制造工艺机械加工质量.ppt
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1、第七章 机械加工质量,第七章 机械加工质量,对任何一台机器或仪器,为保证它们的使用性能,必然对其组成零件提出许多方面的质量要求。机械加工精度、机械加工表面质量,则是许多质量要求的两个主要方面。 第一节 机械加工精度 一、概述 (一)机械加工精度及加工误差概念 1、加工精度 指零件加工后实际的几何参数(尺寸、形状、相互位置)与理想零件的几何参数的符合程度。符合程度愈高,加工精度愈高。 2、加工误差 指零件加工后实际的几何参数与理想零件的几何参数的不符合程度。,(二)影响加工精度的主要因素 由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统存在各种误差,这些误差会在不同的具体条件下,以不同的程度反映到加工零件
2、上去,而造成加工误差。这种造成加工误差的工艺系统原有误差,称为原始误差。 造成加工误差的原始误差: 1、原理误差 2、工艺系统的制造误差与磨损 3、工艺系统受力变形产生的误差 4、工艺系统受热变形产生的误差 5、测量误差与调整误差,二、影响加工精度的误差因素 (一)原理误差 指采用了近似的加工方法,所产生的误差。 如:1、滚齿,由于滚刀的刀刃数有限,加工出来的齿轮齿形是有限个刀刃切成的折线;另,由于滚刀制造困难,采用阿基米德基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆,由此产生的加工误差,则属于原理误差。 2、成形法铣齿,由于铣刀分八个刀号,每一个刀号在相应组内齿数最少的可获得精确地齿形,其它齿数只能获得近似的
3、齿形。因此,铣齿产生的加工误差也属于原理误差。 (二)工艺系统的制造误差与磨损对加工精度的影响 1、机床制造误差与磨损的影响,1)机床主轴的回转误差 机床工作时,由于主轴部件在制造、装配过程中,存在各种误差,使得主轴回转轴线的空间位置在每一瞬间都处于变动状态,而产生回转误差。如图7-1所示: (1)主轴的回转误差的三种基本形式 径向跳动-瞬时回转轴线沿平均回转轴线的径向跳 动运动。 轴向窜动-瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动。 角度摆动-瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角,但其交点位置是固定不变的运动。,图7-1,(2)主轴回转运动误差概念 指主轴的实际回转轴线相对其平 均回转轴线的
4、变动范围。变动范围愈小,其回转精度愈高。 (3)影响主轴回转运动误差的因素及分析 主要影响因素有:主轴部件各组成零件的制造误差及装配误差;也与加工方法有关。 如:滑动轴承支承的主轴部件如图7-2所示: 对于车磨类机床 主轴所受的切削力方向基本是不变的。切削时,主轴颈被压向轴承孔内表面的某一固定部位,,其主轴颈在转动时,将其轴颈上的圆度误差传递给工件导致在加工的工件上产生相同的圆度误差。而轴承孔内表面的圆度误差对加工精度的影响则极小。,图7-2,对于镗床类机床 主轴轴承孔内表面所受切削力的方向是随镗刀的旋转而变化的。因此,使主轴轴颈上某一固定部位与轴承孔的不同部位相接触,这样,轴承孔的圆度误差将
