机械加工精度.ppt
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1、机械加工精度,概 述,零件的加工质量是保证机械产品工作性能和产品寿命的基础。,衡量进行加工质量的指标有两方面,加工精度表面质量,本章的任务是讨论零件的机械加工精度问题。,一、机械加工精度和加工误差,在机械加工过程中,由于各种因素的影响,使刀具和工件间的正确位置发生偏移,因而加工出来的零件不可能与理想的要求完全符合,两者的符合程度可用机械加工精度和加工误差来表示。,从保证产品的使用性能分析,没有必要把每个零件都加工得绝对准确,可以允许有定的加工误差,只要加工误差不超过图样规定的偏差,即为合格品。,是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。,1、机械加工精度:,2、
2、加工误差:,是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的偏离程度。加工精度越高,则加工误差越小,反之越大。,加工精度的高低是以国家有关公差标准来表示的。保证和提高加工精度实际上就是限制和降低加工误差。,3、机械加工精度包含的内容,尺寸精度形状精度位置精度,机械加工精度,三者之间的关系:,(1)当尺寸精度要求高时,相应的位置精度和形状精度也要求高。形状公差应限制在位置公差内,位置公差应限制在尺寸公差内。,(2)当形状精度要求高时,相应的位置精度和尺寸精度不一定要求高。,4、加工精度与加工成本和生产效率的关系,一般地,加工精度要求,加工成本,生产效率。,5、研究加工精度的目的,
3、研究加工精度的目的、就是弄清各种原始误差对加工精度影响的规律,掌握控制加工误差的方法,以获得预期的加工精度,必要时能指出进一步提高加工精度的途径。,6、研究加工精度的方法,因素分析法统计分析法,在实际生产中,常常结合起来应用。一是先用统计分析法寻找误差的出现规律,初步判断产生加工误差的可能原因,然后运用单因素分析法进行分析、试验,以便迅速、有效地找出影响加工精度的主要原因。,二、影响加工精度的因素,零件的尺寸、几何形状和表面间的相互位置的形成,归根到底取决于工件和刀具在切削过程间的相互位置。由于工艺系统存在各种原始误差,它们以不同的方式和程度反映为加工误差。由此可见:,1、与工艺系统初始状态有
4、关的原始误差,机床夹具刀具工件,亦称机械加工工艺系统,构成了机械加工系统,故:工艺系统误差称为原始误差。,工艺系统误差是“因”,是根源;加工误差是“果”,是表现。,2、与零件加工过程有关的各种原始误差,调整误差定位误差夹紧误差制造误差测量误差因残余应力产生的误差加工原理误差,机加工前,对机床、夹具、刀具调整中;,由切削力、惯性力、刀具磨损、切削热等引起;,工件加工、测量好后;,由于采用了近似的加工方法。,机加工中的原始误差可归纳为:,原始误差,工艺系统,加工过程,工艺系统制造和磨损,工艺系统热效应,机床的制造和磨损夹具的制造和磨损刀具的制造和磨损,工艺系统受力变形工艺系统受热变形工件残余应力变
5、形,调整误差定位误差、夹紧误差制造误差测量误差加工原理误差,三、误差的敏感方向,在加工过程中,各种原始误差的影响会使刀具和工件间正确的几何关系遭到破坏,引起加工误差,各种原始误差的大小和方向各不相同,而加工误差则必须在工序尺寸方向度量。因此不同的原始误差对加工精度有不同的影响。,当原始误差的方向与工序尺寸方向一致时,其对加工精度的影响最大。,下面以外圆车削为例说明两者的关系。,如图,车削时工件的回转轴线为O,刀尖正确位置在A。设某一瞬时由于各种原始误差的影响,使刀尖位移到A,AA即为原始误差,它与OA间的夹角为,由此引起工件加工后的半径由R0OA变为ROA,故半径上的加工误差R 为:,当原始误
6、差的方向恰为加工表面的法向方向(0)时,引起的加工误差最大;,可以看出:,当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向(90)引起的加工误差最小。,把对加工精度影响最大的那个方向称为误差的敏感方向,对加工精度影响最小的那个方向则称为误差的不敏感方向。,加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工而产生的误差。,一、加工原理误差,如:,1、在数控机床上采用“行切法”加工复杂形面。,5.2 工艺系统的几何精度对加工精度的影响,2、车削模数蜗杆,由于蜗杆的螺距等于蜗轮的齿距(即m,其中m是模数,而是一个无理数314159),但是车床配换齿轮的齿数是有限的。因此,在选择配换齿轮时,只能将化
