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机械制造技术02教学课件下载-样章.ppt第11章机械加工误差保证机械产品质量，是机械制造者的首要任务，任何机械产品都是由若干相互关联的零件装配而成的。因此，零件的制造质量是保证产品质量的基础。零件的质量直接影响着产品的性能、寿命、效率、可靠性等质量指标，而零件的制造质量，是依靠零件的毛坯制造方法、机械加工、热处理以及表面处理等工艺来保证的。因此，在零件制造的各个环节中，应当始终贯彻“质量第一”的思想，以确保产品的质量。本章主要讨论零件机械加工精度及表面质量问题。§13-1机械加工精度概述一.加工精度与加工误差加工精度：指零件经机械加工后，其几何参数（尺寸、形状、表面相互质量）的实际值与理论值的符合程度。加工误差：指零件经机械加工后，其几何参数（尺寸、形状、表面相互质量）的实际值与理论值之差。二.尺寸、形状、和相互位置精度的关系零件的的加工精度包括：尺寸精度、形状精度和相互位置精度，三者之间是既有区别又有联系的。通常，形状公差应限制在位置公差之内，而位置误差又要限制在尺寸公差之内。例如，为保证轴颈的直径尺寸精度，则轴颈的圆度误差不应超出直径的尺寸公差。当尺寸精度要求高时，相应的位置、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，这要根据零件的功能要求来决定。三.获得加工精度的方法1.获得尺寸精度的方法（1）试切法（2）调整法（3）定尺寸刀具法（4）自动控制法◆试切法:就是通过试切、测量、调整、再试切，……，反复进行到被加工尺寸达到要求为止的加工方法。这种方法的效率低，操作者的技术水平要求高，主要适用于单件、小批生产。（动画演示）◆调整法先调整好刀具和工件在机床上的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这个位置不变，以保证被加工尺寸的方法。调整法广泛用于各类半自动、自动机床和自动线上，适用于成批、大量的生产。◆定尺寸刀具法:用刀具的相应尺寸来保证工件被加工部位尺寸的方法，如铰孔、拉孔和攻螺纹等。这种方法的加工精度，主要决定于刀具的制造、刃磨质量和切削用量。其优点是生产率较高，但刀具制造较复杂，常用于孔、螺纹和成形表面的加工。◆自动控制法:这种方法是用度量装置、进给机构和控制系统构成加工过程的自动循环，即自动完成加工中的切削、度量、补偿调整等一系列的工作，当工件达到要求的尺寸时，机床自动退刀,停止加工。2.获得形状精度的方法成形刀具法:加工精度主要取决于刀刃的形状精度轨迹法:加工精度则与机床的精度关系密切。例如，车削圆柱类零件时，其圆度、圆柱度等形状精度，主要决定于主轴的回转精度、导轨的导向精度以及主轴回转轴心线与导轨之间的相互位置精度展成法:常用于各种齿轮加工，其形状精度与刀具精度以及机床传动精度有关3.获得相互位置精度的方法零件的相互位置精度，主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证。例如，在平面上钻孔，孔中心线对平面的垂直度，取决于钻头进给方向与工作台或夹具定位面的垂直度。§13-2影响加工精度的因素机械加工中零件的尺寸、形状和相互位置误差，主要是由于工件与刀具在切削运动中相互位置发生了变动而造成的。由于工件和刀具安装在夹具和机床上，因此，机床、夹具、刀具和工件构成了一个完整的工艺系统。工艺系统中的种种误差，是造成零件加工误差的根源，故称之为原始误差。加工中可能出现的原始误差，可列举如下图机械加工原始误差原理误差工件装夹误差机床误差夹具误差刀具误差调整误差工艺系统热变形刀具磨损工件内应力引起的变形度量误差一.原理误差原理误差是由于采用了近似的成形运动或刀刃形状而产生的。例如，滚切渐开线齿形就存在两项原理误差:一是为便于制造，用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆，来代替渐开线基本蜗杆而产生的误差；另一个是由于滚刀刀刃数有限，滚切出的齿形不是连续光滑的渐开线，而是由若干短线组成的折线。