机械制造工艺学第三章机械加工精度.ppt

第三章机械加工精度第三章机械加工精度第一节第一节 概述概述1、机械产品的质量 取决于零部件的加工质量，产品的装配质量。2、零件的加工质量 1）几何形状加工精度、表面粗糙度 2）物理性能硬度、强度、韧性、耐磨性等。3）化学性能耐磨蚀性能。4）其它性能2022/10/28机械加工精度：尺寸、形状、位置加工精度与加工误差：加工的大小，表明加工精度的高低。加工精度与设计精度、生产效率、加工成本有关。加工精度与工艺系统精度（原始误差）。工艺系统由机床、夹具、刀具、工件组成的统一体。设计精度：由零件工作图上的尺寸，形状，位置公差确定。2022/10/28二、影响机械加工精度的因素（原始误差分析）二、影响机械加工精度的因素（原始误差分析）原始误差工艺系统偏离理想位置产生的误差。1、几何误差工艺系统初始状态的误差（加工前）A、静态误差 B、运动误差 2、动（效应）误差切削过程的物理因素所产生的误差（受力，受热，磨损等）A加工过程中 B加工后例：精镗活塞销孔工序的原始误差。（图31）2022/10/282022/10/28三、误差敏感方向三、误差敏感方向 在误差敏感方向上系统原始误差对加工精度的影响最大。例如：车削外圆时，刀尖在工件法向方向上的误差，引起最大加工误差R。（图32）2022/10/28分析：当 时，（忽略了 ）当 时，（当很小时，Rmin可忽略）2022/10/28四、研究加工精度的方法四、研究加工精度的方法1、单因素分析法：分析某一原始误差对加工精度的影响。通过分析计算，测量，实验等方法。2、统计分析法：对一批工件测量，并对测量数据进行处理，判断加工误差的性质，从而找出产生误差的原因。3、实际生产中，两种方法结合应用。2022/10/28第二节第二节 工艺系统的几何精度对加工精度的影工艺系统的几何精度对加工精度的影响响一、加工原理误差一、加工原理误差1、近似的切削成形运动例如：数控插补原理：直线或圆弧逼近曲线的加工，数控铣床上用球头铣刀加工曲面（行切法）（图33）2、近似的切削刀形状例如：滚齿刀具3、近似的计算例：模数螺纹的因子2022/10/28二、调整误差二、调整误差尺寸精度的获得方法（一）试切法（如车外圆的5个步骤：开车对刀；右退出车刀；进刀；走刀切削1-3mm；退出车刀；测量；按尺寸进刀；走刀切削。）试切法引起调整误差的因素1、测量误差：量具，测量方法，使用条件等。2、机床进绘机构的位移误差3、切削状态不同产生的误差。例如：刀尖的圆角影响。2022/10/28（二）调整法如车台阶长度时的位置调整引起调整误差的因素 1、定程机构误差液压死挡铁0.01(精度高)电气行程开关0.01（灵敏度）2、样件或样板误差 3、测量有限试件造成误差2022/10/28（三）其它方法 1、定尺寸刀具法例如：钻孔，铰孔，浮动镗等取决于刀具的相关尺寸精度（与刀具制造，安装，磨损有关）2、自动控制法例如：自动或半自动磨床，取决于自动检测装置精度和自动反馈控制系统控制精度。三、机床误差三、机床误差例如：铣床的精度检验项目有多项2022/10/28（一）机床导轨导向误差（来源于加工，装配，安装，磨损，温度等）1、导向误差（直线度，扭曲度及偏离，平行，垂直等）例车床直线度（图35）1）在水平面内的直线度 Y（图36a）（设车刀刀夹中心与工件轴或等高）2）在垂直面内的直线度Z（图36b）2022/10/282022/10/282022/10/28忽略 项 可以忽略（3）扭曲误差与机床导轨结构及主轴中心高有关（图37）2022/10/282022/10/28（4）导轨与主轴轴线相互位置误差水平面内平行度误差 车锥度 镗椭圆垂直内平行度误差 车（度）双曲线 镗椭圆 图3-92022/10/28（5）减少导轨误差的措施设计：结构、材料、热处理方式、润滑方式、防护装置等。制造：时效处理、表面待火年理、精度工序等。调整：调间隙、调水平等。使用：地基、安装、维护（清洗、防锈、润滑）2022/10/282导轨误差的理论分析方法滑板在导轨上运动，导向：限制了5个自由度。坐标系的建立：直角坐标系：与导轨固连通常i轴与主轴平行或垂直直角坐标系 与滑板固连直角坐标系 滑板上的参考坐标系。