第三章 機械加工精度

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1、第三章 機械加工精度 Machining Precision §3-1概述 零件的加工質(zhì)量： 機械加工精度 加工表面質(zhì)量 一、機械加工精度 1、概念 (1)加工精度：零件加工后的實際幾何參數(shù)(即尺寸、形狀和表面間的相互位置)與理想幾何參數(shù)的符合程度。（由各種因素影響----不可能完全符合.） (2)加工誤差：加工后零件的實際幾何參數(shù)(即尺寸、形狀和表面間的相互位置)對理想幾何參數(shù)的偏離程度。 （零件可以允許有一定的加工誤差---保證產(chǎn)品的使用性能,保證和提高加工精度問題--

2、實際上就是限制和降低加工誤差問題） （1）加工精度的高低-- ------- 加工誤差的大小表示 （2）加工精度(尺寸,形狀,位置精度)三者關(guān)系 位置公差限制在尺寸公差之內(nèi)： 尺寸精度高——位置精度高 形狀公差限制在位置公差內(nèi)： 位置精度高——形狀精度高 反之不成立 （3）加工精度、加工成本、生產(chǎn)率三者關(guān)系 設(shè)計人員-------合理規(guī)定加工精度 工藝人員-------依設(shè)計要求、生產(chǎn)條件、用適當(dāng)方法保證高生產(chǎn)率和低 成本.

3、 2. 工藝系統(tǒng) 定義: 在機械加工時,機床、夾具、刀具和工件就構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng). 工藝系統(tǒng)誤差(原始誤差)-------因 加工誤差-------果 3. 研究加工精度的目的: 弄清各種原始誤差的物理、力學(xué)本質(zhì)及對加工精度的影響規(guī)律,掌握控制加工誤差的方法，找到提高加工精度的途徑，得預(yù)期的加工精度。 二、影響機械加工精度的因素 原始誤差 幾何誤差(與工藝系統(tǒng)初始狀態(tài)有關(guān)的原

4、始誤差) 原理誤差 定位誤差 調(diào)整誤差 刀具誤差 夾具誤差 工件相對刀具在靜止?fàn)顟B(tài)下已存在誤差 機床主軸回轉(zhuǎn)誤差 機床導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差 機床傳動誤差工件相對

5、刀具在運動狀態(tài)下已存在誤差 動誤差（與工藝過程有關(guān)的原始誤差） 工藝系統(tǒng)受力變形(包括夾緊變形) 工藝系統(tǒng)受熱變形 刀具磨損 測量誤差 工件殘余應(yīng)力引起變形 三、誤差敏感方向 對加工精度影響最大的方向（圖3-2） §3--2工藝系統(tǒng)的幾何精度對加工精度的影響 一、加工原理誤差 采用近似的成形運動 用展成法切削齒輪（刀齒有限,微小折線

6、組成曲線） 三坐標(biāo)數(shù)控銑削復(fù)雜形面零件-----用球頭刀（圖3-3） 近似的刀刃輪廓 用滾刀切削漸開線齒輪(用阿基米德蝸桿代替漸開線蝸桿，軸向截 面為直線齒形) 用模數(shù)銑刀加工漸開線齒輪（用一把模數(shù)銑刀加工模數(shù)一定齒數(shù) 范圍的齒輪） 二、調(diào)整誤差 1.試切法： 誤差來源： (1)測量誤差. (2)微進給機構(gòu)的位移誤差--"爬行"現(xiàn)象. (3)切割層太薄--刀刃打滑 2.按樣件或樣板調(diào)整：樣件或樣板本身的制造安裝誤差及對刀誤差 3.定程機構(gòu)誤差

7、：行程擋塊、靠模、凸輪等機構(gòu)的制造精度和調(diào)整，以及與其配合使用的離合器、電氣開關(guān)、控制閥等的靈敏度 三、機床誤差 （一） 機床導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差 1.導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度-------對徑向尺寸影響大（圖3-5） 2.導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度--------對徑向尺寸影響?。▓D3-5） 3.前后導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的平行度------刀架與工件相對位置偏斜（錐度或馬鞍形）（圖3-7） （二） 機床主軸回轉(zhuǎn)誤差 1． 主軸回轉(zhuǎn)誤差的概念 主軸回轉(zhuǎn)誤差：實際回轉(zhuǎn)軸線與理想回轉(zhuǎn)軸線的最大變動量 主軸回轉(zhuǎn)誤差：a、徑向跳動；b、 軸向竄動；c、 傾角擺動 2． 主軸回轉(zhuǎn)誤差對加工精度的影響