7、为近似的分数值计算,这样就会引起刀具相对工件的成形运动(螺旋运动)不准确,造成螺距误差。但是,这种螺距误差可通过配换齿轮的合理选配而减小。,滚齿加工用的齿轮滚刀有两种误差:一是切削刃齿廓近似造形误差,由于制造上的困难,采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆;二是由于滚刀刀齿数有限,实际上加工出的齿形是一条折线,和理论上的光滑渐开线有差异。,3、滚齿加工,注意:采用近似的成形运动或近似的切削刃轮廓,虽然会带来加工原理误差,但往往可简化机床或刀具的结构,提高生产效率,有时反而能得到较高的加工精度。因此,只要刀具误差不超过规定的精度要求、在生产中仍能得到广泛的应用。,二、调整误差,
8、在机械加工的每一工序中。总是要对工艺系统进行这样或那样的调整工作不可能绝对地准确,因而产生调整误差。,工艺系统的调整的基本方式,(1)试切法调整(2)调整法调整,(1)试切法调整,1)测量误差。由量具本身精度度、测量方法及使用条件引起。2)进给机构的位移误差。在微量调整刀具的位置、低速微量进给中,常常出现进给机构的“爬行”现象,其结果使刀具的实际位移与刻度盘上的数值不一致、造成加工误差。3)试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响。精加工时,切削刃只起挤压作用而不起切削作用,但正式切削时的深度较大工件。,应用:单件小批生产中。,方法:对工件进行试切测量调整再试切,直到达到要求的精度为止。,这时,
9、引起调整误差的因素有:,(2)调整法调整,影响调整精度的因素有:,1)上述影响试切法调整精度的因素,因为采用调整法对工艺系统进行调整时,也要以试切为依据。2)用定程机构调整时,调整精度取决于行程挡块、靠模及凸轮等机构的制造精度和刚度;3)用样件或样板调整时,调整精度取决于祥件或样板的制造、安装和对刀精度;4)工艺系统初调好以后,般要试切几个工件,并以其平均尺寸作为判断调整是否准确的依据。由于试切加工的工件数(称为抽样件数)不可能太多,不能完全反映整批工件切削过程中的各种随机误差,故试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合,也造成加工误差。,三、机床误差,机床的制造误差、安装误差以及使用
10、中的磨损都直接影响工件的加工精度。机床误差可归纳为:,机床导轨导向误差机床主轴回转误差机床传动链的误差,机床误差,1、机床导轨误差,机床导轨误差多达21项。,机床导轨是实现直线运动的主要部件,其制造和装配精度是影响直线运动的主要因素,直接影响工件的加工质量。,机床导轨误差,机床导轨误差多达21项。3 6+3=21。,导轨在水平面内直线度误差导轨在垂直面内直线度误差导轨面间平行度(扭曲)误差导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度误差,(1)直线导轨导向精度的主要内容有:,1)磨床导轨在水平面内直线度误差的影响 引起工件在半径方向上的误差。当磨削长外圆时,造成圆柱度误差。,2)磨床导轨在垂直面内直线度
11、误差的影响 由于磨床导轨在垂直面内存在误差,磨削外圆时,工件沿砂轮切线方向产生位移(误差非敏感方向),此时工件产生圆柱度误差。,对平面磨床、龙门刨床、铣床等法向方向的位移(误差敏感方向),将直接反映被加工件的表面形成的形状误差。,3)导轨面间平行平行度(扭曲)误差的影响 如车床两导轨的平行度误差(扭曲)使床鞍产生横向倾斜,刀具产生位移,因而引起工件形状误差。,4)导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度误差的影响。,造成加工表面下凹。,实际应用中,为防止“扫刀”,往往将主轴与进给方向倾斜一微小角度(30”)。,2、机床主轴的回转运动误差,1主轴回转运动误差的概念,理想回转中心:机床主轴做回转运动时,
12、主轴的各个截面必然有它的回转中心,在主轴的任一截面,主轴回转时若只有一点速度始终为零,则这一点即为理想回转中心。,瞬时回转中心:主轴在实际回转过程中,在一个位置或时刻的回转中心,称为瞬时回转中心,主轴各截面瞬时回转中心的连线叫瞬时回转轴线。,主轴的回转运动误差:是指主轴的瞬时回转轴线相对其平均回转轴线(瞬时回转轴线的对称中心),在规定测量平面内的变动量。变动量越小,主轴回转精度越高;反之越低。,2主轴回转运动误差的形式,端面圆跳动(轴向漂移)径向圆跳动(径向漂移)角度摆动(角向漂移),主轴的回转运动误差的基本形式,注意:实际中常是这几种误差的合成。,端面圆跳动瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴
