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第六章 机械加工精度 零件的加工质量是整个产品质量的基础,它直接影机器的工作性能和寿命.

机械产品质量是通过一些特性指标来体现的.零件的机械加工质量,包括加工精度与加工表面质量两大方面.机械加工精度是指零件经过加工后的尺寸、几何形状以及各表面相互位置等参数的实际值与理想值相符合的程度,而它们之间的偏离程度则称为加工误差. 6.1 机械加工精度的概念6.1.1 机械加工精度的含义及内容 零件的几何参数包括几何形状、尺寸和相互位置三个方面,故加工精度包括:(1)尺寸精度:限制加工表面与其基准间尺寸误差不超过一定的范围;

(2)几何形状精度:限制加工表面宏观几何形状误差,如圆度、圆柱度、平面度、直线度等;

(3)相互位置精度:限制加工表面与其基准间的相互位置误差,如平行度、垂直度、同轴度、位置度等. 6.1.2 机械加工误差分类1.系统误差与随机误差 从误差是否被人们掌握来分,可分为系统误差和随机误差(又称偶然误差)凡是误差的大小和方向均已掌握,则为系统误差,它可以用代数和来进行综合.凡是没掌握规律的误差,为随机误差.有可能是掌握了误差的大小但不掌握其方向或掌握了误差的方向而不掌握其大小.它不能用代数和来进行综合,只能用数理统计方法来处理. 系统误差又可以分为常值系统误差和变值系统误差.常值系统误差的数值是不变的,例如,由于采用近似加工方法所带来的加工理论误差,机床、夹具、刀具和量具的制造误差等都是常值系统误差.变值系统误差是误差的大小和方向按一定规律变化,可按线性变化,也可按非线性变化.例如刀具在正常磨损时,其磨损值与时间成线性正比关系,它是线性变值系统误差;

而刀具受热伸长,其伸长量和时间是指数曲线关系,它是非线性变值系统误差,但它们的规律都是已掌握的. 2.静态误差与切削状态误差 从误差是否与切削状态有关来分,可分为静态误差与切削状态误差. 工艺系统在不切削状态下所出现的误差,通常称之为静态误差,例如机床的几何精度和传动精度等. 工艺系统在切削状态下所出现的误差,通常称之为切削状态误差,如机床在切削时的受力变形和受热变形等. 6.2 获得加工精度的方法1.试切法 2.调整法 3.定尺寸刀具法 4.自动控制法 调整法可以分为静调整法(静调整法又称样件法)和动调整法(按试切零件进行调整,直接测量试切零件的尺寸)两类. 试切法 镗孔时的静调整法对刀 铣削时的静调整法对刀 车刀 千分表 V型块 镗刀杆 镗刀 工件 加工面 铣刀 厚薄规尺寸 加工要求尺寸 对刀块 主动测量法 支架 千分表 砂轮 工件 6.3 影响加工精度的因素 零件的加工精度主要取决于工艺系统(机床、夹具、刀具及工件组成的系统)的结构要素和运行方式.一般来说,形状精度由机床精度和刀具精度来保证;

