第10讲 机械加工精度.ppt

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1、机械制第10讲 机械加工精度造工艺机械制造与自动化团队机械制造与自动化团队 史琼艳史琼艳要点contents机械加工精度的基本概念影响加工精度的因素提高加工精度的途径123机械制造工艺10.1 机械加工精度的基本概念 10.1.1 加工精度与加工误差 加工精度：零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数相符合的程度。符合程度越高则加工精度就越高。加工误差：零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度称为加工误差。加工误差的大小表示了加工精度的高低，加工误差是加工精度的度量。两者关系:“加工精度”和“加工误差”是评定零件几何参数准确程度的两种不同概念。加工精度的高低是由加工误

2、差的大小来表示的,保证和提高加工精度问题,实际上是限制和降低误差问题.机械制造工艺10.2 影响加工精度的因素零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统中进行的。工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。原始误差的存在，使工艺系统各组成部分之间的位置关系或速度关系偏离了理想状态，致使加工后的零件产生了加工误差。机械制造工艺 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机械制造工艺 原始误差的分类归纳如下。若原始误差是在加工前已存在，即在无

3、切削负荷的情况下检验的，称为工艺系统静误差；若在有切削负荷情况下产生的则称为工艺系统动误差机械制造工艺10.2.1 加工原理误差 加工原理是指加工表面的形成原理。加工原理误差是-由于采用了近似的切削运动或近似的切削刃形状所产生的加工误差。为了获得规定的加工表面，要求切削刃完全符合理论曲线的形状，刀具和工件之间必须作相对准确的切削运动。但往往为了简化机床或刀具的设计与制造，降低生产成本，提高生产率和方便使用而采用了近似的加工原理，在允许的范围内存在一定的原理误差。机械制造工艺10.2.2 机床误差 机床误差是指在无切削负荷下，来自机床本身制造误差、安装误差和磨损，主要包括主轴回转误差、导轨误差、

4、传动链误差。10.2.2.1 主轴回转误差（1）主轴回转误差的概念理论上机床主轴回转时，回转轴线的空间位置是固定不变的.而实际主轴系统中存在着各种影响因素，使主轴回转轴线的位置发生变化。机械制造工艺 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一致程度.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.主轴回转误差可分为如图 所示的三种基本类型机械制造工艺a)纯径向跳动误差b)纯轴向窜动误差c)纯角度摆动误差机械制造工艺 纯径向跳动：实际回转轴线始终平行于理想回转轴线，在一个平面内作等幅的跳动。镗床的主轴径向跳动造成被加工孔的圆度误差.纯轴向窜动：实际回转轴线始终沿理想回

5、转轴线作等幅的窜动。车削端面时,影响端面垂直度的是主轴轴向窜动误差.纯角度摆动：实际回转轴线与理想回转轴线始终成一倾角，在一个平面上作等幅摆动，且交点位置不变。车外圆时将产生圆柱度误差,镗孔时将成椭圆形.机械制造工艺（2）主轴回转误差对加工精度的影响不同型式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的；而同一类型的回转误差在不同的加工方式中的影响也不相同。如图10.4、10.5、10.6、10.7和表10.1.1所示。主轴回转误差的基本形式车床上车削 镗床上镗削内、外圆 端面 螺纹 孔 端面纯径向跳动 影响极小 无影响 圆度误差 无影响纯轴向窜动 无影响平面度误差 垂直度误差螺距误差 无影响平面度误

6、差 垂直度误差纯角度摆动 圆柱度误差 形响极小 螺距误差 圆柱度误差 平面度误差表10.1 1 机床主轴回转误差产生的加工误差机械制造工艺10.2.2.2 导轨误差 机床导轨是确定机床主要部件的相对位置及运动的基准，导轨误差将直接影响加工精度。(1)导轨在垂直面内的直线度误差卧式车床或外圆磨床的导轨垂直面内有直线度误差Z如图10.9(a)，使刀尖运动轨迹产生直线度误差Z，由于是误差非敏感方向，零件的加工误差RZ22R可忽略不计。而平面磨床、龙门刨床这时是误差敏感方向，所以导轨误差将直接反映到被加工的零件上。注:误差敏感方向-对加工精度影响最大的方向.机械制造工艺图10.9a 导轨在垂直面内直线

