振动和热效应问题。第4章机械加工精度与表面质量•教学目标：•目的是使学生理解加工精度的基本概念，了解影响加工精度的主要因素，能运用统计分析法进行零件加工质量和废品率分析，提出提高加工精度的措施。理解和掌握表面质量的一些基本概念，学会分析表面质量的方法，能采取改善表面质量的工艺措施，解决生产实际问题。第4章机械加工精度与表面质量•教学重点和难点：•工艺系统的各种原始误差及其对加工精度的影响；•工艺系统受力变形产生的误差；•机械加工振动、热变形和残余应力产生机理及其导致的误差•保证和提高加工精度及表面质量的途径第4章机械加工精度与表面质量•案例导入：•分析如图4.1所示零件，图中有哪些尺寸、形状位置精度以及表面质量要求，加工过程中机床、夹具、刀具和工件怎样影响它们，我们需要采取什么方法和措施才能较好的保证这些加工精度？第4章机械加工精度与表面质量•图4.1阶梯轴简图第4章机械加工精度与表面质量•4.1概述•4.2工艺系统的几何精度对加工精度的影响•4.3工艺系统的受力变形对加工精度的影响•4.4机械加工表面质量•4.5机械加工过程中的振动•4.6机械加工过程中的热变形•4.7加工质量的统计分析方法与应用•4.8实训•4.9习题4.1概述•4.1.1机械加工精度•4.1.2影响机械加工精度的因素•4.1.3误差的敏感方向•4.1.4研究加工精度的方法4.1概述•现代制造技术在日新月异地发展，新技术新工艺也在不断涌现，但现代制造工艺的一些基本理论却是基本不变的，它们也是我们进一步学习和研究现代制造工艺技术的基础。–机械加工精度–表面质量理论–振动–热效应理论。机械加工质量的含义机械加工质量4.1.1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(尺寸、形状和表面间的相互位置)与理想几何参数的符合程度。–符合程度越高，加工精度就越高。–在机械加工过程中，由于各种因素的影响，使得加工出的零件，不可能与理想的要求完全符合。机械加工质量4.1.1机械加工精度•零件的加工精度包含三方面的内容：尺寸精度、形状精度和位置精度。这三者之间是有联系的。•通常形状公差应限制在位置公差之内，而位置误差一般也应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。•但形状精度要求高时，相应的位置精度和尺寸精度有时不一定要求高。机械加工误差的关系尺寸精度获得方法形状精度的获得方法位置精度的获得方法机械表面加工质量表面完整性-磨削后表面轮廓的扫描电镜(SEM_ScanningElectronMicroscope)照片表面粗糙度—波长/波高＜50波度—波长/波高=50～1000；且具有周期特性宏观几何形状误差（平面度、圆度等）—波长/波高＞1000纹理方向－表面刀纹形式表面缺陷－如划痕、砂眼、气孔、裂纹等是加工表面个别位置出现的缺陷a）波度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ加工纹理方向及其符号标注机械加工表面机械加工表面层的物理机机械性能机械加工表面质量对零件使用性能的影响表面质量对使用性能的影响表面质量对使用性能的影响表面质量对使用性能的影响表面质量对使用性能的影响表面质量对使用性能的影响表面质量对使用性能的影响表面质量对使用性能的影响表面质量对使用性能的影响机床夹具刀具工件工艺系统机械加工精度1原始误差与加工误差工艺系统：机床、夹具、刀具和工件等组成的系统。原始误差：工艺系统的误差，是直接引起加工误差的原因。加工误差：工艺系统误差导致的结果原始误差加工前误差加工中误差加工后误差调整误差机床误差刀具制造误差夹具误差工件装夹误差工艺系统受力变形刀具磨损残余应力引起变形测量误差工艺系统热变形工艺系统静误差工艺系统动误差原理误差41研究加工精度的方法运用物理学和力学原理，分析研究某一个或某几个因素对加工精度的影响。通过分析、计算、测试、实验，得出单因素与加工误差间的关系。以生产一批工件的实例结果为基础，运用数理统计方法进行数据处理。用以控制工艺过程的正常进行，当发生质量问题时可以从中判断误差性质，找出误差出现的规律。1、单因素分析法2、统计分析法实际生产中，两种方法常常结合应用。先用统计分析法寻找误差的出现规律，初步判断加工误差的可能原因，再适用单因素法进行分析，试验，以便迅速有效地找出影响加工精度的主要原因。2影响加工精度的因素（１）原理误差由于采用了近似的加工运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。如用阿基米德蜗杆近似地代替渐开线蜗杆的原理误差；用齿轮模数铣刀对齿轮表面成形铣削；另外车床车削模数螺纹，由于传动链不能直接产生π，只能近似，由此而产生螺距就是原理误差而造成的。工件齿轮滚刀包络线影响加工精度的因素（２）机床误差（一）主轴回转误差（二）导轨误差（三）传动链误差机床的制造精度、安装精度和使用过程中的磨损是机床误差的根源。（一）机床导轨误差机床导轨副是机床中确定各主要部件位置关系的基准，是实现直线运动的主要部件。机床导轨的精度要求主要有以下三个方面：①导轨在水平面内的直线度误差1②导轨在垂直面内的直线度误差2③前后导轨的平行度误差（扭曲度）345.导轨在水平面内的直线度误差1此项误差使刀尖在水平面内产生位移Δy,造成工件在半径方向的误差ΔRy(这时ΔRy=Δy),使工件表面产生圆柱度误差.导轨在垂直面内的直线度误差22020202202)(zZzRRRRRRzR∴ΔRz≈Δz2／(2R0),设Δy=Δz=0.1mm,R0=20mm则：ΔRy=Δy=0.1mm,ΔRz=0.1/400mm,→→ΔRy＝400ΔRz.48误差敏感方向202YYRRXRX显然：XYRR工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。如图所示车刀加工ΔRΔYＯYya）误差敏感方向ΔR=ΔyＯYyb）前后导轨的平行度误差（扭曲度）3由于导轨发生了扭曲,使刀尖相对于工件在水平和垂直两个方向上产生偏移.