13、向运动。它主要影响端面形状和轴向尺寸精度。径向圆跳动瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动b。它主要影响圆柱面的精度。角度摆动瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度,但其交点位置固定不变的运动。在不同横截面内,轴心运动误差轨迹相似,它影响圆柱面与端面加工精度。,3.主轴回转误差对加工精度的影响,(1)端面圆跳动,1)对圆柱面的加工,无影响;,2)对加工端面的影响,3)对螺纹加工的影响,如图(a),如图(b),(2)径向圆跳动,使工件产生圆度误差,但影响程度因加工方法的不同而异。如:,1)镗孔时,设原始误差:主轴径向回转误差表现为y向简谐运动。h=Acos,在任一时刻刀尖a的位置为:,
14、分析:这是椭圆的参数方程,加工出的孔呈椭圆形,圆度误差为A。,2)车削时,4.主轴回转运动误差的影响因素,主轴的误差轴承的误差轴承的间隙与轴承配合零件的误差主轴系统的径向不等刚度和热变形等,,影响主轴回转运动误差的主要因素,对于不同类型的机床,其影响因素也各不相同。,4提高主轴回转精度的措施,(1)提高主轴部件的制造精度,首先应提高轴承的回转精度,选用高精度的滚动轴承采用高精度的多油楔动压轴承采用高精度的静压轴承,提高箱体支承孔的加工精度主轴轴颈的加工精度与轴承相配合表面的加工精度,其次应提高轴承组件的接触刚度,常采用两个固定顶尖支承,主轴只起传动作用。工件的回转精度完全取决于顶尖和中心孔的形
15、状误差和同轴度误差,而提高顶尖和中心孔的精度要比提高主轴部件的精度容易且经济得多。,(2)对滚动轴承进行预紧,可消除间隙增加轴承刚度均化滚动体的误差,(3)使主轴的回转精度不反映到工件上,如下图,对滚动轴承适当预紧,微量过盈可使轴承内、外圈和滚动体的弹性变形相互制约,这样既增加轴承刚度,又对滚动体的误差起均化作用,因而可提高主轴的回转精度。,外圆磨床磨削外圆柱面时,采用固定顶尖支承。,在镗床上加工箱体类零件上的孔时,采用前、后导向套的镗模,刀杆与主轴浮动联接,所以刀杆的回转精度与机床主轴回转精度也无关,仅由刀杆和导套的配合质量决定。,三、机床传动链误差,是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间
16、相对运动的误差。,在螺纹加工或用展成法加工齿轮等工件时,必须保证工件与刀具间有严格的运动关系,传动链的传动误差影响其加工精度的主要因素。,1.传动链的传动误差,例如:在该齿机上用单头滚刀加工直齿轮时,要求滚刀与工件之间具有严格的运动关系:滚刀转一转,工件转过一个齿。这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的。,由于各传动件在传动链中所处的位置不同,它们对工件加工精度(即末端件的转角误差)的影响程度是不同的。如传动链是升速传动,则传动元件的转角误差将被扩大;反之,则转角误差将被缩小。,如图所示的机床传动系统,可具体表示为,2传动链误差的传递系数,传动链误差一般可用传动链末端元件的转角误差来衡量
17、。,假设滚刀轴均匀旋转,若齿轮Z1有转角误差1,而其他各传动件无误差,则传到末端件所产生的转角误差1n为:,由于所有的传动件都存在误差,因此,各传动件对工件精度影响的总和为各传动元件所引起末端元件转角误差的叠加:,同理,可求得其它齿轮转角误差i,对末端件所产生的转角误差为in。,如果考虑到传动链中各传动元件的转角误差都是独立的随机变量,则传动链末端元件的总转角误差可用概率法进行估算:,3减少传动链传动误差的措施,1)尽可能缩短传动链;,2)减少各传动元件装配时的几何偏心,提高装配精度;,3)提高传动链末端元件的制造精度;,在一般的降速传动链中,末端元件的误差影响最大。,在传动链中按降速比递增的
18、原则分配备传动副的传动比;传动链末端传动副的降速比取得越大,则传动链中其余各传动元件误差的影响就越小;,4)传动比i应小;,校正装置的实质是在原传动链中人为地加入一误差,其大小与传动链本身的误差相等而方向相反,从而使之相互抵消。,5)采用校正装置,注意:采用机械式的校正装置只能校正机床静态的传动误差。如果要校正机床静态及动态传动误差,则需采用计算机控制的传动误差补偿装置。,6)采用数控技术,如开放式数控系统中的电子齿轮,四、其他几何误差,一般刀具(如普通车刀、单刃镗刀和平面铣刀等)的制造误差,对加工精度没有直接影响。,1、刀具误差,一般刀具定尺寸刀具成形刀具,机加工中常用的刀具有:,定尺寸刀具
19、(如钻头、铰刀、拉刀等)的尺寸误差直接影响加工工件的尺寸精度。刀具在安装使用中不当将产生跳动,也将影响加工精度。,成形刀具(如成形车刀、成形铣刀及齿轮刀具等)的制造误差和磨损,主要影响被加工表面的形状精度。,1)定位元件、刀具导向元件、分度机构和夹具体的制造误差2)夹具元件装配误差3)夹具在长期使用过程中工作表面的磨损,2、工件的装夹误差与夹具制造、磨损,工件装夹误差是指定位误差和夹紧误差。,夹具制造、磨损,上述制造误差及磨损将直接影响加工表面的位置精度或尺寸精度.,1)工件在加工过程中要用各种量具、量仪等进行检验测量,再根据测量结果对工件进行试切或调整机床。2)量具本身的制造误差、测量时的接
20、触力、温度、目测正确程度等,都直接影响加工误差。,3、测量误差,因此,要正确地选择和使用量具,以保证测量精度。,5.3 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,一、基本概念,工艺系统加工中受到的力有:,切削力传动力惯性力夹紧力重力等,工艺系统在这些力的作用下,将产生相应的变形。这种变形将破坏切削刃和工件之间已调整好的正确的位置关系,从而产生加工误差。,例如,1、,(2)在内圆磨床上用横向切入磨孔时,磨出的孔会产生带有锥度的圆柱度误差,如图(b)所示。,(1)车削细长轴时,工件在切削力作用下的弯曲变形,加工后会产生鼓形的圆柱度误差如图(a)所示。,(a),(b),2、工艺系统受力对其性能的影响,是加
21、工中一项很重要的原始误差不仅严重影响工件的加工精度而且还影响加工表面质量限制加工生产率的提高,2、工艺系统受力对其性能的影响,3、工艺系统承受受力变形能力的评价,从材料力学知道,任何一个受力物体总要产生一些变形。物体承受受力变形的能力可由静刚度(简称刚度)来表示。,静刚度可表示为:,切削加工中,在各种外力作用下,工艺系统各部分将在各个受力方向产生相应的变形。,工件和刀具的法向切削分力Fy与在总切削力的作用下,工艺系统在该方向上的相对位移yxt的比值,即:,工艺系统刚度:,对于工艺系统受力变形,主要研究误差敏感方向。因此,工艺系统刚度Axt定义为:,由于法向位移是在总切削力作用下工艺系统综合变形
22、的结果,因此有可能出现变形方向与Fy的方向不一致的情况。当Fy与yxt方向相反时,即出现负刚度。负刚度现象对保证加工质量是不利的,应尽量避免,如图所示。,负刚度现象:,刨削,车削,二、工艺系统刚度的计算,工艺系统的刚度:,yxt=yjc+yjj+yd+yg,而:,工艺系统某点法向总变形,三、工艺系统受力变形对加工精度的影响,在车床顶尖间车削粗而短的光轴,由于车刀和工件变形极小,此时,工艺系统的总变形完全取决于主轴箱、尾座(包括顶尖)和刀架的变形。,1、车短轴,(一)受力点位置变化引起的形状误差,假设车刀进给中切削力不变,则因车床受力变形而使工件呈两端粗,中间细的鞍形.,主轴箱,尾架,刀架,2、
23、车细长轴,在两顶尖间车削细长轴,由于工件细长、刚度小,在切削力作用下其变形大大超过机床、夹具和刀具所产生的变形。因此,机床、夹具和刀具的受力变形可略去不计,工艺系统的变形完全取决于工件的变形。,假设车刀进给中切削力不变,则加工后的工件呈现腰鼓形,工艺系统刚度随受力点位置变化而异的例子很多,例如立式车床、龙门刨床、龙门铣床等的横梁及刀架,大型铣镗床滑枕内的轴等,其刚度均随刀架位置或滑枕伸出长度不同而异,分析时应具体分析。,镗床,铣床,在车床上加工短轴,工艺系统刚度变化不大,可近似地作为常数。这时,由于被加工表面的形状误差或材料硬度不均匀而引起切削力变化、使受力变形不一致而产生加工误差。,(二)误
24、差复映规律,工件后仍有圆度误差,这种现象称为“误差复映”。,以车削为例,工件毛坯存在圆度误差(例如椭圆),如图所示。,由于工件毛坯存在圆度误差,车削时使切削深度在ap1与ap2之间变化。,切削分力f也随切削深度a的变化由最大ymax变到最小ymin,工艺系统将产生相应的变形,1、误差复映,2、误差复映系数,毛坯圆度的最大误差,车削后工件的圆度误差,称为误差复映系数,而,又,所以,则:,定义:,复映系数定量地反映了毛坯误差经过加工后减少的程度,它与工艺系统刚度成反比,与径向切削力系数A成正比。,可见,要减少工件的复映误差,可增加工艺系统刚度或减少径向切削力系数。,当毛坯误差较大,一次进给不能满足
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