第九次机械加工精及其控制.pptx

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1、1机械加工质量机械加工质量 尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量加工质量图4-1 加工质量包含的内容第1页/共85页2机械加工质量机械加工质量 加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。加工精度与经济性与使用要求间是有关系的。加工质量取决于工件和刀具在切削运动过程中相互位置关系。加工质量取决于工件和刀具在切削运动过程中相互位置关系。在机械加工时，机床、刀具、夹具和工件构成一个完整的系在机械加工时，机

2、床、刀具、夹具和工件构成一个完整的系统，称之为统，称之为工艺系统工艺系统工艺系统工艺系统。加工精度问题也就是工艺系统问题，或者说工艺系统是因，加工精度问题也就是工艺系统问题，或者说工艺系统是因，而精度问题是果，因此也把工艺系统的误差称为而精度问题是果，因此也把工艺系统的误差称为“原始误差原始误差”的由来。的由来。研究加工精度的目的，就是弄清原始误差与加工精度影响规研究加工精度的目的，就是弄清原始误差与加工精度影响规律，进而控制使其达到精度要求，找到提高精度之途径。律，进而控制使其达到精度要求，找到提高精度之途径。第2页/共85页3误差敏感方向误差敏感方向 图图4-44-4：RYRRR=X（4-

3、1）（4-2）显然：工艺系统原始误差方向不同，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。对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。称为误差敏感方向。误差敏感方向一般为已加工误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。表面过切削点的法线方向。图4-4 误差敏感方向YR0Xa）YR0Xb）误差敏感方向误差敏感方向第3页/共85页4 引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。影响加工精度的因素影响加工精度的因素 原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)

4、原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具静止状态下的误差工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差原始误差原始误差原始误差分类原始误差分类图4-5 原始误差构成第4页/共85页5研究加工质量的方法研究加工质量的方法 分析研究某一确定因素对加工精度或表面质量的影响，一般不考虑其它因素的同时作用。具体分析时，可用理论方法：运用物理学和力学原理，进行纯理论计算；也可用试验方法：通过试验或测试，确定影响因素与加工质量指标之间的关系。根据生产中一批工件的实测结果为基础，运用数理

5、统计原理和方法进行数据处理，对工艺过程进行分析和控制。出现偏离时，从统计中判断性质，找出环节，解决问题。单因素分析方法单因素分析方法统计分析法统计分析法实际生产中，通常结合使用，统计分析找原因，实际生产中，通常结合使用，统计分析找原因，单因素试验解决问题。单因素试验解决问题。第5页/共85页6机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Machining Quality4.2 工艺系统原始误差对工艺系统原始误差对加工精度的影响加工精度的影响Geometric Precisions of Technological System and its i

6、nfluence to machining Precision第6页/共85页7加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。加工原理误差加工原理误差 式中 R 球头刀半径；h 允许的残留高度例例2：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮模数铣刀成形铣齿轮，同！例例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图4-6)SRh图4-6 空间曲面数控加工加工原理误差加工原理误差用直线插补的原理加工曲线是存在原理误差的用直线插补的原理加工曲线是存在原理误差的存在的合理性在于，往往带来很多好处，简化机床结构或刀具存在的合理性在于，往往带来很多好处，简化机床结构或刀具形状或提高效率

7、，只要原理误差小于形状或提高效率，只要原理误差小于101015%15%公差值就是允许的公差值就是允许的第7页/共85页8主轴误差主轴误差 主轴回转误差是指主轴实主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线际回转线对其理想回转轴线的漂移。的漂移。为便于研究，可将主轴回为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式（图基本型式（图4-74-7）。）。b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动图4-7 主轴回转误差基本形式主轴回转误差主轴回转误差第8页/共85页9主轴误差主轴误差 主轴回转误差对加工精度的影响 主轴径向圆

8、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X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图4-8 径向跳动对镗孔精度影响式中 R 刀尖回转半径；主轴转角。（4-4）显然，式（4-4）为一椭圆。第9页/共85页10图4-9 径向跳动对车外圆精度影响12345678主轴误差主轴误差 仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X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（图4-9）。思考：主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率为主轴转速两倍，被车外圆形状如何？结结论论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差e 主轴径向