8、（1）采用滑動軸承（圖3-17） 工件回轉(zhuǎn)類機床（車床）：主軸軸頸誤差反映到工件上 刀具回轉(zhuǎn)類機床（鏜床）：軸承孔內(nèi)圈表面的圓度誤差將反映到工件上 （2）采用滾動軸承時 工件回轉(zhuǎn)類機床（車床）：軸承內(nèi)環(huán)外滾道的幾何形狀誤差反映到工件上 刀具回轉(zhuǎn)類機床（鏜床）：外環(huán)內(nèi)滾道誤差反映到工件上（相當(dāng)滑動軸承 內(nèi)圓面） 主軸前后軸承存在偏心----反向偏心------轉(zhuǎn)角 工件回轉(zhuǎn)-------產(chǎn)生圓柱度誤差

9、 刀具回轉(zhuǎn)------產(chǎn)生圓度誤差 （3）主軸的軸向竄動：車---------端面與圓柱面不垂直（ 圖3-14） （三） 機床傳動鏈的傳動誤差：制造、裝配、磨損 四．夾具的制造誤差與磨損 定位元件 刀具導(dǎo)向元件 分度機構(gòu)，夾具體 五．刀具的制造誤差和磨損 1． 一般刀具（車刀，銑刀，鏜刀，砂輪） 刃口的磨損和鈍化影響加工精度 2． 成形刀具 刀刃的形狀誤差，刃磨，裝夾影響 3． 定尺寸刀具 尺寸誤差影響 §3—3 工藝系統(tǒng)的受力變形 一． 基本概念 （工藝系統(tǒng)的受力變形是彈性變形，工藝系統(tǒng)抵抗彈性變形的能力越強，則加

10、工精度越高，工藝系統(tǒng)抵抗彈性變形的能力，用剛度k來描述） 工藝系統(tǒng)剛度k：指工件加工表面在誤差敏感方向的切削分力與在該方向上刀具相對工件位移y的比值即 N/mm y為 Fx , Fy , Fz 同時作用下綜合結(jié)果 二． 工藝系統(tǒng)剛度的計算 1． 工藝系統(tǒng)剛度的組成（工藝系統(tǒng)在誤差敏感方向的變形疊加） 已知各組成環(huán)節(jié)的剛度——工藝系統(tǒng)剛度 三． 工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響 （一） 工藝系統(tǒng)

11、各組成部分的變形及總變形 1． 機床的變形 條件：兩頂尖加工光軸；工件和刀具剛度很大 切削力不變（只考慮機床變形） 床頭箱與尾架的分力： 2. 工件的變形: 條件： 機床, 刀架剛度很大 3、 工藝系統(tǒng)的總變形: （二） 工藝系統(tǒng)變形對加工精度的影響 1、 切削力作用點不同位置引起的誤差 工件剛度大-------馬鞍形 車 工件剛度小-------腰鼓形 2、 誤差的復(fù)映（圖3-31） 定義：加工余

12、量和材料硬度不均，引起切削力變化造成的加工誤差 誤差復(fù)映系數(shù) 式中 C為常數(shù)（硬度均勻、刀具、切削條件、進給量一定時） K為工藝系統(tǒng)的剛度 是小于1的正數(shù)，定量反應(yīng)了毛坯誤差經(jīng)加工后所減小的程度 為工件圓度誤差 為加工后工件圓度誤差 3、 其他作用力：傳動力，慣性力，夾緊力，本身重力等 四． 車床部件剛度 （一） 機床部件剛度的測定 1． 靜態(tài)測定法（圖3-38車床刀架的靜剛度特性曲線） （1）y--Fy非線形關(guān)系（彈塑變形） （2）加--卸載線不重合（摩擦和接觸塑變） （3）卸載線不回起始點（殘留變形，反復(fù)加載殘留變形為