随滑板平移时，各坐标轴方向始终与导轨固连各坐标轴方向一致。2022/10/282022/10/28设：刀具或工件 上的任意点：若点P随沿j、k平移，绕坐标ijk转动，角，则P点位置变化，产生加工误差。其中：yt，zt由与i轴的偏离而造成（导轨与主轴轴线在水平、垂直面内平行度误差）。由扭曲造成由垂直面内直线度造成 由水平面内直线度造成2022/10/28（图310），其中转角误差计算2022/10/28 坐标变换矩阵记列矩阵：则：同理：有 ，当1旋转、时有：2022/10/28当、值很小时，近似有：得：P点的线位移误差（由转角误差引起的）为：2022/10/28I单位矩阵综合xt(进给误差)、yt、z t和转角引起的成性误差x处，P点的线性误差为：（线性叠加）或（改写成方程组的形式）2022/10/28例：导轨误差在车削丝杆时引起螺距误差坐标设定如图311（纵向x，横向y，垂直于z）设：刀刃在中径（d2）上一点A1（x1，y1，z1）=（0，H）x与P同方向 y工件法向误差 （使中径尺寸增大或减少）2022/10/282022/10/28z产生刀具沿工件切向误差（z使工件相对于刀具瞬间产生角位移误差）（正负为图示刀具位置）2022/10/28综合引起的螺距误差为（二）机床主轴的回转误差（二）机床主轴的回转误差1基本概念基本概念实际回转轴线对理想轴线的漂移三种基本形式(图313)纯经向圆跳动、纯端面圆跳动、纯倾角摆动2022/10/28主轴回转精度的检验方式（JB2670-82）（机床检验通则）a 径跳 b 轴向跳动 （倾角摆动通常由径向跳动指标保证如图）2022/10/282主轴回转精度对加工精度的影响主轴回转精度对加工精度的影响1）主轴端面纯圆跳动：(图314)（1）车端面近似螺旋面（误差）垂直度偏角（2）车螺纹产生螺距周期误差。2022/10/282）径内圆跳动产生圆度误差(图31517)（1）对镗孔的影响 （图3-15）设镗刀主轴误差为：h=Acos(频率与主轴转角相同，刀尖到刀轴中心不变，R为定值，在y方向简谐运动。)简谐运动方程加工孔为椭圆，长轴：（A+R），短轴：R2022/10/282022/10/28（2）对车削孔的影响（图3-16），刀尖到平均回转轴线Om为定值：R设工件主轴误差：hAcos沿y方向：R=0RA R=Rh RAcos =R+A任一点：加工孔近似为圆。2022/10/283、影响主轴回转精度的因素（1）轴承误差A)滚动轴承：内环，外环滚道，滚动体，保持架等圆度误差、波度误差、滚动体尺寸误差等B)滑动轴承 工件回转类机床（图3-17a）刀具回转机床（图3-17b）工件回转类机床主轴轴径的椭圆误差影响：产生与轴径误差近似的加工误差。2022/10/282022/10/28工件回转类机床主轴轴承孔的椭圆误差影响：轴承孔受力点不变 不产生加工误差。主轴轴承孔的误差影响与之相反。另：多油楔动压轴承主要为主轴轴径误差影响静压轴承较厚的油膜减小了轴径和轴孔的误差，所以精度较高。2022/10/28刀具回转类机床主轴轴径的椭圆误差影响：刀具回转类机床主轴轴径、主轴轴承孔对加工误差的影响与工件回转类机床相反。（2）轴承间隙调整（3）轴承安装配合件 主轴滚动轴承安装轴径 箱体上的主轴滚动轴承安装孔等（4）主轴转速（5）其它因素2022/10/284、提高主轴回转精度的措失（1）提高制造精度（要求精度，成本高）（2）滚动轴承预紧（磨损大，发热）（3）排除主轴回转误差的工艺措失。例：使用固定顶尖（0.001）适用于低速，轻载 镗模（图3-19）刀杆与主轴浮动连接 刀具回转精度由刀杆精度和导套精度确定。2022/10/282022/10/282022/10/28（三）机床传动链的传动误差1，传动链精度分析内联系的传动链中，首末件的相对运动误差。在用展成法加工螺纹，齿轮，蜗轮时产生加工误差。例如：螺纹的螺距误差，齿轮、蜗轮的周节误差等。图3-20滚齿轮传动链中，工件转角与滚刀转角的运动关系为：2022/10/282022/10/28讨论由传动件的周节误差、螺距误差等原始误差引起的末端件的转角误差。设：工件的转角误差劲 由第j个传动件误差引起的工件转角误差。