機(jī)械加工精度

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第五章 機(jī)械加工精度,學(xué)習(xí)目的與要求,（1）掌握機(jī)械加工精度的概念以及加工精度與加工誤差的關(guān)系 （2）熟悉工藝系統(tǒng)的原始誤差種類(lèi)及其對(duì)加工精度的影響， （3）掌握加工誤差問(wèn)題的綜合分析與解決 （4）掌握加工誤差的基本計(jì)算方法 （5）熟悉提高和保證加工精度的途徑、常用方法,主要內(nèi)容,第5章 機(jī)械加工精度 5.1 機(jī)械加工精度概述 5.2 工藝系統(tǒng)的制造精度和磨損對(duì)工件精度的影響 5.3 工藝系統(tǒng)的受力變形及其對(duì)工件精度的影響 5.4 工藝系統(tǒng)的熱變形及其對(duì)工件精度的影響 5.5 保證和提高加工精度的途徑 5.6 加工誤差的統(tǒng)計(jì)分析法 5.7 點(diǎn)圖分析法 5.8 質(zhì)量管理圖,一、精度的概念加工精度：加工誤差：理想零件參數(shù)：尺寸、形狀、位置,,§5.1 機(jī)械加工精度概述,二、獲得加工精度的方法 1、 2、,試切法加工,調(diào)整法加工,定尺寸刀具法加工,軌跡法加工,成形法加工,展成法加工,3、,三、影響加工精度的因素1、原理誤差：采用近似加工原理或近似刀具切削刃形狀2、安裝誤差：定位誤差、夾緊誤差、夾具本身誤差3、調(diào)整誤差：調(diào)整方法與調(diào)整時(shí)的測(cè)量誤差等4、測(cè)量誤差：量具本身、方法、溫度5、工藝系統(tǒng)的制造精度和磨損6、工藝系統(tǒng)的受力變形切削力、傳動(dòng)力、重力、離心力、夾緊力7、工藝系統(tǒng)的受熱變形切削熱、環(huán)境、運(yùn)動(dòng)、電機(jī),,§5-2 工藝系統(tǒng)的制造精度和磨損 對(duì)加工精度的影響,,一、機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度及其對(duì)工件精度的影響1、主軸回轉(zhuǎn)精度的概念①回轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程理想回轉(zhuǎn)中心：在主軸的任一界面上有一點(diǎn)O其速度始終為V＝0瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心：實(shí)際存在的一個(gè)變動(dòng)的回轉(zhuǎn)中心瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線：各瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心連線t—時(shí)間，θ—轉(zhuǎn)角,瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心相對(duì)于理想回轉(zhuǎn)中心的位置變動(dòng)量,,②誤差敏感方向：經(jīng)過(guò)刀具刀刃的切削點(diǎn)又垂直于已加工表面的方向。誤差敏感方向上的誤差對(duì)工件加工精度影響很大，而垂直于該方向的誤差則影響很小。 ③主軸回轉(zhuǎn)精度：主軸回轉(zhuǎn)軸線在回轉(zhuǎn)時(shí)相對(duì)其平均軸線的變動(dòng)量在誤差敏感方向的最大位移值。