5、传递给工件,而主轴轴颈的误差则影响不大。 对于滚动轴承支承的主轴部件,其回转精度不仅与滚动轴承本身的精度有关,还在很大程度上与轴承相配合件的精度有关。 (4)主轴回转误差对加工精度的影响 车削:车削时,支承轴颈的圆度误差,会引起主轴的径向跳动,主轴的径向跳动对工件的圆度影响较小;而对工件的径向尺寸则有不同的影响。如图7-3所示:,假定主轴轴心沿Y轴作简谐直线运动,在工件1处(主轴中心偏移最大处)切出的半径比2、4处切出的半径小一个幅值A;而在3处切出的半径比2、4处切出的半径大一个幅值A。那么,1、2、3、4各点的半径均相等,所以,车出的工件表面近似一个真圆。,主轴径向跳动的方向,对工件径向尺
6、寸产生不同的影响。主轴回转轴心线的任一方向的径向跳动,可以分解为沿刀尖处加工表面法线方向跳动分量和切向分量Z。 切向分量产生的半径误差R: 整理、 略去R,得: R= 设=0.01mm, R=50mm,则: R=0.000001mm。 此值可以略去不计。,图7-4,而Y方向上的误差将1:1的反映到工件的半径上去。如误差仍为y= 0.01mm,则在工件Y方向上造成的半径误差就是0.01mm。是切线方向上误差的104倍,因此,称法线方向为误差的敏感方向。如图7-4所示:,图7-4,镗孔时,主轴的径向跳动使轴心线在Y坐标方向上,作振幅为A的简谐运动。设主轴中心线偏 移最大(等于A)时,镗刀尖正 好通
7、过水平位置1,当镗刀转过 一个角时,刀尖轨迹的水平分 量和垂直分量分别为: Y=Acos+Rcos=(A+R)cos Z=Rsin 将以上两式平方后,相加得: 为一椭圆方程,即镗出的孔为一椭圆。如图7-5所示:,镗削,(5)主轴的角摆动对工件加工精度的影响 车削:径向截面仍然是一圆形,而轴向则是一个圆锥形截面。 镗削:由于主轴的角摆动形成的回转轴线与工作台导轨不平行,镗出的孔将为椭圆形。如图7-6所示:,图7-6,(6)主轴的轴向窜动对加工精度的影响 对外圆与内孔的形状精度没有影响,而对端面与内、外 圆垂直度有一定的影响。当主轴每转一周,就要沿轴向窜动 一次,在向前窜动的半周中形成右螺旋面;在
8、向前窜动的半周中形成左螺旋面,最终切出的端面呈类似端面凸轮的形状;如图7-7所示: 当加工螺纹时,则将产生螺距的周期误差。,(7)提高主轴回转精度的措施 提高主轴支承轴承的精度并进行精细的调整安装。,图7-7,如使用精密滚动轴承、或液体、气体静压轴承;主轴部件装配时,应合理地确定各相关零件的精度,采用轴颈与轴承圈误差抵消法或角度选配法精细的调整安装并尽量消除轴承间隙,即可保证和提高主轴的回转精度。 采用双死顶尖装夹工件,可减小机床主轴回转误差对工件加工精度的影响。 2)导轨误差 (1)机床导轨的制造精度 导轨在水平面的直线度; 导轨在垂直面的直线度;,(2)导轨误差对加工精度的影响 以车床车削
9、为例 车床导轨在水平面内直线度误差的影响,图7-8,前后导轨在垂直面的平行度。如图7-8所示:,车削外圆表面,径向误差为r=y, 1:1反映到工件加工表面上来;轴向误差为圆锥度误差。 车床导轨在垂直平面内直线度误差的影响 对径向尺寸的影响可以忽略;轴向截面则为一双曲面。如图7-9所示: 前后导轨在垂直面的平行度误差的影响 如图7-10所示,横溜板将产生横向 倾斜,刀具产生位移,从而引 起工件的形状误差。 由几何关系知:,图7-9,图7-10,一般对于车床 ,磨床AB,因此该项误差对加工精度的影响是不可忽视的。 在镗床上镗孔时,如果工作台进给方向与镗刀杆的回转轴线不平行,则镗出的孔为一椭圆。 如