7、度误差机械制造工艺(2)导轨在水平面内的直线度误差卧式车床或外圆磨床的导轨水平面内有直线度误差Y如图10.9(b)，将使刀尖的直线运动轨迹产生同样的直线度误差Y，由于是误差敏感方向，工件的加工误差RY，造成零件的圆柱度误差。对平面磨床和龙门刨床，导轨水平方向为误差非敏感方向，加工误差可忽略。机械制造工艺图10.9b 导轨在水平面内直线度误差机械制造工艺（10.3）一般车床H/B2/3，外圆磨床H/B1。因此这项原始误差对加工精度的影响不能忽略。因此加工的工件产生圆柱度误差(鞍形,鼓形,或锥度等)(3)前后导轨的平行度(扭曲)当卧式车床或外圆磨床的前后导轨存在平行度误差(扭曲)时(见图10.10

8、)，刀具和工件之间的相对位置发生了变化，结果引起了工件的形状误差。在垂直于纵向走刀的某一截面内，若前后导轨的平行度误差头Z，则零件的半径误差为：机械制造工艺动画演示机械制造工艺10.2.3 工艺系统的热变形工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热辐射热电机、轴承、齿轮、油泵等工件、刀具、切屑、切削液气温、室温变化、热、冷风等日光、照明、暖气、体温等机械加工过程中，工艺系统在各种热源的影响下，产生复杂的变形，破坏了工件与刀具相对位置和相对运动的准确性，引起加工误差。据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%70%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度，而且还影响加工效率的提高

9、。机械制造工艺10.2.3.l 机床热变形对加工精度的影响机床工作时,由于内、外部热源的影响，温度会逐渐升高，由于机床结构的复杂，热源不同，机床温度场一般都不均匀，使原有的机床精度遭到破坏，引起相应的加工误差。对于车、铣、钻、镗类机床的主要热源是主轴箱。龙门刨床、导轨磨床等大型机床由于它们的床身较长，如果导轨面与底面间有温差，就会产生较大的弯曲变形，从而影响加工精度。机械制造工艺10.2.3.2 刀具的热变形对加工精度的影响刀具热变形的热源是切削热。传给刀具的切削热虽然很少，但刀具质量小，热容量小，所以仍会有很高的温升，引起刀具的热伸长而产生加工误差。某些工件加工时刀具连续工作时间较长，随着切

10、削时间的增加，刀具逐渐受热伸长如图10.22，车刀的热伸长中连续工作曲线A，使加工后的工件产生圆柱度误差或端面的平面度误差。减少热变形的措施：切削区充分冷却（冷却液）、刀具不要过钝、合理选择切削用量和刀具几何参数。机械制造工艺机械制造工艺10.2.3.3 工件的热变形对加工精度的影响工件热变形的热源主要是切削热，对有些大型件、精密件，环境温度也有很大的影响。传入工件的热量越多、工件的质量越小则热变形越大。工件均匀受热，车镗轴套类零件圆柱面，长度及径向受热变形。若在受热时测量达到规定尺寸，冷却后尺寸变小，可能出现尺寸超差。工件均匀受热的变形量可按 L=LT估算。工件不均匀受热，铣、刨、磨平面等，