设车床中心高为H,导轨宽度为B,则导轨扭曲量Δ引起工件半径的变化量ΔRy为:BHRBHRyy::通常,车床H/B≈2/3；外圆磨床H/B≈1,可见此项误差对加工精度影响很大,会导致工件产生圆柱度误差.502、导轨导向精度的影响因素1）导轨的制造误差2）导轨的安装误差：对长度较长的龙门刨床、龙门铣床和导轨磨床。他们的床身导轨为一细长结构、刚性较差，在本身自重作用下就容易变形，若安装不正确或地基不良，都会造成导轨弯曲变形。3)导轨的磨损：由于使用程度不同及受力不均，机床使用一段时间后，导轨全长上各段的磨损量不等。并且在同一横截面上个导轨面的磨损量也不相等。513、提高导轨导向精度的措施制造误差——机床设计制造时，应从结构、润滑、防护装置、采取措施提高导向精度。安装误差——机床安装时，应校正好水平和保证地基质量。磨损误差——使用时，注意调整导轨配合间隙，同时保证良好的润滑和维护。52（二）主轴的回转误差1．回转精度：机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的相符合程度。回转误差：机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的漂移。机床主轴是用来装加工件或刀具，并传递主要切削运动的重要零件，其回转精度主要影响零件加工表面的几何形状精度，位置精度和表面粗糙度。2．误差产生原因：由于主轴部件中轴承、轴颈、轴承座孔等的制造误差和配合质量，润滑条件，以及回转时的动力因素的影响。瞬时回转轴线的空间位置在周期性变化。3．理想回转轴线：客观存在，但无法确定，通常是以平均回转轴线来代替。534．分类：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5.主轴回转误差对加工精度的影响565.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）考虑最简单的情况，主轴回转中心在y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，镗出的孔为一椭圆。5758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y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。结论：主轴径向跳动对车外圆时，基本不影响加工表面的加工误差e★主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）5960★主轴端面圆跳动对加工精度的影响被加工端面不平，与圆柱面不垂直；加工螺纹时，产生螺距周期性误差。△а★主轴端面圆跳动对加工精度的影响•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△圆主轴角度摆动63AB6、影响主轴回转精度的主要因素图1轴径不圆引起车床主轴径向跳动★滑动轴承镗床类机床（图2）——切削力随主轴回转而回转，主轴径总是以固定部位与轴承孔内表面的不同部位接触，因此轴承孔的圆度对主轴回转精度影响最大，轴颈圆度影响不大。图2轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动车床类机床（图1）——切削力的方向大体不变，主轴轴颈以不同的部位与轴承内孔的某一固定部位相接触。因此影响主轴回转精度的，主要是轴承处主轴轴颈的圆度，轴承孔的圆度影响不大。1）轴承误差的影响643）与轴承配合的零件误差的影响2）轴承间隙的影响轴承间隙对回转精度也有影响，如轴承间隙过大，会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。由于轴承内、外圈或轴瓦很薄，受力后容易变形，因此与之相配合的轴颈或箱体支承孔的圆度误差，会使轴承圈或轴瓦发生变形而产生圆度误差。与轴承圈端面配合的零件如轴肩、过渡套、袖承端盖、螺母等的有关端面，如果有平面度误差或与主轴回转轴线不垂直，会使轴承圈滚道倾斜，造成主轴回转轴线的径向、轴向漂移。箱体前后支承孔、主轴前后支承轴颈的同轴度会使轴承内外圈滚道相对倾斜，同样也会引起主轴回转轴线的漂移。654）主轴转速的影响由于主轴部件质量不平衡、机床各种随机振动以及回转轴线的不稳定随主轴转速增加而增加，使主轴在某个转速范围内的回转精度较高，超过这个范围时，误差就较大。5）主轴系统的径向不等刚度和热变形主轴系统的刚度，在不同方向上往往不等，当主轴上所受外力方向随主轴回转而变化时，就会因变形不一致而使主轴轴线漂移。机床工作时，主轴系统的温度将升高，使主轴轴向膨胀和径向位移。由于轴承径向热变形不相等，前后轴承的热变形也不相同，在装卸工件和进行测量时主轴必须停车而使温度发生变化，这些都会引起主轴回转轴线的位置变化和漂移而影响主轴回转精度。667、提高主轴回转精度的措施1）提高主轴部件的制造精度首先应提高轴承的回转精度．其次是提高箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合有关表面的加工精度。此外，还可在装配时先测出滚动轴承及主轴锥孔的径向圆跳动，然后调节径向圆跳动的方位，使误差相互补偿或抵消，以减少轴承误差对主轴回转精度的影响。2）对滚动轴承进行预紧，消除间隙对滚动轴承适当预紧以消除间隙，甚至产生微量过盈．由于轴承内外圈和滚动体弹性变形的相互制约，既增加了轴承刚度，又对轴承内外圈滚道和滚动体的误差起均化作用，因而可提高主轴的回转精度。673）使主轴回转误差不反映到工件上（误差转移）直接保证工件在加工过程中的回转精度而不依赖于主轴，是保证工件形状精度的最简单而又有效的方法。如采用两固定顶尖支承磨削外圆柱面。在镗床上加工箱体类零件孔。采用前后导向套的镗模。68（三）机床传动误差1．传动链精度（误差）传动链