9、圆跳动对加工精度的影响（车外圆）第10页/共85页11主轴误差主轴误差 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；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。加工螺纹时，产生螺距周期性误差。主轴倾角摆动对加工精度的影响与与主主轴轴径径向向跳跳动动影影响响类类似似，不不仅仅影影响响圆圆度度误误差差，而且影响圆柱度误差。而且影响圆柱度误差。第11页/共85页12影响主轴回转精度因素影响主轴回转精度因素 影响主轴回转精度的主要因素轴承误差轴承误差轴承间隙轴承间隙与轴承配合件的误差与轴承配合件的误差主轴系统径向不等刚度主轴系统径向不等刚度主轴热变形主轴热变形主轴

10、转速主轴转速第12页/共85页13AB主轴影响因素分析主轴影响因素分析 影响主轴回转精度的主要因素内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差图4-10 轴径不圆引起车床主轴径向跳动 滑动轴承镗床镗床（图（图4-114-11）轴承孔轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动不圆引起镗床主轴径向跳动图4-11 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动 滚动轴承车床车床（图（图4-104-10）轴径不轴径不圆引起车床主轴径向跳动（注圆引起车床主轴径向跳动（注意其频率特性）意其频率特性）静静压压轴轴承承 对对轴轴承承孔孔或或轴径圆度误差起轴径圆度误差起均化均化作用作用第13页/共85页14主轴影响因素分析主轴影响因素分析 影响

11、主轴回转精度的主要因素 推力轴承滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差（图4-12）其他因素轴承孔、轴径圆度误差；轴承孔同轴度误差；轴肩、隔套端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差；装配质量等a）b）0图4-12 止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响第14页/共85页15提高主轴回转精度措施提高主轴部件制造精度对滚动轴承进行预紧尽量不使主轴回转误差不反映（传导）到工件上第15页/共85页16导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差包括：导轨在水平面内的直线度，导轨在垂直面内的直线度，前后导轨平行度（扭曲），导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等。导轨导向误差对加工精度的影响 导轨水平

12、面内的直线度误导轨水平面内的直线度误差差,误差敏感方向误差敏感方向,影响显著影响显著 导轨垂直面内的直线度误导轨垂直面内的直线度误差差,误差非敏感方向误差非敏感方向,影响小影响小 导轨扭曲对加工精度的影导轨扭曲对加工精度的影响响,影响显著（图影响显著（图4-154-15）X图4-15 导轨扭曲引起的加工误差HRDBXY（4-5）机床导轨导向误差机床导轨导向误差 导轨导向误差导轨导向误差第16页/共85页17 导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响机床导轨误差机床导轨误差 图4-16 成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响fZzzc）HyR0fXZ

13、LfdDdxa）b）第17页/共85页18 影响导轨导向精度的主要因素影响机床导轨精度的主因素影响机床导轨精度的主因素 机床制造误差机床制造误差机床安装误差（往往是主因素，特别是长度较长的龙门刨、机床安装误差（往往是主因素，特别是长度较长的龙门刨、铣和导轨磨床）铣和导轨磨床）导轨磨损：全长上各段是不等的。卧车一年可磨导轨磨损：全长上各段是不等的。卧车一年可磨0.04mm0.04mm还有加工中的力、热的影响还有加工中的力、热的影响第18页/共85页19提高导轨精度的措施设计与制造：结构、材料、润滑、防护等提高导向精度安装时：保地基、找水平使用时：调整导轨配合间隙，注意润滑与保护第19页/共85页

14、20机床传动链误差机床传动链误差 2 2、产生误差之原因、产生误差之原因传动链的传动误差：内链中首末两端传动元件间相对运动的传动链的传动误差：内链中首末两端传动元件间相对运动的误差。一般用转角误差来衡量误差。一般用转角误差来衡量加工螺纹、齿轮、蜗轮及其它按展成法原理加工要素影响精加工螺纹、齿轮、蜗轮及其它按展成法原理加工要素影响精度的重要来源度的重要来源1 1、机床传动链精度分析、机床传动链精度分析各传动件的制造误差（主要是影响运动精度的误差）各传动件的制造误差（主要是影响运动精度的误差）装配误差（偏心）装配误差（偏心）磨损磨损第20页/共85页21 机床传动误差对加工精度的影响图4-17 齿