13、零） 2． 工作狀態(tài)測定法 （二） 影響機床部件剛度的因素 1、 接觸面的表面質(zhì)量 開始表面粗糙度（接觸面積?。?-----彈變和局部塑變--凹形曲線 2、 存在剛度差的零件（圖3-41） 鑲條，鍵等--------凹形曲線（非線性） 3、 連接件夾緊力的影響 螺釘連接，超過預(yù)緊力---------凸形曲線（非線性） 4、 摩擦力的影響：能量消耗------加、卸載線不重合 加載-------阻礙間隙位移，阻礙變形增加 卸載-------阻礙間隙位移，阻礙變形減小 5、 間隙的影響（圖3-40） 載荷大于摩擦力-------位移-----------加、卸載點不重合

14、 五． 減小工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度的影響的措施 提高系統(tǒng)剛度，減小載荷及變化 （一） 提高工藝系統(tǒng)剛度 1． 結(jié)構(gòu)設(shè)計：減少連接面數(shù)量，用封閉斷面 2． 提高表面接觸剛度 提高接觸面表面質(zhì)量，預(yù)加載荷--消除間隙 3． 用合理的裝夾和加工方式：中心架，跟刀架 （二） 減少載荷及變化 刀具幾何參數(shù) 增大前角 主偏角=900 切削用量--減小進給量及背吃刀深度 毛坯余量均勻 六．工件殘余應(yīng)力對加工精度的影響 1． 毛坯內(nèi)應(yīng)力： 鍛、鑄、焊------厚薄不均，冷速不均-------內(nèi)應(yīng)力 2． 工件切削內(nèi)應(yīng)力 表層受摩擦、拉

15、伸、熱膨脹 3． 冷校直殘余應(yīng)力 4． 熱處理 §3—4工藝系統(tǒng)的熱變形對加工精度的影響 一． 概述 （一） 工藝系統(tǒng)的熱源 熱（高——→低）---------導(dǎo)熱傳熱，對流傳熱，輻射傳熱 熱源 內(nèi)部： 切削熱（主要熱源） 產(chǎn)生于工藝系統(tǒng)內(nèi)部（以熱傳導(dǎo)方 式傳遞） 摩擦熱 外部：環(huán)境溫度（氣溫變化，通風(fēng)，空氣對流和周圍環(huán)境）--對流 傳遞的主要形式 各種輻射熱（陽光，照明，暖氣設(shè)備）

16、（二） 工藝系統(tǒng)的熱平衡和溫度場的概念 熱平衡--工藝系統(tǒng)單位時間散出的熱量與熱源傳入的熱量趨于相等，這時 工藝系統(tǒng)就達(dá)到了熱平衡。 溫度場--物體中各點的溫度分布成為溫度場 不穩(wěn)定溫度場 穩(wěn)定溫度場 不穩(wěn)定溫度場 ---各點的溫度是坐標(biāo)和時間的函數(shù) y=f(x, y, t) 穩(wěn)定溫度場-------各點的溫度只是坐標(biāo)的函數(shù) y=f(x, y) 二． 工件熱變形對加工精度的影響 （一） 工件比較均勻的受

17、熱 軸，盤，套類件-------直徑和長度增大（粗加工-----冷-----精加工） （二） 工件不均勻受熱 平板類件--翹曲變形 三． 刀具熱變形時對加工精度的影響 車刀熱變形曲線（圖3-46） 四． 機床熱變形對加工精度的影響 一般機床主傳動功率 切削功率 空載功率 精密機床--空載功耗是主要熱源 車床熱源（主軸箱）----主軸提高和傾斜--垂直方向影響大 機床熱變形的緩慢------加工誤差不一致 精密加工-------熱平衡后進行加工 五． 減少工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度影響的措施 1． 減少熱源產(chǎn)生的熱量 低速

18、切削 小切削用量 精密加工--冷卻 2． 控制熱源的影響：冷卻液，恒溫空間 3． 從工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身減少熱變形 用對稱結(jié)構(gòu) 機床 分離內(nèi)部熱源--熱源放在機床外 減少運動副的摩擦熱 工件----避免薄壁，空心等易受熱變形的結(jié)構(gòu) 刀具----熱變形避開誤差敏感方向 §3-5加工誤差的統(tǒng)計分析 單因素分析法 統(tǒng)計數(shù)理----誤差規(guī)律 一． 加工誤差的性質(zhì) 系統(tǒng)性誤差 常值系統(tǒng)性誤差（加工誤差的大小，方向保持不變，與加工時 間，加工順序無關(guān)） 加工原