又如在加工正弦曲线的内曲面时，用曲柄滑块机构来获得近似的正弦曲线，也存在原理误差。理论上应当采用理想的加工原理，来获得精确的加工表面。但在生产中这样做有时会使机床的结构复杂，难以保证机床的刚度和精度，或者使刀刃的轮廓不易制造或精度很低。这样不仅不能保证加工精度，甚至还会降低加工效率。这时如采用近似的加工方法，往往可以简化机床结构和刀具的形状，并能提高生产率，降低加工成本，因此，只要能把加工误差限制在规定的范围内（一般，原理误差应小于工件公差值的10%~15%），可以采用近似的加工方法。二.机床误差机床误差是由机床的制造误差、安装误差和使用中的磨损引起的。对加工精度影响较大的有：主轴回转误差导轨误差传动链误差一.主轴回转误差机床主轴是决定工件或刀具位置的重要部件，对主轴的精度要求最主要的就是主轴回转精度（机床主轴回转时能保持轴线的位置稳定不变的程度。），即要求主轴回转时能保持轴线的位置稳定不变。主轴回转误差直接影响被加工零件的形状、位置精度和表面粗糙度。由于主轴系统自身存在着各种误差，如主轴轴颈和轴承座孔的误差；滚动轴承的内环、外环和滚动体的误差；回转过程中各种静、动态因素的影响等，使主轴回转轴线的空间位置在每一瞬间都是变动的，即产生轴线在空间的漂移。为了便于分析，常把主轴的回转误差分解为径向跳动、轴向窜动和角度摆动（图4-1）。实际上主轴回转误差的三种基本形式是同时存在的（图4-2），综合影响着工件的加工精度。∴ΔRz≈Δz2／(2R0)(4-1)由于ΔRzΔRy（Δy），故把工件加工表面法线方向叫做误差的敏感方向。分析主轴回转误差对加工精度的影响，发现主轴回转误差沿刀具与工件接触点的法向分量与切向分量，对加工精度的影响相差甚大。由图4-3，在车削圆柱面时，回转误差的法向分量Δy=ΔRy。而切向分量Δz所产生的半径误差ΔRz为1.主轴纯径向跳动对加工精度的影响图4-4为工件不动而镗杆旋转的镗孔情况。设由于主轴纯径向跳动而使轴线在Y坐标方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，振幅为A。又设刀尖处于水平位置时，主轴中心偏移最大（等于A）。当镗刀转过某一个φ角时，此时刀尖轨迹的水平和垂直分量分别是：y=Acosφ+Rcosφ=(A+R)cosφz=Rsinφ将上两式平方相加可得这是一个椭圆方程式,说明主轴回转时存在纯径向跳动,镗出的将是一个椭圆孔,如图4-4中的双点划线所示。车削时（如图4-5所示），设主轴轴线仍沿y方向作简谐直线运动，则工件1处切出的半径比在2、4处小一个振幅A，而在工件3处切出的半径则比2、4处大一个振幅A。这样在工件的上述4点直径都相等，在其它各点处的直径误差也甚小，故车削出的工件表面接近于一个真圆。2.主轴轴向窜动对加工精度的影响主轴的纯轴向窜动对内、外圆加工没有影响，但加工的端面则与内、外圆面不垂直（图4-6(a））。加工螺纹时，主轴的轴向窜动将使单个螺距产生周期误差（图4-6(b））。3.主轴回转纯角度摆动对加工精度的影响主轴回转时的纯角摆动，在车削外圆时仍然可以得到一个圆形工件，但工件是一个圆锥体。在镗床上镗孔时，镗出的孔则为椭圆形（图4-7，动画演示）。主轴回转轴线的运动误差，是和主轴部件的制造精度以及切削过程中主轴受力、受热后变形有关，但主轴部件的制造精度是主要的。在主轴采用滑动轴承的结构时，主轴是以轴颈在轴套内旋转的。对于车床类机床的主轴，因切削力的方向不变，主轴轴颈被压向轴套表面某一位置，因此，主轴轴颈的圆度误差将直接传给工件（图4-8（a）），而轴套孔的误差则对加工精度的影响较小。对镗床类机床，由于作用在主轴上的切削力是随镗刀的旋转而变化的，故轴套孔的圆度误差将传给工件，而轴颈的圆度误差对加工精度的影响不大（图4-8（b））在主轴采用滚动轴承结构时，主轴回转精度不仅取决于滚动轴承本身的精度，而且还与轴承配合件的精度关系密切。由于轴承内、外环是薄壁零件，受力后容易变形，因此，与之相配合的轴颈或箱体轴承孔的圆度误差，会使轴承的内、外环变形而造成主轴的回转误差。