15、轮机床传动链z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd（4-6）以齿轮机床传动链为例：式中 n 传动链末端元件转角误差；kj 第j 个传动元件的误差传递系数，表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度，其数值等于该元件至末端元件的传动比；n 传动链末端元件角速度；j 第j 个传动元件转角误差的初相角。机床传动链误差机床传动链误差 第21页/共85页22 缩短传动链长度缩短传动链长度 提高末端元件的制造精度与安装精度提高末端元件的制造精度与安装精度 采用降速传动（特别是最后一环，削弱了前面的误差）采用降速传动（特别是最后一环，削弱

16、了前面的误差）采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节 采用校正装置，对传动误差进行补偿采用校正装置，对传动误差进行补偿末端元件转角误差图4-18 传动链误差的频谱分析a)nA1A2Aib)（频率）A（幅值）12i 提高传动精度措施提高传动链精度措施提高传动链精度措施 第22页/共85页23刀具与夹具误差刀具与夹具误差 定尺寸刀具（钻头、定尺寸刀具（钻头、绞刀等）尺寸误差影响绞刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差加工尺寸误差成形刀具和展成刀具成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状形状误差影响加工形状误差误差刀具磨损影响加工尺刀具磨损影响加工尺寸误差或形

17、状误差寸误差或形状误差刀具误差刀具误差第23页/共85页24刀具与夹具误差刀具与夹具误差 L0.056F710F7k620H 7g 6YZ图4-19 钻径向孔的夹具 夹具误差影响加工位置精度。夹具误差影响加工位置精度。与夹具有关的影响位置误差因与夹具有关的影响位置误差因素包括：素包括：通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。夹具误差夹具误差1）定位误差；2）刀具导向（对刀）误差；3）夹紧误差；4）夹具制造误差；5）夹具安装误差；第24页/共85页25调整误差调整误差 第25页/共85页26调整误差调整误差 第26页/共85页27a）调整误差调整误差 测量误差。测量误差。试切时

18、与正式切削时切削厚度不同试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差。造成的误差。机床进给机构的位移误差（爬行）机床进给机构的位移误差（爬行）定程机构误差。定程机构误差。样件或样板误差。样件或样板误差。测量有限试件造成的误差。测量有限试件造成的误差。和试切法有关的误差。和试切法有关的误差。b）图4-20 试切法与调整法调整法调整法试切法试切法 用一小段的合格代替后面加工部分的合格用一小段的合格代替后面加工部分的合格第27页/共85页284.3 工艺系统受力变形对工艺系统受力变形对加工精度的影响加工精度的影响Static Stiffness of Technological System and i

19、ts influence to machining Precision第28页/共85页29切削中的力：切削力、夹紧力、重力等作用在工艺系统中的各个环节，均产生变形而形成综合的误差，使开始的静态位置发生变动且在加工过程中还在不规则的变动。力引起的变形通常是弹性范畴，也只能限定在弹性范围抵抗变形的能力用工艺系统刚度来衡量：在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比。基本概念基本概念 切削受力与工艺系统刚度切削受力与工艺系统刚度第29页/共85页30在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比基本概念基本概念 工艺系统刚度工艺系统刚度（4-7）式中 k工艺系统刚度；Fp吃刀抗力；X 艺系

20、统位移（切削合力作用下的位移）。第30页/共85页31基本概念基本概念 （4-8）式中 k 工艺系统刚度；kjc 机床刚度；kjj 夹具刚度；kd 刀具刚度；kg 工件刚度。工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加。由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：工艺系统刚度计算工艺系统刚度计算第31页/共85页32 机床变形引起的加工误差工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 式中 Xjc 机床总变形；Fp 吃刀抗力；ktj 机床前顶尖处刚度；kwz 机床后顶尖处刚度；kdj 机床刀架刚度；L 工件全长；Z 刀尖至工件左端距离。（4-9）图4-21 变

21、形随受力点变化规律XtjXwzXdjXFpAABBCCZLFAFBXz切削力作用点位置变化引起工件形状误差切削力作用点位置变化引起工件形状误差第32页/共85页33工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 工件加工后成鞍形（图工件加工后成鞍形（图4-224-22）图4-22 机床受力变形引起的加工误差（5-10）工件变形引起的加工误差式中 Xg 工件变形；E 工件材料弹性模量；J 工件截面惯性矩；Fp，L，Z 含义同前。由于工件变形，使工件加由于工件变形，使工件加工后成鼓形（图工后成鼓形（图4-234-23）图4-23 工件受力变形引起的加工误差第33页/共85页34（4-11