k j 误差传递系数（k传动件到末商件的传动比，j 表示工件在传动链中的位置）2022/10/28 k j 1(升速)，原始误差扩大，k j 1（降速），原始误差缩小。总转角误差 概率法做算有 转角误差为周期函数（转一周误差重复）即，2022/10/28总转角误差：其中：测量系统原理图3-22 分析仪工作原理图3-232022/10/282022/10/282022/10/282、传动精度测量与信号处理用磁分度仪或光栅试分度仪测出末端转角误差曲线（图3-21B）用频谱分析的方法，找出误差影响较大的传动元件，采取相应的改善损失。图3-21C分析 原始误差，末端件误差（直接反映为工件加工误差）2022/10/283、传动误差的估算和对加工精度的影响（1）齿轮转角误差的估算 或对应的工件周节积累误差（加工误差）2022/10/28（2）螺距误差的估算 传动丝杆导程 传动比微分上式，近似得：Ps丝杠原始误差 i 传动链误差 2022/10/284、减少传动链传动误差的措失1缩短传动链（传动件少，原始误差少）2大降速比传动k 实心，封闭开口所以应减少壁厚，增大轮廓尺寸。外形尺寸相同：圆形优于方形，方形优于矩形。合理布置隔板，筋等。尽量减少连接层面数目。（普通车床刀架的连接层面数较多）2022/10/282、提高连接表面的接触刚度提高工艺系统刚度最简便，有效的方法。（1）零件接合面的表面质量（粗糙度，形状精度）（2）预加载荷消除间隙，产生较大接触面积。又例：铣刀杆与主轴轴孔拉杆。（3）提高工件定位基准面的精度和表面质量2022/10/283、合理的工艺方法（1）合理的安装方法和加工方法（图3-42）（2）增加辅助支承（中心架，跟力架等）（二）减小载荷及其变化合理的切削刀具（刀具角度：，r，r等）合理的切削用量（CP与Fy）提高毛坯的质量。2022/10/28六、工件残余应力引起的变形六、工件残余应力引起的变形残余应力（内应力）由金属内部相邻组织的不均体和变化引起。（一）毛坯制造和热处理产生热应力和组织应力，例如：铸造应力框的应力与变形。A、C壁较薄，B较厚A、C先冷，B在热壁状态下产生塑性变形。B后冷，A、C在冷态下被压缩起弹性变形（不恢复变形）所以A、C长度大于B,产生内应力如图。2022/10/28（二）冷校直带来的残余应力（图344）b）加载时的应力分布：最外处产生塑性变形c)卸载后：应力平衡（被校直）表面切削后，（塑变层消除）工件恢复（三）加削加工带来的残余应力1)改善零件结构2)合理安排工艺2022/10/283）热处理工序去除内应力 退火回火 人工时效：高温时效毛坯，粗加工后 低温时效半精加工后 振动时效自然时效：把铸件毛坯在露天自然堆放一年左右。2022/10/28第四节第四节 工艺系统热变形对加精度的影响工艺系统热变形对加精度的影响一概述（一）热源：内部切削热（由刀具，切屑，切削夜工件传出）摩擦力（电机、液压、齿轮、轴承、导轨等）外部：环境 热辐射（阳光加热器等）（二）工艺系统的温度场和热平衡温度场物体中各点温度随坐标和时间变化的的分布场。（各点温度是随时间和坐标而变化的函数）。2022/10/28热平衡单位时间内热量的散出与输入相等，系统各部分温度相对固定，热变形趋于稳定。刀具，工件一般不能达到稳定的热平衡 机床应工作在热平衡状态，保持热态几何精度。（较长时间空转后工作）稳态温度场各点温度只是坐标位置的函数，热平衡时为稳态温度场。2022/10/28热变形对加工精度的影响1、粗加工可忽略2、精加工和大件加工热变形产生的误差达总误差的40%70%。二、工件热变形的影响（一）工件均匀受热按平均线膨涨尺寸计算 或 2022/10/28mm例题2 钻孔=0.021 mm 所以应把粗加工与精加工分开,使工件粗加工之后充分冷却.(或粗加工后冷却一段时间)(二)工件不均匀受热例：磨削平面板，工件热变形拱度x（图3-45）2022/10/282022/10/28三、刀具热变形三、刀具热变形切削热的传散特点：刀体小，热容量小，温升高，达到热平衡时间短。热变形曲线（图3-46）1、连续工件（切削）2、连续冷却3、间歇工作曲线 批量加工时，应合理选择切削和冷却时间，使误差稳定在范围内。