机械加工精度PPT课件.ppt

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1、第五章 机械加工精度,本章内容5-1 概 述5-2 影响加工精度的因素5-3 加工误差的综合分析5-4 保证和提高加工精度的途径,1 了解加工精度基本概念，掌握机械加工工艺系统原始误差的概念，理解和掌握误差敏感方向的概念；2 熟悉掌握影响工艺系统的几何精度、受力变形和热变性对加工精度的影响；3 了解各类加工误差的性质，掌握利用分布图分析法和点图分析法对加工误差进行统计；4 了解提高加工精度的途径,教学目的,5-1 概 述,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

2、度和加工误差来表示。,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、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。,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,（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。其次形状精度应高于尺寸精度，而位置精度在多数情况下也应高于尺寸精度。（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。,二、获得加工精度的方法获得尺寸精度的方法1）试切法 2）调整法3）定尺寸刀具法4）自动控制法

3、2.形状精度的获得方法,1)成形运动法 2)非成形运动法,3.位置精度的获得方法1）直接找正定位法 2）划线找正定位法3）夹具定位法 4）机床控制法,三、机械加工工艺系统的原始误差 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。由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统（简称工艺系统）会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式（或扩大、或缩小）反映为工件的加工误差。,四、加工过程中原始误差对加工精度的影响及其控制 1.工艺系统的受力变形 2.工艺系统的受热变形3.工艺系统的磨损,五、误差敏感方向的概念 原始误差所引起的切削刃与工件间的相对位移，如

4、果产生在加工表面的法线方向上，则对加工误差有直接的影响；如果产生在加工表面的切线方向上，就可以忽略不记。我们把加工表面的法向称之为误差的敏感方向。,六、研究机械加工精度的方法因素分析法：通过分析、计算或实验、测试等方法，研究某一确定因素对加工精度的影响。统计分析法：运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数据处理，用以控制工艺过程的正常进行。,5-2 影响加工精度的因素,（一）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。,一、工艺系统的几何精度对加工精度的影响,（二）机床误差 机床误差是指在无切削负荷下，来自机床

5、本身的制造误差、安装误差和磨损。1.主轴回转误差 机床主轴是用来装夹工件或刀具的基准件，并传递切削运动和动力。,机床的几何误差组成,机床几何误差,机床主轴回转误差,机床导轨误差,机床传动链误差,轴向窜动径向圆跳动倾角摆动,水平面内的直线度垂直面内的直线度前后导轨的平行度,内联传动链始末两端传动元件间相对运动误差,图 主轴回转误差的基本型式a）径向圆跳动 b）端面圆跳动 c）倾角摆动,（1）主轴回转误差的基本形式,（2）主轴回转误差对加工精度的影响 主轴回转误差对加工精度的影响，取决于不同截面内主轴瞬时回转轴线相对于刀尖位置的变化情况。1）主轴径向圆跳动对加工精度的影响工件产生圆度误差,图 主轴

6、纯径向圆跳动对镗孔精度的影响,车削时，上述形式的主轴径向回转误差对工件的圆度影响很小。,图 主轴纯径向圆跳动对车削圆度的影响,2）主轴的轴向窜动对加工精度的影响 主轴的轴向窜动对对圆柱面的加工无影响；但在加工端面时，会使车出的端面与圆柱面不垂直。,3）主轴的倾角摆动对加工精度的影响主轴的倾角摆动对加工精度的影响与径向圆跳动对加工精度的影响相似，其区别在于倾角摆动不仅影响工件加工表面的圆度误差，而且影响圆柱度误差。（3）影响主轴回转精度的主要因素,1）滑动轴承误差对主轴回转精度的影响 主轴采用滑动轴承时，轴承误差主要来源于主轴轴颈和轴承孔的圆度误差和波度。,图 主轴采用滑动轴承的径向跳动a）工件

7、回转类机床 b）刀具回转类机床,2）滚动轴承误差对主轴回转精度的影响 主轴采用滚动轴承时，滚动轴承的内圈、外圈和滚动体本身的几何精度将影响主轴回转精度。3）轴承配合质量对主轴回转精度的影响（4）提高主轴回转精度的措施1）提高主轴部件的设计与制造精度 2）对滚动轴承进行预紧3）采用误差转移法,图 用固定顶尖支承磨外圆,2.导轨误差（1）导轨导向精度对加工误差的影响1）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,加工误差R=Y,2）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，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