22、）机床变形和工件变形共同引起的加工误差 工艺系统刚度（4-12）工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 第34页/共85页35 以椭圆截面车削为例说明（图以椭圆截面车削为例说明（图4-244-24）图4-24 误差复映现象ap11ap22毛坯外形工件外形由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 切削力大小变化引起的加工误差切削力大小变化引起的加工误差 误差复映误差复映第35页/共85页36 误差复映系数误差复映系数机械加工中，误差复映系数通常小于1。可通过多次走刀，消除误差复映的影响。（

23、4-15）工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 误差复映程度可用误差复映系数来表示，误差复映系数与系统刚度成反比。由式（4-13）可得：（4-14）第36页/共85页37夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差 夹紧力影响a）b）图4-25 薄壁套夹紧变形图4-26 薄壁工件磨削【例1】薄壁套夹紧变形 解决：加开口套【例2】薄壁工件磨削 解决：加橡皮垫工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 第37页/共85页38图4-27 龙门铣横梁变形【例】龙门铣横梁图4-28 龙门铣横梁变形转移图4-29 龙门铣横梁变形补偿

24、 重力影响工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 解决1：重量转移 解决2：变形补偿第38页/共85页39 传动力与惯性力影响 理论上不会产理论上不会产生圆度误差（但生圆度误差（但会产生圆柱度误会产生圆柱度误差）差）易会引起强迫易会引起强迫振动振动工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 图4-30 传动力对加工精度的影响zlRXYFpFcFcdFcdxra）OOr0XYFpAFcdrcd=Fcd/kcOFcFc/kcFp/kcb）O第39页/共85页40图4-31 车床刀架变形曲线X（m）10203040500123F（KN）机床部件刚度及其影响机床部件刚度

25、及其影响因素v 非线形关系，不完全是弹性变形v 加载和卸载曲线不重合，所围面积表示克服摩擦和接触塑性变形所作功v 存在残余变形，反复加载卸载后残余变形0v 机床部件刚度比按实体估算值小许多，表明其变形受多种因素影响机床部件变形曲线机床部件变形曲线第40页/共85页41机床部件刚度及其影响机床部件刚度及其影响因素组成件的实体刚度组成件的实体刚度 受力产生拉伸、压缩、弯曲变形；受力产生拉伸、压缩、弯曲变形；特别是薄弱件（楔条、轴套等）影响较大特别是薄弱件（楔条、轴套等）影响较大连接表面接触变形连接表面接触变形 其大小与接触面压强有关其大小与接触面压强有关结合面间隙结合面间隙零件表面摩擦力的影响零件

26、表面摩擦力的影响影响机床部件刚度因素影响机床部件刚度因素图4-31 接触变形曲线xOpppxx第41页/共85页42减小受力变形对加工精度影响措施减小受力变形对加工精度影响措施v合理设计零部件结构和截面形状v提高连接表面接触刚度（表面粗糙度，改进接触质量，予加载荷）v采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）图4-33 支座零件不同安装方法图4-32 转塔车床导向杆提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度减小载荷及其变化减小载荷及其变化v采用合理装夹和加工方式图4-28，4-29，4-56，4-58 变形转移、补偿和校正变形转移、补偿和校正第42页/共85页43工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的

27、变形图4-34 铸件残余应力引起变形图4-35 冷校直引起的残余应力压拉加载压压拉拉卸载v 设计合理零件结构v 粗、精加工分开v 避免冷校直v 时效处理残余应力来源残余应力来源v 毛坯制造和热处理产生的残余应力（图4-34）减小残余应力措施减小残余应力措施v 冷校直带来的残余应力（图4-35）v切削加工带来的残余应力第43页/共85页444.4 工艺系统热变形及其对加工艺系统热变形及其对加工精度的影响工精度的影响Heat Deformation of Technological System and its Effect to machining Precision第44页/共85页45概述概

28、述 在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约4070%。v 温度场工艺系统各部分温度分布v 热平衡单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上v温 度场与热平衡研究目前以实验研究为主工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热源辐射热工艺系统热变形工艺系统热变形工艺系统热源工艺系统热源温度场与工艺系统热平衡温度场与工艺系统热平衡第45页/共85页46机床热变形对加工精度影响机床热变形对加工精度影响 v 体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长v 结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著运转时间/h0 1 2 3 450