11、工件单面受热产生弯曲变形磨削细长轴时工件温升逐渐增加。(见图)机械制造工艺机械制造工艺10.2.4 工件残余应力引起的变形 定义：残余应力(又称内应力)是指当外部载荷去除以后，仍然残存在工件内部的应力。它是因为对工件进行热加工或冷加工，使金属内部宏观的或微观的组织发生不均匀的体积变化而产生的。特点：具有残余应力的零件，其内部组织处于一种极不稳定的状态，有着强烈的恢复到无应力状态的倾向，因此不断地释放应力，直到其完全消失为止。在残余应力这一消失过程中，零件的形状逐渐变化，原有的加工精度逐渐丧失。机械制造工艺1)毛坯制造及热处理过程中产生的残余应力在铸、锻、焊及热处理过程中，由于工件各部分不均匀的

12、热胀冷缩以及金相组织转变时的体积改变，工件内部会产生很大的内应力。工件结构越复杂、壁厚相差越大、散热条件越差，内应力就越大。后续加工中再切去金属，工件内部的应力将重新分布，从而导致产生加工误差。残余应力的产生机械制造工艺机械制造工艺2)工件冷校直产生的残余应力 细长轴类零件加工时，通常采用冷校直的方法纠正弯曲变形。冷校直是在原有变形的相反方向加力F，使工件向相反方向弯曲而产生塑性变形，以达到校直的目的。在F力的作用下，工件内部的应力分布如图，当外力去除后残余应力如图，弯曲是消除了，但工件处于一个不稳定的状态。机械制造工艺机械制造工艺 3)机械加工产生残余应力机械加工过程中，由于切削力和切削热的

13、综合作用，使被加工表面产生塑性变形，也能引起内应力，并在加工后引起工件变形。机械制造工艺 10.2.4.2 减少或消除内应力的措施 1)采用适当的热处理.2)给工件足够的变形时间 3)零件结构要合理.机械制造工艺10.3.l 加工误差的分类10.3 加工误差的统计分析加工误差系统误差随机误差常值系统误差变值系统误差 常值系统误差：在连续加工一批零件时，加工误差的大小和方向基本土保持不变，称为常值系统误差。变值系统误差：如果加工误差是按零件的加工次序作有规律变化的，则称之为变值系统误差。随机误差：在连续加工一批零件中，出现的误差如果大小和方向是不规则地变化着的，则称为随机误差。随机误差和系统误差

14、的划分不是绝对的，二者既有区别又有联系。同一原始误差在不同条件下引起的可能是随机误差，也可能是系统误差。机械制造工艺10.3.2 分布曲线法实际分布图直方图 加工一批工件，由于随机性误差的存在，加工尺寸的实际数值是各不相同的，这种现象称为尺寸分散。在一批零件的加工过程中，测量各零件的加工尺寸，把测得的数据记录下来，按尺寸大小将整批工件进行分组，每一组中的零件尺寸处在一定的间隔范围内。同一尺寸间隔内的零件数量称为频数，频数与该批零件总数之比称为频率。以工件尺寸为横坐标，以频数或频率为纵坐标，即可作出该工序工件加工尺寸的实际分布图直方图。连接直方图中每一直方宽度的中点（组中值）得到一条折线，即实际

15、分布曲线。10.3.2.1 正态分布曲线方程实践和理论分析表明，当用调整法加工一批总数极多的而且这些误差因素中又都没有任何优势的倾向时，其分布服从正态分布曲线(又称高斯曲线)。正态分布曲线方程式为：式中Y正态分布的概率密度；正态分布曲线的均值；正态分布曲线的标准偏差（均方根偏差）。理论上的正态分布曲线是向两边无限延伸的，而在实际生产中产品的特征值（如尺寸值）却是有限的。因此用有限的样本平均值和样本标准偏差S作为理论均值和标准偏差的估计值。由数理统计原理得有限测定值的计算公式如下：机械制造工艺10.3.2.2 正态分布曲线的特性曲线对称于直线X,在X处达到极大值，在X处有拐点，当X时曲线以X轴为