二.导轨导向误差导轨导向精度：是指机床导轨副的运动件实际运动方向与理想运动方向的符合程度。导轨导向误差：指机床导轨副的运动件实际运动方向与理想运动方向两者之间的偏差值。床身导轨既是机床主要部件的装配基准，又是保证刀具与工件间导向精度的基准。因此，导轨导向误差直接影响工件的加工精度。直线运动导轨导向误差分为：导轨在水平面内的直线度误差；导轨在垂直平面内的直线度误差；两导轨间的平行度误差。1.导轨在水平面内的直线度误差此项误差使刀尖在水平面内产生移Δy（图4-9），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。2。导轨在垂直平面内的直线度误差(图4-10)3.两导轨间的平行度误差由于导轨发生了扭曲（右图），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。导轨导向精度，除受导轨制造误差的影响外，还受机床安装是否正确，地基是否坚固，导轨的润滑状况，磨损的均匀性，导轨的热变形以及运动部件的重心移动和过大切削力引起的导轨弹性变形等因素的影响。三.传动链传动误差传运链的传动误差：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。传动链传动误差，一般不影响圆柱面和平面的加工精度，但在加工工件运动和刀具运动有严格内联系的表面，如车削、磨削螺纹和滚齿、插齿、磨齿时，则是影响加工精度的重要因素。例如，在车螺纹时，要求主轴与传动丝杠的转速比恒定（图4-12），即由上式可见，当速比i与机床丝杠导程T存在误差时，工件导程S将出现误差。影响速比i的因素主要是齿轮副的传动误差，假如齿轮z1存在周节误差，在传动时其转角误差要经过几对齿轮副才传递到丝杠上（参见图4-12）。当传动副为升速时，转角误差被扩大，而降速时转角误差被缩小。而与丝杠连接的齿轮的转角误差，将直接反映到工件上，有着较大的影响。提高传动链传动精度的主要措施尽可能缩短传动链采用降速传动（即i1）提高传动元件，尤其是末端传动元件的加工和装配精度。采用传动误差校正机构以及微机控制的传动误差自动补偿装置等三.刀具误差刀具误差是由于制造误差和刀具磨损所造成的。单刃刀具的误差，对加工精度没有直接影响；而定尺寸刀具和成形刀具的误差，将直接影响加工精度。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。这种影响主要来源于刀刃在加工表面法向上的磨损量，即刀具的尺寸磨损。车削外圆时，刀具的逐渐磨损会使工件产生锥度误差（图4-13）。刀具磨损量μ与切削路程s有关（图4-14）。在初期磨损阶段（s＜s0）磨损较快；正常磨损阶段磨损较慢，磨损量μ与切削路程s近似成线性关系。当磨损量达到μc以后，刀刃产生急剧磨损，以致不能切削，故在此之前必须磨刀。四.工艺系统受力变形的影响（一）工艺系统的刚度机械加工中，由机床、夹具、工件等环节组成的工艺系统，在夹紧力、切削力、重力以及惯性力等的作用下，将产生变形（弹、塑性变形）和振动，破坏刀具和工件之间的正确位置而形成加工误差，并使加工表面的表面粗糙度恶化。例如，在车削细长轴时，工件在切削力的作用下弯曲变形，加工后会产生鼓形的圆柱度误差。工艺系统在外力作用下产生变形的大小，不仅取决于外力的大小，而且和工艺系统抵抗外力的能力，即工艺系统的刚度有关。工艺系统的刚度K系统是指加工表面法向切削分力Fy与刀具的切削刃在切削力的作用下相对工件在此方向位移y的比值。K系统=Fy／y必须指出，法向位移y除了受Fy的影响外，还受Fx、Fz的影响，即y值是在切削合力F的作用下，工艺系统在Fy方向的变形。由于工艺系统中的各个环节在外力作用下都会产生变形，故工艺系统沿加工表面法向变形值的总和y系统为y系统=y机床+y夹具+y刀具+y工件（4-6）根据刚度定义，K系统=Fy／y系统；K机床=Fy／y机床；K夹具=Fy／y夹具；K刀具=Fy／y刀具；K工件=Fy／y工件，可得工件、刀具一般为简单构件，其刚度可用材料力学的有