29、150100200位移/m20406080温升/YX前轴承温升图4-36 车床受热变形a）车床受热变形形态b）温升与变形曲线机床热变形特点机床热变形特点车床热变形车床热变形（图4-36）第46页/共85页47机床热变形对加工精度影响机床热变形对加工精度影响 v 立铣（图a）图4-37 立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形a）铣床受热变形形态b）外圆磨床受热变形形态c）导轨磨床受热变形形态v 外圆磨（图b）v 导轨磨（图c）其他机床热变形其他机床热变形（图4-37）第47页/共85页48刀具和工件热变形对加工精度影响刀具和工件热变形对加工精度影响 体体积积小小，热热容容量量小小，达到热平衡时间较

30、短达到热平衡时间较短 温温升升高高，变变形形不不容容忽忽视（达视（达0.03 0.03 0.05mm0.05mm）特点 变形曲线（图4-38）（4-16）式中 热伸长量；max 达到热平衡热伸长量；切削时间；c 时间常数（热伸长量为热平衡热伸长量约63%的时间，常取34分钟）。(min)图4-38 车刀热变形曲线连续切削升温曲线冷却曲线间断切削升温曲线（m）maxb0c0.63max刀具热变形刀具热变形第48页/共85页49 圆柱类工件热变形 5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性式中 L，D 长度和直径热变形量；L，D 工件原有长度和直径；工件材料线膨胀系数；t 温升。长度：长度：（4

31、-17）（4-18）直径：直径：例：长例：长400mm400mm丝杠，加工过程温升丝杠，加工过程温升1 1，热伸长量为：，热伸长量为：刀具和工件热变形对加工精度影响刀具和工件热变形对加工精度影响 工件热变形工件热变形第49页/共85页50式中 X 变形挠度；L，S 工件原有长度和厚度；工件材料线膨胀系数；t 温升。（5-19）板类工件单面加工时的热变形（图4-39）图4-39 平面加工热变形X/4LS此值已大于精密导轨平直度要求结结果果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。例例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：刀具和工件热变形

32、对加工精度影响刀具和工件热变形对加工精度影响 第50页/共85页51减小热变形对加工精度影响的措施减小热变形对加工精度影响的措施 例例1：磨床油箱置于床身内，其发热使导轨中凹解决解决：导轨下加回油槽图4-40 平面磨床补偿油沟例例2：立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾。解解决决：采用热空气加热立柱后壁（图4-41）。图4-41 均衡立柱前后壁温度场v 减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。v 充分冷却和强制冷却。v 隔离热源。减少热源发热和隔离热源减少热源发热和隔离热源均衡温度场均衡温度场第51页/共85页52图4-43 支承距影响热变形L1L2v 热对称结构v 热补偿结构（图4-42，主轴热

33、补偿）图4-42 双端面磨床主轴热补偿1主轴 2壳体 3过渡套筒热伸长方向v 合理选择装配基准（图4-43）v高速空运转v人为加热v 恒温v 人体隔离采用合理结构采用合理结构减小热变形对加工精度影响的措施减小热变形对加工精度影响的措施 加速达到热平衡加速达到热平衡控制环境温度控制环境温度第52页/共85页534.6 提高加工精度的途径提高加工精度的途径Methods of ImprovingMachining Precision第53页/共85页54误差预防误差预防 合合理理采采用用先先进工艺和设备进工艺和设备 误差预防指减小原始误差本身或减小原始误差的影响 减小原始误差减小原始误差 转转 移

34、移 原原 始始 误误差（图差（图4-534-53）a）b）图4-53 转塔车床刀架转位误差的转移 误差分组误差分组 就地加工就地加工 均均 化化 原原 始始 误误差差，如如研研磨磨加加工工、易易位位加加工工（图（图4-544-54）图4-54 易位法加工时误差均化过程360工件转角累积误差1l1l22第54页/共85页55误差补偿误差补偿 在线测量与在线补偿（在线测量与在线补偿（图4-55）指人为引入附加误差因素，以抵消或减小原始误差的影响图4-55 高压油泵偶件自动配磨装置示意图柱塞销柱塞第55页/共85页56图4-56 丝扛加工误差补偿装置1 工件 2 螺母 3 母丝杠 4 杠杆 5 校正