16、其渐近线，曲线成钟形。正态曲线的这些特性表明被加工零件的尺寸靠近分散中心(均值)的工件占大部分，而尺寸远离分散中心的工件是极少数，而且工件尺寸大于和小于的频率是相等的。正态分布曲线下的面积A代表了工件(样本)的总数，即100。如果改变参数的值而保持不变，则分布曲线沿着X轴平移而不改变其形状，如图a，决定正态分布曲线的位置。反之，如果使值固定不变，值变化时坝u曲线形状就变化了，如图b。所以正态分布曲线的形状是由标准偏差来决定的，的大小完全由随机误差所决定。联系到加工误差的两种表现特性，显而易见，随机误差引起尺寸分散，常值系统误差决定分散带中心位置，而变值系统误差则使中心位置随着时间按一定规律移动

17、。机械制造工艺分布曲线下所包含的全部面积代表一批加工零件，即100零件的实际尺寸都在这一分布范围内。如图10.27所示C点代表规定的最小极限尺寸Amin，CD代表零件的公差带，在曲线下面C、D两点之间的面积代表加工零件的合格率。曲线下面其余部分的面积（图上无阴影线的部分）则为废品率。在加工外圆时，图上左边无阴影线部分相当于不可修复的废品，右边的无阴影线部分则为可修复的废品；在加工内孔时，则恰好相反。对于正态分布曲线来说，由到X曲线下的面积由式决定。若工件公差为，则：当分散中心与公差带中心重合，不产生废品的条件是 6；当分散中心与公差带中心重合，不产生废品的条件是 6 2系统。尺寸过大或过小的废

18、品率均由下式计算：Q废品率0.5A机械制造工艺 3(或6)在研究加工误差时是一个很重要的概念。6的大小代表了某一种加工方法在规定的条件下所能达到的加工精度，即工艺能力。在实际生产中，常以工艺能力系数Cp。来衡量工艺能力:Cp=/6。工艺能力系数说明了工艺能力满足公差要求的程度。根据工艺能力系数的大小，将工艺分五级：机械制造工艺【例题10.1】检查一批在卧式镗床上精镗后的活塞销孔直径。图纸规定尺寸与公差为，抽查件数n100，分组数k6。测量尺寸、分组间隔、频数和频率见表10.4。求实际分布曲线图、工艺能力及合格率，分析出现废品的原因并提出改进意见。表10.4 活塞销孔直径测且结果组尺寸范围 组中

19、值Xj频数mi频率mi/n1210.992210.994210.993 4 4/1002210.994210.996210.995 16 16/1003210.996210.998210.997 32 32/1004 210.99828.000 210.999 30 30/1005 28.00028.002 28.001 16 16/1006 28.00228.004 28.003 2 2/100解：以组中值Xj代替组内零件实际值，绘制图10.29为实际分布曲线。分散范围=最大孔径一最小孔径 28.04210.9920.012mm；样本平均值（又称尺寸分散范围中心即平均孔径）：公差范围中心 常

20、值系统误差机械制造工艺样本标准差工艺能力系数，二级工艺能力；废品率：由，查表10.3可得A0.3253；所以 实测结果分析：部分工件的尺寸超出了公差范围，有110.47的废品（实际分布曲线图中阴影部分；这批工件的分散范围0.012mm比公差带0015mm小，也就是说实际加工能力比图纸要求的要高：Cp1.11，即6。只是由于有系统0.0054的存在而产生废品。如果能设法将分散中心调整到公差范围中心，工件就完全合格。具体的调整方法是将镗刀的伸出量调短些，以减少镗刀受力变形产生的加工误差。机械制造工艺分布曲线法的应用 判断加工性质 判断是否存在明显变值系统误差，如加工过程中没有明显的变值系统误差，其

21、加工尺寸分布接近正态分布(形位误差除外)；判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小，如果分散中心偏离公差带中心，则工艺系统有常值系统误差。确定工序能力 估算合格品率或不合格品率分布图分析法的缺点 分布图分析法不能反映误差的变化趋势；没有考虑加工先后顺序，难区分随机性误差和变值系统性误差；加工完成统计，不能在过程中起到及时控制质量的作用。机械制造工艺10.3.3 点图法1）个值点图：依次测量每工件尺寸记入横坐标为零件号纵坐标为尺寸的图表中，它能较清楚地揭示出加工过程中误差的性质及其变化趋势。如图。2）均值-极差点图：采用顺序小样本（46），由小样本均值点图和极差点图组成，横坐标为小样本组序