2022/10/28四、机床热变形对加工精度的影响：四、机床热变形对加工精度的影响：主要热源：主传动系统，导轨付，液压系统。各类机床的热变形趋势：车床等（图3-47，图3-48）五、减少工艺系统热变形对加工精度的影响五、减少工艺系统热变形对加工精度的影响设计合理（一）减少热源的发热和隔热1、分离热源，2、隔热，3、冷却。2022/10/282022/10/282022/10/28（二）均衡温度场例：利用液压回油温度或采用热空气加热等方式。（图3-50）2022/10/28（三）合理的机床部件结构和装配基准（图3-52）工艺条件（四）加速达到热平衡（五）恒温环境2022/10/28第五节第五节 加工误差的统计分析加工误差的统计分析引起加工误差的原因的复杂性。加工误差综合分析例：导轨误差 对一批工件进行检验测量，进行数据统计分析，找出误差的规律，例：机床的热变形，刀具磨损等 图3-272022/10/28一、加工误差的性质：（一）系统误差 1）常值系统误差一批零件的误差其大小，方向不变。2）变值系统误差一批零件的误差其大小，方向按一定规律变化。引起常值系统误差的原因有：原理误差，机床误差，刀具误差，夹具制造误差等。例：铰刀直径制造误差产生孔加工误差为定值。产生变值系统误差的原因有：刀具磨损，工艺系统热变形等。2022/10/28（二）随机误差 一批工件误差的大小，方向无规律变化。例：毛坯（余量变化）、定位（组成环尺寸变 化）、夹紧（力变化）产生的加工误差，工件内应力产生的加工误差也是无规律变化的。不同误差的解决途径不同。2022/10/28 常值系统误差：可按误差大小方向调零。例如调整刀具相对位置，调整刀具尺寸等。（铰刀直径的调整。）变值系统误差：按误差规律进行动、静态补偿，例如螺纹的螺距误差。图3-24 随机误差：提高工艺系统特性，例如：系统刚度，受力状况，热变形情况等。二、分布图分析法（一）实验分布图（直方图，图3-53）2022/10/28样本取样N按统计精度要求，随机抽取N个（50-200）分组并按样本含量N分成k组，（表3-2）按尺寸或偏差大小顺序排列。组距各组频数mi和频率各组频率密度作图：以工件尺寸为横坐标（组距d），以频数、频率或频率密度为纵坐标，绘出直方图。2022/10/282022/10/28分析加工精度：1、工件的工序尺寸及公差带位置（上下偏差、基本尺寸、平均尺寸等）2、直方图统计的数学特征。样本的平均值，即样本尺寸的分散中心。样本的标准偏差S，反映样本尺寸的分散程度。2022/10/28例题：磨削一批轴径的工件。解：1、n=100，xmax=54，xmin=162、取 k=9，得d=4.75，取d=5各组组界 及各组中心值3、数据整理（表3-4）4、绘直方图（3-53图）,6、分析1）分布（大多数尺寸居中）。2）分散范围（分散范围略大于公差值）。3）分散中心与公差带中心Am基本重合。2022/10/28（二）理论分布曲线1、正态分布曲线用调整法加工一批零件，其总和的分布符合正态分布图354曲线方程 两个基本参数：总体的算术平均值 标准差有限样本时的参数：用 代替 ，用 S 代替 ，、S 有限样本的算术平均值和标准差2022/10/28曲线特性1、曲线呈钟形对称分布，x=为对称轴2、在 x=处有（尺寸在附近集中分布）3、X=处有拐点4、x轴为曲线渐近线，远离处的工件是极少数。5、曲线的位置和形状与曲线参数关系值确定曲线位置：不变，改变曲线沿x轴平移。图3-55a2022/10/28值决定曲线的形状：（设不变，改变）Ymax，曲线陡直凸起。（尺寸分布集中，加工精度高）Ymax，曲线平坦，（尺寸分散宽，加工精度低）2022/10/28 =1，=0时,称为标准正态分布.、取不同值时,通过公式：变换为标准正态公布.故可以利用标准正态分布的函数值，求出各种正态分布的函数值。区间（，）公式中：1即代表工件总数100%2022/10/286、曲线的面积(由曲线方程沿x轴方向积分获得)区间（x，）令 则有 对应不同的z值，可求出F（z），F（z）值见表3-52022/10/287、代表工件的分布当z=3，即在=3时 2F（z）=99.730.27%在3以外，0.27%，可以忽略,一般取正态分布的分散范围3代表工件总数100%，即3原则。