35、尺 6 触头 7 校正曲线 附加位移螺母附加转动误差补偿误差补偿 采用校正装置（采用校正装置（图4-56）第56页/共85页57图4-57 以弹性变形补偿热变形v 以弹性变形补偿热变形（图4-57）其他补偿方法其他补偿方法图4-59 以热变形补偿热变形图4-58 龙门铣横梁变形补偿附加夹紧力v 以热变形补偿热变形（图4-59）v 以几何误差补偿受 力 变 形（图 4-58）误差补偿误差补偿 第57页/共85页584.7 影响加工表面粗糙度影响加工表面粗糙度的工艺因素的工艺因素Technological Factors Influencing Roughness第58页/共85页59切削加工表面

36、粗糙度影响因素切削加工表面粗糙度影响因素 图4-60 车削时残留面积的高度直线刃车刀（图直线刃车刀（图4-60a4-60a）（4-31）圆弧刃车刀（图圆弧刃车刀（图4-60b4-60b）（4-32）影响因素：影响因素：frRmaxvfrb）Rmaxfa）vf切削残留面积切削残留面积第59页/共85页60 切切削削速速度度影影响响最最大大：v v=101050m/min50m/min范范围围，易易产产生生积积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图5-535-53）。其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等图4-61 切削4

37、5钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m）0200400600hKsRz切削加工表面粗糙度影响因素切削加工表面粗糙度影响因素 切削表面塑性变形和积屑瘤切削表面塑性变形和积屑瘤第60页/共85页61v 砂轮速度v，Rav 工件速度vw，Ra v 砂轮纵向进给f，Ra v 磨削深度ap，Ra 图4-62 磨削用量对表面粗糙度的影响vw=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm

38、)v(m/s),vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素 磨削用量影响磨削用量影响 图4-63 光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)v光磨次数，Ra第61页/共85页62v 砂轮粒度，Ra；但要适量v 砂轮硬度适中，Ra；常取中软v 砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织v 采用超硬砂轮材料，Ra v 砂轮精细修整，Ra 磨削加工表面粗糙度影响

39、因素磨削加工表面粗糙度影响因素 砂轮影响砂轮影响其他影响因素其他影响因素v 工件材料v 冷却润滑液等第62页/共85页63小结影响因素众多有的工艺系统本身制造精度本身引起有的是加工过程力、热引起不同误差引起的处理方法是不同的分析影响因素是异常艰难分析过程需要一些统计数据，用一些分析方法才能辨别第63页/共85页64作业P95 1、2、3、12第64页/共85页65第65页/共85页66机械制造技术基础机械制造技术基础 第4章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Machining Quality4.8 影响表层金属力学物理影响表层金属力学

40、物理性能的工艺因素性能的工艺因素Technological Factors Influencing Physics Properties of Surface Layer第66页/共85页67影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素 切削加工切削加工 f f，冷硬程度，冷硬程度(图图4-64)4-64)切削用量影响 刀具影响 r r ，冷硬程度，冷硬程度 其他几何参数影响不明显其他几何参数影响不明显 后后刀刀面面磨磨损损影影响响显显著著（图图4-654-65）00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f =0.12

41、0.2(mm/z)图4-65 后刀面磨损对冷硬影响 工件材料 材料塑性材料塑性，冷硬倾向，冷硬倾向 切切削削速速度度影影响响复复杂杂（力力与与热综合作用结果）热综合作用结果）切削深度影响不大切削深度影响不大图4-64 f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：45第67页/共85页68磨削速度磨削速度冷硬程度冷硬程度（弱化作用加强）（弱化作用加强）工件转速工件转速冷硬程度冷硬程度 纵向进给量影响复杂纵向进给量影响复杂磨削深度磨削深度冷硬程度冷硬程

42、度（图（图4-664-66）磨削用量 砂轮 砂轮粒度砂轮粒度冷硬程度冷硬程度 砂轮硬度、组织影响不显著砂轮硬度、组织影响不显著工件材料 材料塑性材料塑性 冷硬倾向冷硬倾向 材料导热性材料导热性 冷硬倾向冷硬倾向 图4-66 磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素 磨削加工磨削加工第68页/共85页69影响层金属残余应力的因素影响层金属残余应力的因素 v v残余应力残余应力（热应力（热应力起主导作用，图起主导作用，图4-674-67）切削用量 刀具前角前角+，残余拉应力，残余