8、加工误差,由于Z引起的加工误差半径 为Z的二次方误差，数值很小，可忽略不计。,图 导轨在垂直面内的直线度误差,图 龙门刨床导轨垂直面内直线度误差1-刨刀 2-工件 3-工作台 4-床身导轨,3）前后导轨的平行度误差 床身前后导轨有平行度误差（扭曲）时，会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产生偏移，使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥度）。,图 车床导轨扭曲对工件形状精度影响,（2）影响机床导轨导向误差的因素 1）机床制造误差 2）机床安装误差3）导轨磨损 3 传动链的传动误差（1）机床传动链误差定义 机床传动链指传动链始末两端执行元件间相对运动的误差。（2）机床传动链误差描述传

9、动链末端元件产生的转角误差。,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。,图 滚齿机传动链图,传动链误差一般可用传动链末端元件的转角误差来衡量。假设滚刀轴均匀旋转，若齿轮Z1有转角误差，而其他各传动件无误差，则传到末端件所产生的转角误差,（3）减少传动链误差的措施1）尽量缩短传动链尽以减少传动元件数量。2）提高传动件的制造和安装精度，尤其是末端零件的精度。3）尽可能采用降速运动 4）消除传动链中齿轮副的间隙。5）采用误差校正机构对传动误差进行补偿,（三）刀具与夹具误差1.夹具误差 夹具的制造误差一般指定位元件、导向元件及夹具体等零

10、件的加工和装配误差。这些误差对零件的加工精度影响较大。,图 钻径向孔的夹具,2.刀具误差 定尺寸刀具，加工时刀具的尺寸精度直接影响加工工件的尺寸精度；采用成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等成形刀具加工时，刀具的形状精度直接影响加工工件的形状精度；采用展成法加工时，如齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀等展成刀具的刀刃形状必须是加工表面的共轭曲线。在切削过程中，刀具会逐步地磨损，使原有形状和尺寸发生变化，由此引起工件尺寸和形状误差,三、调整误差,(1)试切法调整1)测量误差。2)进给机构的位移误差。3)试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响。,(2)调整法调整1）上述影响试切法调整精度的因素2）用定程机构调整

11、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。,四、工艺系统的动误差（一）工艺系统受力变形对加工精度的影响1.工艺系统的刚度,图 工艺系统受力变形引起的加工误差,工艺系统刚度可定义为：在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比。,根据载荷的性质不同，工艺系统刚度可分为静刚度和动刚度两种。刚度的倒数称为柔度C（mmN）：,2.工艺系统刚度的计算,工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：,3.工艺系统刚度对加工精

12、度的影响（1）切削力作用点位置变化引起的工件形状误差1）机床变形引起的加工误差,图 工艺系统变形随切削力位置的变化而变化,刀具切削点处工件轴线的位移,为,机床总的变形为：,当x=L时,最大，,最小,图 机床受力变形引起的加工误差1-机床不变形的理想情况2-考虑主轴箱、尾座变形的情况3-包括考虑刀架变形在内的情况,图 工件受力变形引起的加工误差,2）工件的变形,3）机床变形和工件变形共同引起的加工误差,（2）切削过程中受力大小变化引起的加工误差误差复映,图 车削时的误差复映 1-毛坯外形 2-工件外形,车削具有圆度误差,的毛坯时，由于工艺系统受力变形，而使工件产生相应的圆度 误差,由切削原理可知

13、,（3）夹紧力和重力引起的加工误差 被加工工件在装夹过程中，由于刚度较低或着力点不当，都会引起工件的变形，造成加工误差。,又如磨削薄片零件，假定坯件翘曲，当它被电磁工作台吸紧时，产生弹性变形，磨削后取下工件，由于弹性恢复，使已磨平的表面有产生翘曲。,(4)重力引起的加工误差 在工艺系统中，由于零部件的自重也会产生变形，造成加工误差。,(5)惯性力引起的加工误差,图 惯性力所引起的加工误差,4.机床部件的刚度及其特点（1）机床部件刚度 在工艺系统的受力变形中，机床的变性最为复杂，且通常占主要成分。,图 车床刀架部件的刚度曲线 一次加载 二次加载 三次加载,机床部件一般都由许多零件组成，影响机床部