10、图7-11所示:,图7-11,(3)提高导轨精度的措施 在导轨的设计制造时,应从结构、材料、润滑方式、防护装置等方面进行优化,提高其制造精度及耐磨性。 在使用过程中,应精心维护,注意润滑,避免导轨非正常磨损与损伤。 3)机床传动链误差 (1)引起机床传动链误差的原因 机床的运动是通过某些传动机构实现的。如滚齿机的分齿机构车床车削螺纹时工件与丝杠间的传动挂轮机构。,它们都是通过齿轮副、蜗轮、蜗杆、丝杠、丝母等传动副多级传动来实现的。那么,这些元件本身存在着制造、安装误差,以及工作过程中的磨损所造成的误差。将引起传递与运动的不准确而影响工件的加工 精度。 例如,如图7-12所示,滚齿机分齿机构中各
11、传动件制造、安装误差,会引起齿轮转角不均匀而产生分齿误差。 车床车削螺纹时,工件至传动丝杠间,各传动元件的制造、安装误差,将会引起加工螺纹的螺距误差。,图7-12,缩短传动链,减少传动元件数目。从而减少误差来源; 提高传动元件,特别是末端传动元件的制造和安装精度; 消除间隙,传动元件间的间隙会造成瞬时速度不均; 采用误差校正机构。如图7-13所示,车螺纹的误差校正机构。当瞬时刀具进给速度过快,则通过可转动螺母2在校正尺寸1的作用下,使其与丝杠间同向产生一个附加转动,从而使刀具恢复到准确的进给速度。反之亦然。,(2)提高机床传动精度的措施,图7-13,2、刀具、夹具的制造与磨损误差,1)刀具误差
12、 (1)一般刀具(车刀、镗刀和刨刀等)其制造误差对工件加工精度没有直接影响; (2)定尺寸刀具(钻头、铰刀和拉刀等)其制造误差将直接影响工件加工精度。 (3)成形刀具(成形车刀或成形铣刀)其制造误差将直接影响工件的形状精度。 (4)刀具磨损将影响工件加工精度。如加工一根长轴时,车刀磨损将使轴产生锥度。调整法加工时刀具磨损将使一批工件产生尺寸分散。,(5)成形刀具的磨损将引起被加工表面的形状误差。 2)夹具的制造及工件的安装误差 (1)夹具误差 组成夹具各元件的制造误差及夹具中定位元件间的位置误差将会产生定位误差,使被加工零件产生加工误差。 (2)工件安装误差 工件的定位、夹紧不当,会使工件偏离
13、正确位置而产生加工误差。,(三)工艺系统受力变形对加工精度的影响,1、基本概念 机械加工时,在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力的作用下,工艺系统将产生相应的变形和振动。这种变形和振动破坏了工件和刀具之间的准确位置与速度关系,也破坏了切削过程的稳定性。从而造成了被加工零件的各种误差及表面粗糙度。例如,在加工细长轴时,在切削力作用下,工件因弹性变形产生“让刀”现象,中部变形最大,切深最小,而两端变形最小,切深减小不大,而车出轴的外圆柱面呈腰鼓形误差。如图7-14所示。为反映工艺系统受力变形对加工精度的影响,下面引入一个重要概念工艺系统刚度。,图7-14,由材料力学知,任一物体在外力的作用下,
14、总要产生变形,其变形量Y的大小与外力P和物体本身的刚度有关。如图7-15所示,即:,图7-15,对与由多个零部件组成的工艺系统来讲,其受力变形将是复杂地。 以车外圆为例,如图7-16所示:切削力Fr是一个空间力,刀架部件在Fx、Fy、Fz各切削分力作用下产生相应的变形。 Fy-将使刀架部件主要产生Y向(法向)的变形位移; Fx、Fz-两个切削分力将使刀架部件产生弯曲和扭转变形,而间接产生法向(y)的变形位移。,图7-16,因此,刀架部件总的变形,应是有Fx、Fy、Fz三个切削分力综合作用的结果。为切实反映工艺系统刚度对加工精度的影响,把工艺系统刚度定义为:加工表面Y向(法向力)切削分力Fy与在