43、拉应力 刀具磨损刀具磨损残余应力残余应力 工件材料材料塑性材料塑性残余应力残余应力 铸铸铁铁等等脆脆性性材材料料易易产产生生残残余压应力余压应力图4-68 f 对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 残余应力(Gpa)0.2000.200100200300400距离表面深度(m)f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r仅讨论切削加工 f f残残 余余 应应 力力 （图图 4-4-6868）切削深度影响不显著切削深度影响不显著图4-67 vc 对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：

44、ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc=213m/minvc=86m/minvc=7.7m/min第69页/共85页70磨削烧伤与磨削裂纹磨削烧伤与磨削裂纹 合理选择砂轮合理选择砂轮 合理选择磨削用量合理选择磨削用量 改善冷却条件改善冷却条件工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜磨削烧伤磨削烧伤磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现 图4-69 带空气

45、挡板冷却喷嘴磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削裂纹磨削裂纹第70页/共85页71表面强化工艺表面强化工艺 利利用用淬淬硬硬和和精精细细研研磨磨过过的的滚滚轮轮或或滚滚珠珠，在在常常温温状状态态挤挤压压金金属属表表面面，将将凸凸起起部部分分下下压压下下，凹凹下下部部分分上上凸凸，修修正正工工件件表表面面的的微微观观几几何何形形状状,形形成成压压缩缩残残余余应应力力，提提高耐疲劳强度（图高耐疲劳强度（图4-714-71）利利用用大大量量快快速速运运动动珠珠丸丸打打击击工工件件表表面面,使使工工件件表表面面产产生生冷冷硬硬层层和和 压压 应应 力力,疲疲 劳劳 强强 度度（图图 4

46、-4-7070）喷丸强化喷丸强化图4-71 滚压加工原理图 用用于于强强化化形形状状复复杂杂或或不不宜宜用用其其它它方方法法强强化化的的工工件件，例例如如板板弹弹簧簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等螺旋弹簧、齿轮、焊缝等滚压加工滚压加工图4-70 珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域第71页/共85页72第72页/共85页73第73页/共85页744.9 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动Vibrations in machining Process第74页/共85页75概述概述 机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害v 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度v 影响生产效

47、率 v 加速刀具磨损，易引起崩刃v 影响机床、夹具的使用寿命v 产生噪声污染，危害操作者健康v 工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。v 由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。机械加工过程中振动的类型机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动自由振动强迫振动自激振动第75页/共85页76机械加工过程中强迫振动机械加工过程中强迫振动强迫振动产生原因强迫振动产生原因v 由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起v 强迫振动振源：机外机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内：1）回转零部件质量的不平衡 2）机床传动件的制造误差和缺

48、陷 3）切削过程中的冲击v 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数v 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振v 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。强迫振动的特征强迫振动的特征第76页/共85页77机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动自激振动的概念自激振动的概念 在在没没有有周周期期性性外外力力作作用用下下，由由系系统统内内部部激激发发反反馈馈产生的周期性振动产生的周期性振动 自自激激振振动动过过程程可可用用传传递递函数概念说明（图函数概念说明（图4-724

49、-72）自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动 自自激激振振动动的的频频率率等等于于或或接接近近于系统的固有频率于系统的固有频率 自自激激振振动动能能否否产产生生及及振振幅幅的的大大小小取取决决于于振振动动系系统统在在每每一一个个周周期期内内获获得得和和消消耗耗的的能能量量对对比比情况（图情况（图4-734-73）。）。图4-73 自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图4-72 自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）自激振动的特征自激振动的特征第77页/共85页78 再再生生机机理理：切削过程，由于偶然

50、干扰，使加工系统产生振动并在加工表面上留下振纹。第二次走刀时，刀具将在有振纹的表面上切削，使切削厚度发生变化，导致切削力周期性地变化，产生自激振动 自激振动机理自激振动机理图4-74 再生自激振动原理图f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0y 产生条件（图产生条件（图4-744-74）：a）b）c）系统无能量获得；d）y 滞后于y0，即 0-，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动第78页/共85页79 振振型型耦耦合合机