14、件刚度的因素很多，主要有以下几个方面：1）连接表面间的接触变形2）接合面间摩擦力的影响3）接合面间的间隙,4）部件中个别薄弱零件的影响,图 部件中的薄弱环节,5、减小工艺系统受力变形的途径（1）提高工艺系统刚度 1）合理设计零部件结构 2）提高联接表面的接触刚度 3）采用合理的装夹方式和加工方式,铣角铁形零件的两种装夹方法,(2）减小载荷及其变化图,合理地选择刀具材料，增大前角和主偏角，对工件材料进行合理的热处理以改善材料地加工性能等，都可使切削力减小。,（二）工件内应力对加工精度的影响 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。,1 残余应力产生的原因,（1）毛

15、坯制造和热处理过程产生的残余应力,图 铸件残余应力的形成及变形,（2）冷校直带来的残余应力 对细长轴进行冷校直时车削后的细长轴存在上凸的弯曲变形，在与变形相反的方向上施加作用力，使工件产生反方向弯曲，并产生一定的塑性变形。,图 冷校直引起的残余应力a）冷校直方法 b）加载时的应力分布 c）卸载后的残余应力分布,（3）切削加工带来的残余应力,产生内应力的原因,毛坯制造误差,冷校直,切削加工磨削加工,减少内应力引起变形的措施,1 合理设计零件结构 应尽量简化结构，减小零件各部分尺寸差异，以减少铸锻件毛坯在制造中产生的残余应力,1 增加消除残余应力的专门工序对铸、锻、焊件进行退火或回火；工件淬火后进

16、行回火；对精度要求高的零件在粗加工或半精加工后进行时效处理（自然、人工、振动时效处理）,1 合理安排工艺过程在安排零件加工工艺过程中，尽可能将粗、精加工分在不同工序中进行,（三）工艺系统的热变形工艺系统的热源,热源,内部热源,外部热源,切削热,摩擦热,工件、刀具、切屑、切削液,电机、轴承、齿轮、油泵等,环境温度,热辐射,气温、室温变化、热、冷风,日光、照明、暖气、体温,1.工件热变形及其对加工精度影响(1)工件均匀受热 对于形状比较简单的轴、套、盘类工件的内外圆加工，切削热比较均匀的传入工件，可以认为整个零件温升相同，其热变形可按物理学计算热膨胀公式求出。直径上的热变形量（扩大量）：,长度上的

17、热变形量（伸长量）：,(2)工件不均匀受热,板类工件单面加工，如薄板零件(摩擦片)及大型平板零件，加工时单面受切削热，上下表面之间形成温差导致工件出现弯曲变形(中凸变形)，在这种变形状态下加工，待工件冷却后，则加工面产生中凹的平面度、直线度误差。,图 工件单面受热时的弯曲变形计算,磨削长L、厚s的板类零件，其热变形挠度x根据下图计算如下：,例1：精密丝杠磨削时，工件的热伸长会引起螺距的累积误差。如：3m长的丝杠，每磨一刀温度就要升高3，工件伸长量 L300011.41063 mm 0.1mm,例4：在三工位的组合机床上，通过钻扩铰加工孔，此时粗、精加工间隔时间较短，粗加工时的热变形将影响到精加

18、工，工件冷却后，将产生加工误差。如：工件的尺寸是：外径40mm，孔径为20mm，长40mm，材料为钢材。钻孔时切削用量为n310 rmin，f0.36mm。钻孔后，温升达107，接着扩孔和铰孔，当工件冷却后孔的收缩量已超过精度规定值。,2.刀具的热变形对加工精度的影响,图 车刀的热变形,3.机床热变形对加工精度的影响,图 车床热变形a）热变形示意图 b）热变形曲线,图 几种类型的机床热变形,（四）减少和控制工艺系统热变形的主要途径,1 减少发热和隔离热源2 均衡温度场3 改进机床布局和结构设计4 保持工艺系统的热平衡5 控制环境温度6 热位移补偿,分离热源，采用隔热措施，改善摩擦条件，减少热量

19、产生。有时可采用强制冷却法，吸收热源热量，控制机床温升和热变形。合理安排工艺、粗精分开,1）减小温差；2）均衡关键件的温升，避免弯曲变形,1）采用热对称结构；2）合理选择机床零部件的安装基准均衡关键件的温升，避免弯曲变形,加工前使机床高速空转，达到热平衡时再切削加工,恒温车间、使用门帘、取暖装置均匀布置；恒温精度一般控制在1以内，精密级较高的机床为0.5.恒温室平均温度一般为20，夏季取23，冬季取17,寻求各部件热变形的规律建立热变形位移数字模型并存入计算机中进行实时补偿,机床主轴箱定位面位置对加工精度的影响,一、加工误差的性质及分类,加工误差,系统误差,常值误差,变值误差,随机误差,在顺序