,徑向跳動(dòng),軸向跳動(dòng),擺動(dòng),2、主軸回轉(zhuǎn)精度的分析①主軸徑向跳動(dòng)分析滑動(dòng)軸承 軸頸圓度、軸瓦內(nèi)孔圓度及其配合,,,工件回轉(zhuǎn)類(lèi),刀具回轉(zhuǎn)類(lèi),主軸幾何軸線徑向跳動(dòng)產(chǎn)生的加工誤差,,,,,滾動(dòng)軸承此外，②造成主軸軸向竄動(dòng)的原因,軸承間隙 對(duì)主軸軸線位置的影響,推力軸承 端面跳動(dòng)的影響,接觸點(diǎn)為誤差 的變化，取決于 B．滾動(dòng)軸承 與上述類(lèi)似，同時(shí)滾動(dòng)體影響,A．滑動(dòng),,主軸回轉(zhuǎn)軸線的軸向跳動(dòng)將產(chǎn)生加工端面的平面度誤差,主軸軸向跳動(dòng)引起的加工誤差,3、主軸回轉(zhuǎn)精度的測(cè)量①表測(cè)法 ②雙向測(cè)量法（捷克VUOSO）刀具回轉(zhuǎn)當(dāng)沒(méi)有回轉(zhuǎn)誤差時(shí)，間隙變化為示波器上為,,,,示波器上光點(diǎn)的向徑 為常數(shù)。 當(dāng)主軸有偏差δ時(shí)示波器上，向徑為,坐標(biāo)變換，使x與e重合是 與 的和， 即示波器銀屏變化 不能反映誤差，只有e=0 或 才能真正反映。 李沙育圖，其半徑差為主軸回轉(zhuǎn)精度。,這種方法適合刀具回轉(zhuǎn)型機(jī)床的主軸 回轉(zhuǎn)精度測(cè)量，如鏜，而不適合車(chē)床,測(cè)量鏜床 主軸回轉(zhuǎn)精度,鋼球安裝偏心 對(duì)測(cè)量的影響,③單向測(cè)量法（美國(guó)LRL法） ——測(cè)定車(chē)床主軸回轉(zhuǎn)精度的方法,,,,傳感器Ⅰ 傳感器Ⅱ K0≥K 傳感器Ⅲ示波器輸入信號(hào)向徑為 當(dāng) S=0 時(shí)， 當(dāng) S≠0 時(shí),,放大K倍,→放大K0倍,4、獲得高圓度工件的方法①高精度主軸車(chē)床②補(bǔ)償③使主軸誤差不反映到工件上,二、直線運(yùn)動(dòng)精度對(duì)工件精度的影響1、機(jī)床導(dǎo)軌精度指標(biāo)①運(yùn)動(dòng)在水平面內(nèi)的直線度②運(yùn)動(dòng)在垂直平面內(nèi)的直線度③前后導(dǎo)軌的平行度（扭曲）2、機(jī)床導(dǎo)軌誤差對(duì)加工精度的影響①普通車(chē)床水平面直線度：1：1 影響縱截面形狀垂直面直線度：屬誤差不敏感方向，影響較小 扭曲影響：可分解為水平、垂直,車(chē)床導(dǎo)軌扭曲對(duì)工件形狀的影響,②外圓磨床：與車(chē)床相同。但由于要求高，采用工作臺(tái)轉(zhuǎn)角 ③龍門(mén)刨床：就地刨④鏜：,3、導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)誤差的來(lái)源 新機(jī)床導(dǎo)軌的制造精度 磨損——材料表面處理，潤(rùn)滑 安裝精度——地基， 找正 三、機(jī)床的幾何精度對(duì)加工精度的影響幾何精度——各成形運(yùn)動(dòng)在空間的相互位置準(zhǔn)確性①車(chē)外圓,誤差具體形狀具體分析,②車(chē)端面——回轉(zhuǎn)軸線與導(dǎo)軌不垂直→凸面，凹面 ③鏜孔 ④銑平面 ⑤滾齒機(jī),四、機(jī)床的傳動(dòng)精度及對(duì)加工精度的影響1、機(jī)床傳動(dòng)精度分析,五、機(jī)床的定位精度對(duì)工件精度的影響定位精度：工作臺(tái)從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的準(zhǔn)確度1、進(jìn)給機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度主要取決于選用的進(jìn)給機(jī)構(gòu)型式及進(jìn)給機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度,2、進(jìn)給與測(cè)量分開(kāi)時(shí)的測(cè)量精度原理誤差→阿貝誤差→被測(cè)的與實(shí)際的不在一條直線上產(chǎn)生的誤差 3、爬行誤差解決辦法,六、刀具、夾具、量具的制造精度和磨損對(duì)工件影響1、刀具的制造精度和磨損的影響①尺寸刀具和成形刀具的制造精度和尺寸磨損對(duì)加工精度的影響鉆頭、絞刀、鏜刀塊、拉刀→影響尺寸→磨損后不能重修復(fù)滾刀、插刀、成形車(chē)刀→影響形狀→重磨②一般刀具的磨損對(duì)加工精度的影響如車(chē)刀、鏜刀、銑刀等，制造精度不會(huì)影響加工尺寸，但磨損則產(chǎn)生影響,一：起始磨損，非線性 二：正常磨損， 三：快速（劇烈）磨損,三個(gè)階段,減少影響方法,③砂輪的磨損及修復(fù)（快、與硬度有關(guān)）2、夾具的制造精度和磨損夾具的制造精度和磨損影響工件的精度 3、量具測(cè)量誤差為工件公差的 ，最多,§5-3 工藝系統(tǒng)的 受力變形及其對(duì)工件精度的影響,一、基本概念1、變形現(xiàn)象,車(chē)棒,車(chē)長(zhǎng)軸,磨孔,2、概念剛度：物體或構(gòu)件受外力后抵抗變形的能力 工藝系統(tǒng)的剛度：在誤差敏感方向上的分力py與在此方向上刀具對(duì)工件的變形（位移）量y的比值 靜剛度：在靜態(tài)條件下靜力與變形的比值動(dòng)剛度：某一頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生單位振幅所需的激振力幅值,,二、機(jī)床部件剛度特點(diǎn)及影響因素,車(chē)床剛度的單向靜測(cè)定,1、部件變形過(guò)程與剛度曲線特點(diǎn)（1）加載變形曲線→不成線性有預(yù)緊力，當(dāng)載荷 有剛性很差的零件，當(dāng)該大于力時(shí)，K變小 零件變形減小時(shí)，K增大（2）正反加卸載變形曲線不重合,塑性變形摩擦力等消耗能量,,（2）正反加卸載變形曲線不重合（3）多次重復(fù)加載變形曲線第一次加載“磁滯”現(xiàn)象嚴(yán)重，以后減小加、卸載曲線接近，起始點(diǎn)重合,塑性變形摩擦力等消耗能量,,（4）部件剛度曲線特點(diǎn)①力和變形不是直線性，不符合胡克定律→部件變形不純粹是彈性變形②加載與卸載曲線不重合③當(dāng)載荷去除后，變形不能恢復(fù)原點(diǎn)→有塑性變形。反復(fù)加載后，殘余變形減到0，重合④部件剛度遠(yuǎn)比想象小,2、影響部件剛度的因素①接觸變形 ②個(gè)別薄弱環(huán)節(jié)③連接夾緊力的影響 ④摩擦力⑤間隙影響 ⑥變形的復(fù)合性,兩零件接觸面接觸情況,間隙對(duì)剛度影響曲線,機(jī)床剛度中薄弱環(huán)節(jié),,,,,,,三、工藝系統(tǒng)的剛度工藝系統(tǒng)總變形及合成剛度為而因此，有,四、工藝系統(tǒng)受力變形對(duì)加工精度的影響1、由于切削力產(chǎn)生的系統(tǒng)變形對(duì)加工精度的影響（1）由于切削點(diǎn)位置的變化引起的剛度、變形變化而產(chǎn)生的形狀誤差①工件短粗，剛度高→鞍形,P尾,,,力：位移：,,此時(shí)刀架變形為 因此，當(dāng)當(dāng)當(dāng),②工件細(xì)長(zhǎng)→鼓形和 