8、工件的合格率和废品率，公差宽带度为T，在T内的曲线面积为合格率，超出T的曲线面积为废品率 当与公差带中心A m重合时，则6T时无废品（废品率0.27%）2022/10/281、非正态公布由于加工中的一些特殊因素的影响，分布曲线有时呈非正态分布，1）双峰或多峰多次调整尺寸误差引起。2）平顶刀具磨损3）不对称试切法4）瑞利分布端跳、经跳 非对称分布时的分散范围T=6/k 非对称分布时的总体分散中心 (表3-6)偏移：2022/10/282022/10/28（三）分布图分析法的应用 1、判断加工误差性质 分散中心。其与公差带中心的偏移，即代表常值系统误差。（存在变值系统误差时，曲线呈非正态分布。）尺寸分散范围。分散范围即代表随机误差大小。2、确定工序能力及其等级。工序能力系统处于稳定工件状态时，加工误差的正常波动幅度。2022/10/28工序能力系数CpCp=共分5级，表3-7Cp1,满足加工精度要求且有余地，太高不经济。Cp=1时，刚满足，须注意。Cp1，有废品，须改进工艺。一般有Cp不低于二级。3、估算合格率和不合格率4、制定各种加工方法的经济加工精度标准。2022/10/28例题：D=12，实测并统计计算有：尺寸分布符合正整分布，分析加工精度。解：1）作图表示6、dM（平均尺寸）、T（公差）及dmax和dmim 2)工序能力系数 Cp=0.91,不足会有废品。3）不合格率Q曲线分左右两部分计算。2022/10/282022/10/28Amin（分散范围内最小尺寸）dmin，即在公差范围内，无废品，右半边在公差带内的曲线面积为 查F=47.72不合格率Q=0.5-0.4772=2.28%3)改进:清除系统常值误差(=dM=0.0035mm)提高工艺系统的精度、刚度等。2022/10/28分布图分析法的不足 不能反映误差的变化趋势，不能区分随机误差和变值系统误差。例如：刀具均匀磨损产生H，随机误差6 统计后产生6统=6+H 不能在加工过程中提供资料，不便进行实时控制。三、点图分析法 系统的精度和系统的稳定性用点图来评价。系统在稳定的状态下，判定随机误差的正常波动范围。2022/10/28（一）单值点图作图：按加工顺序测量工件，以工件的长为横会标，以工件尺寸的纵坐标。点图中变系和随的表示。图（二）图（样组点图之一）1、采样和作图 按时间先后，随机抽取n(n=210)个零件为一个小样本组，统计出：1）小样本组的平均值2）小样本组的极差2022/10/282022/10/28 图推断瞬时的总体加工质量 横坐标小样本的组序号（时间）纵坐标 2、图与总体系统误差和随机误差的关系 1）由概率论可知：当总体的分布为正态分布时，也为正态分布，分散范围为 且：即：2022/10/282）不呈正态分布当n 10时，的分布比较接近正态分布，可以按统计方式取 的分散范围为 均值，标准差，且有:d常数（见表38）2022/10/28 同时由统计数理可知，总体分布的情况可以用小样本的分布情况估算；即：其中：控制图反映加工中的系统误差。控制图反映加工中的随机误差。2022/10/283、图上下控制线及判别标志 中线：1）图上下控制线:常值A2表3-82）R图常数 D1、D2表3-82022/10/28第六节第六节 保证和提高加工精度的途径保证和提高加工精度的途径一、误差预防技术一、误差预防技术（一）先进的工艺与设备（二）直接消除误差例：车细长轴，跟刀架，反向进给，f，Kr，弹性顶尖等。（图364）（三）误差转移例：转塔车床刀架转位精度，镗模加工箱体孔系等（图365）。（四）其它2022/10/28二、误差补偿技术1、在线检测及补偿2、偶件自动配磨（图367、8）3、积极控制主要误差，例如：母丝杆，加工丝杆的温度变动2C。第七节加工误差综合分析实例第七节加工误差综合分析实例1、误差情况调查2、误差情况分析 直方图、图、因果分析图（鱼骨刺图）。3、论证4、验证2022/10/282022/10/282022/10/28第三章作业第三章作业 35 37 310 39 317 321 2022/10/28