20、加工一批一批工件时，误差的大小和方向保持不变者，称为常值系统性误差。,在顺序加工一批一批工件时，误差的大小和方向呈有规律变化者，称为变值系统性误差。,在顺序加工一批一批工件时，误差的大小和方向呈无规律者，称为随机性误差,5-3 加工误差的统计分析,误差性质不同，其解决的途径也不一样。对于常值系统性误差，在查明其大小和方向后，采取相应的调整或检修工艺装备，以及用一种常值系统性误差去补偿原来的常值系统性误差，即可消除或控制误差在公差范围之内。对于变值系统性误差，在查明其大小和方向随时间变化的规律后，可采用自动连续补偿或自动周期补偿的方法消除。对随机性误差，从表面上看似乎没有规律，但是应用数理统计的

21、方法可以找出一批工件加工误差的总体规律，查出产生误差的根源，在工艺上采取措施来加以控制。,二、加工误差的统计分析方法（一）分布图法1、实际分布图-直方图在同一工序中加工出的一批零件，由于误差的影响，其尺寸的实际值必然大小不一，那么，把加工完的一批n个零件的尺寸全部测量出来，然后按一定的尺寸（大小）间隔分成若干组；组内同一尺寸间隔范围内的零件数量称为频数，用mi表示；把 叫频率。,若以m或 为纵坐标，零件尺寸间隔（中值）为横坐标，即可画出该工序加工出一批n个零件加工尺寸的实际分布图-直方图。频率密度频率/组距频数/（样本容量组距）频率频率密度组距直方图上矩形的面积,例1 磨削一批轴颈为 的工件，

22、取其中100个工件，每个零件的尺寸测量结果如下表3-1（实测数据与基本尺寸之差），绘制加工尺寸的直方图。轴颈尺寸实测图,）,（1）收集数据 本例取100件，找出最大值Xmax=54，最小值Xmin=16（2）确定尺寸的分散范围（R），尺寸间隔，组距d和分组数k 取k=9,（3）确定组的边界值一般从全部数据中最小值一端开始，取最小值减去二分之一组距的位置，定为下边界值。各组组界为,本例中最小值为16，二分之一组距为2.5，则下边界值为16-2.5=13.5，上边界值为16+2.5=18.5。（4）确定组中值（即尺寸间隔中间值）Xi,（5）求频数mi 计算每组中包含的零件数（6）记录各组数据，整理

23、统计数据表,对直观图的分析：通过观察图形可以判断生产过程是否稳定，估计生产过程的加工质量及产生废品的可能性。若尺寸分散范围小于允许公差T，且分布中心与公差带中心重合，则不会出废品。若尺寸分散范围小于其尺寸公差带T，但两中心不重合（分布中心与公差带中心），此时有超差的可能性，应设法调整分布中心，使直方图两侧均有余地，防止废品产生。若工件尺寸分散范围恰好等于其公差带T，这种情况下稍有不慎就会产生废品，故应采取适当措施减小分散范围。若工件尺寸分散范围大于其公差带T，则必有废品产生，此时应设法减小加工误差或选择其它加工方法。,(2)正态分布曲线及其特点1）正态分布方程式,式中：y-分布密度（概率密度）

24、；X-分布曲线的横坐标（表示工件尺寸）；-工件的平均值（分散中心）；-正态分布随机变量标准偏差,2）正态分布曲线的特征参数正态分布曲线的特征参数有两个，即和。,曲线以 直线为轴左右对称呈钟形。如果改变平均值,则分布曲线将沿横坐标平行移动,其曲线形状不变,分布曲线与横坐标所围成的面积包括了全部零件的数量(100%),其面积等于1；其中在确定 范围内的面积占99.73%,仅有0.27%的工件在 之外可以忽略不计。因此正态分布的分散范围为如果 不变只改变 值,则曲线形状改变。但曲线所包围的面积不变,始终为1。所以当值愈小,曲线愈陡峭,尺寸分散范围就愈小,加工精度就愈高；反之则曲线愈平坦,尺寸分散范围