22、号。反映了系统性误差、随机误差及其变化趋。如图。工艺的稳定，从数理统计的原理来说，一个工艺过程的质量参数的总体分布，其平均值 和标准偏差在整个工艺过程中若能保持不变，则工艺是稳定的。机械制造工艺10.4 提高加工精度的途径（1）减少误差法（2）误差补偿法（3）误差分组法（4）误差转移法（5）“就地加工”法（6）误差平均法（7）控制误差法机械制造工艺10.4.1 减少误差法 查明产生加工误差的主要因素后，设法对其直接进行消除或减弱。如细长轴加工用中心架或跟刀架会提高工件的刚度，也可采用反拉法切削，工件受拉不受压不会因偏心压缩而产生弯曲变形，如图10.32、10.33。10.4.2 误差补偿法 误

23、差补偿法是人为地造出一种新的原始误差，去抵消原来工艺系统中存在的原始误差，尽量使两者大小相等、方向相反而达到使误差抵消得尽可能彻底的目的，如图。10.4.3 误差分组法 误差分组法是把毛坯或上工序加工的工件尺寸经测量按大小分为n组，每组尺寸误差就缩减为原来的1/n。然后按各组的误差范围分别调整刀具位置，使整批工件的尺寸分散范围大大缩小。机械制造工艺10.4.4 误差转移法误差转移法是把原始误差从误差敏感方向转移到误差的非敏感方向。如图10.3510.4.5 就地加工法就地加工法是全部零件按经济精度制造，然后装配成部件或产品，且各零部件之间具有工作时要求的相对位置，最后以一个表面为基准加工另一个

24、有位置精度要求的表面，实现最终精加工，这就是“就地加工”法，也称自身加工修配法。“就地加工”的要点，就是要求保证部件间什么样的位置关系，就在这样的位置关系上利用一个部件装上刀具去加工另一个部件。如图10.36机械制造工艺10.4.6 误差平均法10.4.7 控制误差法控制误差法是在利用测量装置加工循环中连续地测量出工件的实际尺寸，随时给刀具以附加的补偿，控制刀具和工件间的相对位置，直至实际值与调定值的差不超过预定的公差为止。误差均分法就是利用有密切联系的表面之间的相互比较和相互修正或者利用互为基准进行加工，以达到很高的加工精度。如“三板互易”、“易位法”等。如图。机械制造工艺机械制造工艺dRR

25、+RRYoDRZ图72 原始误差与加工误差的关系机械制造工艺机械制造工艺 机械制造工艺7-3动画演示机械制造工艺7滑动轴承机械制造工艺 图 动画演示机械制造工艺动画机械制造工艺机械制造工艺图10.5 镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响机械制造工艺机械制造工艺 图10.8 纯角度摆动O工件孔中心线 Om主轴回转中心线机械制造工艺图10.9a 导轨在垂直面内直线度误差机械制造工艺图10.9b 导轨在水平面内直线度误差机械制造工艺动画演示机械制造工艺图10.11 车床导轨与主轴回转轴线在垂直面内的平行度误差产生的加工误差机械制造工艺夹紧变形镗杆变形力作用位置机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺零件表面的接触情况机械制造工艺动画演示机械制造工艺机械制造工艺动画演示机械制造工艺机械制造工艺万能铣床热变形机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺 加工精度与理想零件的符合尺寸、形状、位置精度 加工误差与理想零件的偏离加工精度的另一描述 工艺系统机床、刀具、夹具、工件 原始误差 研究加工精度方法 研究加工精度方法分析计算法统计分析法