時(shí)，時(shí)，最大，為,,剛度在該工件軸向的各個(gè)位置是不同的 加工后工件各橫截面的直徑尺寸也不同 形狀誤差（錐度、鼓形、鞍形等）,（2）由于工件加工余量不均或其他原因①導(dǎo)致切削力變化→變形變化→引起形狀尺寸誤差②對(duì)于橢圓毛坯：切深大→力大→變形大→橢圓,①毛坯的形狀誤差，圓度、圓柱度、平面度等都以一定誤差復(fù)映成工件的加工誤差，這是由余量不均引起的 ②采用多次走刀減小誤差復(fù)映 ③調(diào)整法加工時(shí)，毛坯大小不一→工件尺寸分散→計(jì)算誤差復(fù)映,,誤差復(fù)映,2、由于夾緊力、重力等產(chǎn)生的系統(tǒng)變形對(duì)加工精度影響（1）由于工件的夾緊變形引起的加工誤差,,床身導(dǎo)軌面,應(yīng)用,薄板零件的磨削,（2）由于重力所引起的加工誤差,,重力引起機(jī)床變形,五、由于內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生變形對(duì)加工精度影響內(nèi)應(yīng)力：零件在沒(méi)有外加載荷作用下，加工后內(nèi)部存在的應(yīng)力成為殘余內(nèi)應(yīng)力，稱(chēng)為~。工件在鑄、鍛、切削后內(nèi)部應(yīng)力相互平衡一旦外界條件變化→平衡破壞→變形,1、內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生①毛坯：工件壁厚不均②工件切削內(nèi)應(yīng)力③熱處理④校直 2、內(nèi)應(yīng)力的減少和消除法①時(shí)效處理：天然、人工②鑄、鍛件結(jié)構(gòu)，應(yīng)壁厚均勻，不能差太多③零件的結(jié)構(gòu)主要考慮港督問(wèn)題④機(jī)械加工時(shí)，注意減少切削力 ⑤盡量不采用冷校直,,,,六、機(jī)床剛度的測(cè)定1、機(jī)床剛度的靜測(cè)定法單向加載測(cè)定法：不能反映切削狀態(tài)；只加載 力，而 都對(duì)剛度有影響三向加載測(cè)定法：三向加載，三向測(cè)力,,2、用生產(chǎn)法測(cè)定車(chē)床剛度——按誤差復(fù)映原理進(jìn)行的,3、接觸剛度的測(cè)定,七、提高工藝系統(tǒng)剛度的措施1、選用合理的零部件結(jié)構(gòu)和斷面形狀封閉式箱型結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)（斷面面積不變）,2、提高連接表面的接觸剛度提高連接面幾何形狀精度降低表面粗糙度，施加預(yù)載荷 3、采用正確的裝夾方式4、提高加工時(shí)刀具的剛度懸伸短、刀桿、導(dǎo)向套、導(dǎo)向桿 5、減小接觸面 6、工件剛度低時(shí)，縮短切削力與支承點(diǎn)的距離車(chē)中心架、跟刀架,§5-4 工藝系統(tǒng)熱變形及加工精度的影響,一、工藝系統(tǒng)熱源與熱平衡1、工藝系統(tǒng)熱源2、工藝系統(tǒng)熱平衡 散出熱量=傳入熱量→熱平衡→溫度不變→變形穩(wěn)定,,二、機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的影響1、機(jī)床的溫升與熱平衡機(jī)床各部件達(dá)到熱平衡的時(shí)間不同，熱容量大的需要的時(shí)間長(zhǎng)2、各類(lèi)機(jī)床熱變形及其對(duì)加工精度的影響（1）車(chē)、銑、鏜床類(lèi)機(jī)床的熱變形主軸箱發(fā)熱→箱體、機(jī)床發(fā)生變形和翹曲，從而主軸的位移和傾斜,（2）磨床的熱變形砂輪軸承和液壓系統(tǒng)（3）導(dǎo)軌磨床、龍門(mén)刨床的熱變形床身的熱變形,3、減少機(jī)床熱變形對(duì)加工影響的措施（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施熱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→單柱改雙柱使關(guān)鍵件熱變形在誤差不敏感方向移動(dòng)合理安排支承位置，使熱位移有效部分縮短對(duì)發(fā)熱大的熱源采用足夠的冷卻措施改善軸承的潤(rùn)滑條件隔離熱源油池和冷卻液箱獨(dú)立→變形 均衡關(guān)鍵件溫升,（2）工藝措施安裝機(jī)床的區(qū)域保持恒定環(huán)境溫度均布加熱器，取暖，門(mén)簾，不靠窗照射機(jī)床達(dá)到熱平衡狀態(tài)后再加工空轉(zhuǎn)一段時(shí)間→熱平衡→不斷續(xù)加工精密機(jī)床→恒溫室嚴(yán)格控制切削用量以減少工件發(fā)熱 三、工件熱變形對(duì)加工精度的影響1、工件熱變形及其對(duì)加工影響,典型工件的熱變形分析,①薄片狀零件的熱變形②軸類(lèi)零件的熱變形③長(zhǎng)徑比大的零件，如絲杠、細(xì)長(zhǎng)軸等，受熱伸長(zhǎng)，不能忽視 2、減少工件熱變形對(duì)加工精度影響的措施①充分冷卻，降低切削溫度②提高切削速度和進(jìn)給量③工件精加工前充分冷卻④經(jīng)常刃磨和修正刀具和砂輪⑤使工件在緊張狀態(tài)下有伸縮自由,四、刀具的熱變形及對(duì)加工精度的影響1、刀具連續(xù)工作時(shí)的熱變形2、刀具斷續(xù)加工時(shí)的熱變形,五、減少工藝系統(tǒng)熱變形辦法1、減少熱源產(chǎn)生熱量采用低速小用量切削→減少切削熱和摩擦熱2、控制熱源的影響采用冷卻、恒溫等手段3、從結(jié)構(gòu)上減少變形機(jī)床：工件：盡量避免薄壁、薄片、空心等易熱變形的結(jié)構(gòu)（實(shí)心容量大）刀具：減少懸伸長(zhǎng)度，控制熱變形方向不在敏感方向4、進(jìn)行綜合補(bǔ)償及校正,§5-5 保證和提高加工材料精度的途徑,一、直接消除或減小原始誤差的方法,細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削時(shí)的受力情況和變形狀況,大進(jìn)給量反向切削法加工細(xì)長(zhǎng)軸,①進(jìn)給方向由卡盤(pán)向尾座方向，后面采用浮動(dòng)活頂尖 ②采用大進(jìn)給量和大主偏角車(chē)刀,③采用浮動(dòng)活頂尖緩解工件熱伸長(zhǎng)④將工件的卡盤(pán)端車(chē)出一縮頸，消除軸心線歪斜影響 二、補(bǔ)償或抵消原始誤差的方法人為的造成一種新原始誤差去抵消原來(lái)的誤差，正誤差用人為的負(fù)誤差去抵消，負(fù)誤差用人為的正誤差去抵消，兩者大小相等，方向相反。用人為誤差抵消裝配后因自重產(chǎn)生變形精加工磨床床身導(dǎo)軌時(shí)預(yù)加載荷抵消裝配后部件自重變形前后雙刀架對(duì)刀,三、分組調(diào)整或均分誤差法 四、變形轉(zhuǎn)移或誤差轉(zhuǎn)移1、轉(zhuǎn)移變形 2、轉(zhuǎn)移誤差,六角車(chē)床“力刀”安裝,橫梁 變形轉(zhuǎn)移,五、就地加工達(dá)到最終精度的方法,§5-6 加工誤差的統(tǒng)計(jì)分析,一、加工誤差的性質(zhì)及分析方法 1、分析加工誤差的目的及方法 研究某一主要因素對(duì)加工精度的影響→單一因素分析法 