15、各切削分力作用下所产生Y向(法向)综合变形Y综之比。 即 2、机床部件受力变形的特点 在工艺系统中,只有工件和和刀具一般是简单构件,其刚度及变形问题是一般的材料力学问题;但对于机床及刀架部件来讲,则是有许多零件组成的复杂,图7-17,构件,其刚度及变形问题将是十分复杂地。 例如刀架部件,如图7-17所示:为便于计算,可以将其简化为9990200mm的铸铁悬臂梁,对其刚度进行粗略计算。由材料力学公式,,这说明,由许多零件组成的构件其刚度与变形与简单构件相比差别较大。具体原因有以下几个方面: 接触面间存在接触变形(接触变形与受力不是线性关系); 薄弱零件本身的变形则较大; 间隙的影响。构件由于装配
16、间隙的影响,将产生较大的变形。 3、工艺系统刚度算式 设工艺系统受力总变形为Y系,各组成部分的变形为Y机床(Y头架、Y尾架)、Y刀架、Y工件、Y夹具。 则,4、工艺系统刚度对零件加工精度的影响,1)切削力引起的加工误差 (1)切削力着力点位置变化对加工精度的影响 如图7-18所示:在车床上采用双顶尖装夹车外圆(不考虑工件的变形)。加工时,当刀架距床头顶尖X处,在切削力Fy的作用下,作用在 床头顶尖、床尾顶尖 上的分力为:,在切削点X处的工艺系统变形为:,刀架的变形为:,工艺系统总变形为:,在该力作用下,床头、床尾处的变形分别为:,工艺系统刚度为:,例:设Fy=300N、K头架=6104N/mm
17、、K尾架=5104N/mm、K刀架=4104N/mm,试求沿工件长度上工艺系统变形,及引起的圆柱度误差。 解:由,圆柱度误差:0.0135-0.0103=0.0032mm,呈双曲线形状误差。 如图7-19所示:,例:车细长轴。设Fy=300N,工件尺寸为30600mm,E=2105N/mm,I=0.0491d4,床头、刀架、夹具的变形忽略不计。试计算工件各点的变形量及圆柱度误差。 解:由公式,图7-19,工件的圆柱度误差为:0.17-0=0.17mm。为对称腰鼓形误差。如图7-20所示:,图7-20,(2)切削力大小变化的影响 在加工过程中,由于工件的加工余量不均或工件材料的硬度不均,将引起切
18、削力大小的变化,导致工艺系统受力变形随切削力大小的变化而变化,造成加工误差。 如图7-21所示,,由于工件加工前存在圆度误差,在切削时,切深将不一致(ap1ap2),因此工艺系统的受力变形量也不一致(y1y2),这样,在加工后,工件上仍留有较小的圆度误差。把工件加工前的误差 前,以类似的形状反映到加工后的工件上去的这一规律,称为误差复映规律。 误差复映的程度是以误差复映系数表示的。由于1、2、3-都小于1,随着走刀次数的增加,工件上的误差将逐次减小,n次走刀后,工件上的误差:,一般23次走刀后,加工误差也就降低到尺寸公差允许的范围内。 2)夹紧力引起的加工误差 当工件的刚度较差时,因夹紧时的变
19、形所引起的加工误差是影响加工精度的主要问题。如图7-22所示,图7-22,3)离心力(或惯性力)对加工精度的影响 在加工过程中,高速回转的零部件(夹具、工件、刀具)的不平衡,将产生离心力FQ,FQ在每一转中不断改变方向,它在y(法向)分力大小的变化,将会使工艺系统的受力变形也随之变化,从而产生加工误差。如图7-23所示,图7-23,例:当毛坯重力W=100N,主轴转速n=1000r/min,不平衡质量m,到旋转中心的距离(偏心距)=5mm,工艺系统刚度K系=3104N/mm,试计算在半径方向上的加工误差。,解:离心力,如图7-24所示,根据力矩平衡条件: M-工件转动时需克服的磨擦力矩 -传动
20、力臂长度 传动力FC在Y方向上的分力: 加工后的工件形状如图7-25所示: FCY与FY有时同向,有时反向。 导致切削力的不相等,从而引起 工艺系统在两个方向上的变形不相等,使工件产生加工误差。,5)机床部件自重引起的加工误差 如图所示,摇臂钻床。由于摇臂和其上主轴部件的重量,将引起机床有关部件变形,使主轴回转轴线与工作台不垂直,因而,会造成钻孔轴线的倾斜。,5、提高工艺系统刚度的措施 1)在机床结构上 对于机床部件自重的影响如图7-26所示摇臂钻床,在立柱内加偏心套或使摇臂略向上倾,则可以补偿了主轴箱摇臂自重而下垂引起的加工误差。,图7-26,2)提高接触刚度 机床及各部件都是由许多零件装配
21、而成的,提高各零部件间 接触刚度则可以提高其整体刚度。例如通过提高各零部件接触面的加工形状精度,降低表面粗糙度,并预加载荷,消除配合间隙。都能提高各装配连接面的接触刚度。,3)设置辅助支承提高机床或工件的刚度 (1)为提高六角车床刀架刚度常设置辅助支承,如图7-27所示。,(2)加工细长轴 加中心架、跟刀架均可提高工件加工时的刚度。如图7-28所示。,4)采用合理地装夹方法减小装夹变形,薄壁钢套采用刚性开口环夹紧或端面夹紧,则可以减小装夹变形。如图7-29所示。 薄板磨削时,可用环氧树脂粘贴在磨床工作台面上,代替电磁工作台吸紧。 如图7-30所示。,(四)工艺系统受热变形对加工精度的影响 工艺
22、系统在各种热源的影响下,将产生变形。从而改变了各部件间的相对位置,造成加工误差。 1、工艺系统热源 1) 切削热 在加工过程中,切削层金属的变形、刀工、刀屑之间的摩擦,将会产生大量的热。这些热量传入工件和刀具,并由切屑和冷却液带到机床的其它部位,形成次生热源。,2)摩擦热 机床在工作状态下,各运动副,如齿轮副,丝杠丝母、导轨副之间的相对运动,由于摩擦的存在,均要产生摩擦热。 3)环境温度及幅射热 环境温度:冬、夏,白天、夜晚及室内不同位置将会产生温差变化。 幅射热:日光、灯光、取暖设备、人体均会产生幅射热。 2、热变形引起的加工误差,1)工件热变形引起的加工误差 工件均匀受热,将引起工件体积的
23、均匀膨胀。如轴零件均匀受热。轴向伸长为:L=Lt 径向变形为:d=dt 式中:-工件材料的线膨胀系数。 t-工件的温升。 工件受热不均,如磨削板类零件的上平面,由于工件单面受热,就会在磨削过程中产生向上的翘曲变形y,磨削后冷却则造成中凹的形状误差。其中凹量的大小,可根据下图7-31所示的几何关系求出。,由于中心角很小,故中性层的弦长可近似为原长L,于是 作AE/CD,BE可近似等于L的热伸长量L,则BE L =(2-1)L= L,图7-31,机床热变形引起的加工误差 对于车床,由于主轴箱各轴系部件轴承、传动副的摩擦热及油池发热,将造成主轴的抬高及倾斜; 对于大型机床,如导轨磨床,龙门铣床若床身
24、上面温度升高,将使床身产生弯曲变形,呈中凸形,在被加工零件上产生形状误差。,3)刀具热变形引起的加工误差 在切削加工过程中,传入刀具的热量虽然很少,但刀具的体积小,热容量小,故有相当程度的温升,引起刀具的热伸长并造成加工误差。 以车刀为例,开始时刀具的热伸长量增长较快,随后趋缓,最后达到热平衡。伸长量由下式计算:,tc时间常数(s),其值与刀具质量m、比热c、截面面积A及表面放热系数s有关。根据实验tc=180-360 s。 由于刀具在切削过程中磨损的存在,与热伸长量基本抵消,总体对加工精度影响不大。 4)环境温度的影响 环境温度对一般精度的加工来讲影响不大,而对于精密加工其影响则不可忽视。因
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