19、理誤差 工藝系統(tǒng)的制造與調(diào)整誤差 工藝系統(tǒng)的靜力變形 機床，夾具，量具的磨損 變值系統(tǒng)性誤差（加工誤差按一定規(guī)律變化） 機床，夾具，刀具的熱變形 刀具磨損 隨機誤差（誤差的大小，方向不規(guī)律變化） 毛坯誤差的復(fù)映 裝夾誤差 多次調(diào)整誤差 殘余應(yīng)

20、力引起的變形 二． 分布圖分析法 （一） 實驗分布圖 （1） 成批加工（調(diào)整法）--取樣本--樣本容量n（樣本尺寸或偏差x） （2） 樣本極差 (3)樣本分組（按大小順序）（k組表3-2，組距d） 組內(nèi)零件數(shù)量：頻數(shù)m i 式中 j為組序數(shù)，正號為組上界，負(fù)號為組下界 （3） 該批工件的實驗分布圖 （4） 樣本的數(shù)字特征 例: (1) 6σ>T 加工精度不足 （二） 理論分布曲線 1． 正態(tài)分布（相互獨立的大量微小隨機變量總和分布為正態(tài)分布） 正態(tài)分布的概率密度 正態(tài)分布函數(shù):

21、 6σ(±3σ)----代表某種加工方法在一定條件下（如毛坯余量、切削用量、正常的機床、夾具、刀具等）所能達(dá)到的加工精度。 6σ≤T 2． 非正態(tài)分布 ★ ★兩機床加工件混：（1）常值（2）精度不一 ★刀具磨損顯著： ★工藝系統(tǒng)熱變形顯著：曲線不對稱 ★試切法“寧修不廢”： （三） 分布圖分析法的應(yīng)用 1． 辨別加工誤差性質(zhì) 正態(tài)分布---無變值系統(tǒng)性誤差 常值系統(tǒng)性誤差 2． 確定工序能力及其等級 工序能力----工序在穩(wěn)定狀態(tài)時，誤差波動幅度 （表3-7） 3、計算合格品率或不合格品率 例：3-4 （1） 作分布圖

22、 （2） 計算 Cp=0.9 分布圖分析法的缺點 （1） 沒考慮先后順序，不能反映誤差變化趨勢。 （2） 不能區(qū)別變值與隨機誤差 （3） 加工后繪制，不能及時提供繪制精度的信息 三、點圖分析法 分布圖—當(dāng)工藝過程穩(wěn)定時（μ、σ保持不變） 點圖------分析工藝過程的穩(wěn)定性 (一)單值點圖（反映了每個工件尺寸或誤差與加工時間的關(guān)系） 按加工順序測量工件-- 平均值曲線oo----------每一瞬時的分散中心 起始點o -----------------常值系統(tǒng)性誤差 AA/ BB/------------------每一瞬

23、時的分散范圍（隨機誤差的影響） CC/ DD/------------------控制界線 EE/ FF/------------------公差帶極限尺寸 （二） —R圖 (小樣本) 平均值（控制工藝過程質(zhì)量指標(biāo)的分布中心）控制圖和極差R（控 制工藝過程質(zhì)量指標(biāo)的分散程度）控制圖聯(lián)合使用的統(tǒng)稱 §3-6保證和提高加工精度的途徑 一、 誤差預(yù)防技術(shù) （一） 合理采用先進工藝裝備 工藝規(guī)程，每道工序能力評價 設(shè)備 （二） 直接減少原始誤差法 提高工藝系統(tǒng)幾何精度，提高剛度，減少變形 （三） 誤差轉(zhuǎn)移 轉(zhuǎn)移的誤差非敏感方向（圖3-65） （四） 均分原始誤差 按毛坯誤差大小分組，按各組調(diào)刀 （五）均化原始誤差 讓誤差重新分布達(dá)到整個表面 ---------研磨 二、誤差補償技術(shù)