根據(jù)加工誤差的表現(xiàn)形式及變化規(guī)律分析其產(chǎn)生的原因→統(tǒng)計(jì)分析法2、加工誤差的性質(zhì)①系統(tǒng)性誤差 常值性系統(tǒng)誤差、變值性系統(tǒng)誤差②隨機(jī)性誤差,常值系統(tǒng)誤差→查明大小和方向→相應(yīng)調(diào)整或檢修工藝裝配或補(bǔ)償變值系統(tǒng)誤差→摸清規(guī)律→自動(dòng)連續(xù)補(bǔ)償或自動(dòng)周期補(bǔ)償隨機(jī)性誤差→只能找到根源，對(duì)其采取的措施以縮短其影響,,解決途徑,二、分布圖分析法1、實(shí)際分布圖——頻數(shù)分布直方圖分散范圍=最大尺寸-最小尺寸分散范圍小于公差帶→本工序的加工精度滿(mǎn)足公差要求尺寸分散中心與公差帶中心偏離太遠(yuǎn)→產(chǎn)生廢品,,,注意,①組距（分組數(shù)）選擇 ②頻數(shù)作縱坐標(biāo)時(shí)，圖行高矮受組距影響 ③頻數(shù)作縱坐標(biāo)時(shí)，工件總數(shù)也影響圖形高矮 ④縱坐標(biāo)改用頻率密度,2、正態(tài)分布隨機(jī)事件→正態(tài)分布相互獨(dú)立的隨機(jī)事件總和→正態(tài)分布對(duì)加工來(lái)說(shuō)，若隨機(jī)誤差是由很多相互獨(dú)立的隨機(jī)因素所構(gòu)組成，其中沒(méi)有一個(gè)起決定作用的非正態(tài)分布的隨機(jī)因素，那么加工中隨機(jī)誤差也符合正態(tài)分布,標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布一般正態(tài)分布，利用坐標(biāo)變換 求概率①曲線對(duì)稱(chēng)于算術(shù)平均值軸線 ②曲線兩端與x軸相交于無(wú)窮遠(yuǎn) ③曲線下與x軸之間的總面積為1，在對(duì)稱(chēng)軸6σ范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率99.73%代替全部零件。,特點(diǎn),3、分布圖的作用與缺點(diǎn) （1）作用判斷工藝能否滿(mǎn)足加工精度要求√ 判斷超差原因——常值系統(tǒng)性誤差還是隨機(jī)誤差 （2）缺點(diǎn)①?zèng)]有考慮工件加工先后順序②必須等一批工件加工完才能畫(huà)圖，不主動(dòng)控制精度③如出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)法對(duì)本批零件采取措施，而只能對(duì)下一批零件起作用，不便積累控制資料④計(jì)算量大,,4、正態(tài)分布圖的應(yīng)用 （1）判斷某一工藝過(guò)程能否保證加工精度要求①工藝能力和工藝能力系數(shù)一個(gè)工序的尺寸分散范圍代表了該工序的工藝能力工藝能力系數(shù) ：工件加工公差 與工藝能力 的比值。 全部零件加工合格加工能力強(qiáng)，遇到外來(lái)因素影響→不合格品加工能力不足,工藝等級(jí),②調(diào)整精度系數(shù)調(diào)整精度影響尺寸分布中心位置，e—尺寸分布中心相對(duì)公差帶中心的偏移量,,,Cp1是不出現(xiàn)不合格品的必要條件 Cp1和EE允是充分條件,（2）不合格品率的確定（3）誤差性質(zhì)的判斷,,左全合格 右全合格,§5-7 點(diǎn)圖分析法,點(diǎn)圖的 各種形式,§5-8 質(zhì)量管理圖,,,,,,,,,一、管理圖——三條線，中心線、上控制線、下控制線——兩條線，中心線、上控制線 二、控制線的確定畫(huà)控制線的依據(jù)：控制圖控制圖,圖,