25、就愈大,加工精度就愈低。,工件尺寸非正态分布的几种典型情况。,图 非正态分布,3）正态分布曲线的特点 曲线对称于直线x=；曲线与x轴围成的面积为1。当x-=3时，曲线围成的面积为0.9973。生产中认为正态分布曲线的分散范围为3，工艺上称该原则为6准则。3（或6）的大小代表了某种加工方法在一定的条件（如毛坯余量、机床、夹具、刀具等）下所能达到的加工精度。一般应满足6T。,（3）分布曲线的应用1)确定各种加工方法所能达到的精度等级由于各种加工方法，在随机性因素的影响下所得加工尺寸的分散规律符合正态分布。因而可以在多次统计分析的基础上,为每一种加工方法求得它的标准差值。然后按尺寸分散范围为6 的规

26、律,即可确定各种加工方法的精度等级。2)判断加工误差性质,3）判断工艺能力工艺能力系数:,4)确定工件尺寸的合格率和废品率分布曲线与x轴所包围的面积代表了一批零件的总数。如果尺寸分散范围超出零件的公差带，则肯定有废品产生，如图示的阴影部分。若尺寸落在Lmin、Lmax范围内，空白部分的面积就是加工工件的合格率。自变量为,如图所示：如果尺寸分散范围大于零件的公差带T，将有废品产生。如图所示，在曲线下面C、D两点间的面积代表合格品的数量，而其余部分（图中阴影部分）表示废品的数量。当加工外圆时，图左边的阴影部分为不可修废品，右边的阴影部分为可修废品。,加工孔时，则恰恰相反。对于某一规定的x范围的曲线

27、面积，可由下面的积分式求得：,在一定的Z值时，函数(Z)的数值等于加工尺寸在x范围的概率。,各种不同Z值的(Z)值见下表。,(4)、分布曲线法分析加工误差的优缺点1）优点（1）可判断一个工序能否满足加工要求，及加工零件的合格率和废品率；（2）可判断产生废品的原因2）缺点（1）不能反映工件的先后加工顺序；（2）不能把变值系统误差同随机误差区分开来；（3）不能反映工件在加工过程中误差的变化规律，也不能为正在进行的工艺过程提供资料。,2 点图分析法（1）点图的形式1）单值点图 按加工顺序逐个测量一批工件的尺寸，以工件序号为横坐标，工件尺寸（或误差）为纵坐标。,2）X-R点图,为了能直接反映出加工中系

28、统性误差和随机性误差随加工时间的变化趋势，实际生产中常用样组点图来代替个值点图。,X-R点图的绘制：是以小样本顺序随机抽样为基础。在加工过程中，每隔一定的时间，随机抽取几件为一组作为一个小样本。在取得这些数据的基础上，再计算每组的平均值Xi和极差Ri。以样组序号为横坐标，分别以Xi和Ri为纵坐标，就可以分别作出X点图和R点图。（2）点图分析法的应用 点图分析法是全面质量管理中用以控制产品加工质量的主要方法之一，它是用于分析和判断工序是否处于稳定状态所使用的带有控制界限的图，又称管理图；X-R点图主要用于工艺验证、分析加工误差以及对加工过程的质量控制；,5-4 保证和提高加工精度的途径,一、减少

29、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，如细长轴加工用跟刀架会导致工件弯曲变形，现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。,二、误差补偿法,误差补偿法是人为造出一种新的误差，去抵消工艺系统中原有的原始误差。或用一种原始误差去抵消另一种原始误差。尽量使两者大小相等，方向相反，从而达到减少加工误差，提高加工精度的目的。,三、误差分组法,采用分组调整（又称均分误差）的办法。其实质就是把毛坯按误差的大小分为n组，每组毛坯的误差范围就缩小为原来的1/n。然后按各组分别调整加工，使各组工件的分散中心基本上一致，整批工件尺寸的分散范围就小很多。,四、误差转移法,误

30、差转移法实质上是转移工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等。误差转移法现场的实例很多。如当机床精度达不到零件加工要求时，常常不是一味提高机床精度，而是在工艺上或夹具上想办法，创造条件，使机床的几何误差转移到不影响加工精度的方面去。,刀具转位误差的转移图,五、就地加工法,“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，也称自身加工修配法。,六、误差平均法,对配合精度要求很高的轴和孔，常采用研磨方法来达到。研具本身并不要求具有高精度，但它却能在和工件作相对运动中对工件进行微量切削，最终达到很高的精度。这种表面间相对研擦和磨损的过程，也就是误差相互比较和相互消除的过程，此即称为“误差平均法”。,