位置精度主要取决于机床精度、夹具精度和工件的装夹精度.因此,工艺系统中的各种误差,会在不同的具体条件下,以不同的程度反映到加工工件上,形成加工误差.所以把工艺系统的误差称为原始误差. 机械加工过程中可能出现的原始误差如下:? 原始误差 工艺系统的制造误差及磨损 加工原理误差 加工过程中的其他原始误差 工艺系统力、热效应引起的变形 机床的制造误差及磨损夹具的制造误差及磨损刀具的制造误差及磨损 工件装夹误差调整误差测量误差 工艺系统受力变形工艺系统受热变形工艺内应力引起的变形 6.3.1 加工原理误差对加工精度的影响 加工原理误差,指采用原理上近似的加工方法所引起的误差.例如,在普通公制丝杠的车床上加工模数制和英制螺纹,只能用近似的传动比配置挂轮,加工方法本身就带来一个传动误差.又如,齿轮的滚齿加工,常用阿基米德滚刀,由于制造阿基米德滚刀的基本蜗杆螺纹面的形成原理与制造渐开线滚刀的基本蜗杆螺纹面的形成原理不同,因而这两种基本蜗杆的螺纹面形状不同.阿基米德基本蜗杆轴向截面为直线,渐开线基本蜗杆轴向截面为曲线,所以用阿基米德基本蜗杆制造的阿基米德滚刀加工渐开线齿轮会产生齿形误差. 6.3.2 工艺系统的制造误差和磨损对加工精度的影响 1.机床的制造精度和磨损(1)导轨误差 导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准,也是运动的基准,它的各项误差直接影响被加工工件的精度.例如车床的床身导轨,在水平面内有了弯曲以后,在纵向切削过程中,刀尖的运动轨迹相对于工件轴心线之间就不能保持平行,当导轨向后凸出时,工件上就产生鞍形加工误差.而当导轨向前凸出时,就产生鼓形加工误差. 导轨在垂直平面内的弯曲对加工精度的影响就不大一样,小到可以忽略不计的程度,其原理类似于车刀安装平面是否通过工件中心的影响. (2)主轴误差 机床主轴是工件或刀具的位置基准和运动基准,它的误差直接影响着工件的加工精度.对于主轴的要求,集中到一点,就是在运转的情况下它能保持轴心线的位置稳定不变,即回转精度.主轴的回转精度不但和主轴部件的制造精度(包括加工精度和装配精度)有关,而且还和受力、热后主轴的变形有关. 主轴的回转误差可以分为四种基本形式:纯径向跳动、纯角度摆动、纯轴向窜动和轴心漂移.不同形式的主轴回转误差对加工精度的影响不同;

同一形式的回转误差在不同的加工方式(例如车削和镗削)中对加工精度的影响也不一样. 纯径向跳动对镗孔的影响 主轴回转误差的基本形式 理想形状镗孔实际形状 纯径向移动 纯轴向窜动 回转中心线 轴心漂移 角度摆动 主轴轴向窜动对端面的影响 2.刀具的制造误差和磨损 对加工精度的影响,不同的刀具有不同的结果.

1、定尺寸刀具,如钻头、铰刀、圆孔拉刀、丝攻、板牙、铣槽刀等,加工时刀具的尺寸与形状精度直接影响工件的尺寸及形状精度.

2、成形刀具,如成形铣刀、车刀、砂轮等的形状精度直接决定工件的形状精度.

3、展成法加工用刀具,如滚齿刀、插齿刀的精度影响齿轮的加工精度.

4、普通单刃刀具,普通车刀、镗刀等的精度对工件加工精度没有直接影响,但磨损后对工件尺寸或形状精度有一定影响. 对加工精度的影响来源于刀刃在加工表面法线方向(误差敏感方向)的磨损量.车削外圆时,刀尖的尺寸磨损会使工件产生锥度. 为了减少刀具尺寸磨损对加工精度的影响,可以采取如下措施: (1)进行尺寸补偿.在数控机床上可以比较方便地进行刀具尺寸补偿,它不仅可以补偿尺寸磨损,而且可以补偿刀具刃磨后的尺寸变化,如棒铣刀、圆盘铣刀等;

(2)降低切削速度,增长刀具寿命;

(3)选用耐磨性较高的刀具材料. 3.夹具的制造误差和磨损 夹具的制造精度主要表现在定位元件、对刀装置和导向元件等本身的精度以及它们之间的相对位置精度.定位元件确定了工件与夹具之间的相对位置,对刀装置和导向元件确定了刀具与夹具之间的相对位置,通过夹具就间接确定了工件和刀具之间的相对位置,从而保证了加工精度. 夹具中定位元件、对刀装置和导向元件的磨损会直接影响加工精度. 6.3.3 工艺系统受力变形对加工精度的影响 1.刚度的概念 机械加工过程中,工艺系统在切削力和其它外力的作用下,会产生相应的变形,从而破坏刀具和工件之间的已调整好的相对位置和成形运动的位置,使加工后的工件产生尺寸和几何形状误差. 工艺系统在切削力等外力的作用下产生变形,包括系统各环节产生的弹性变形和各环节的连接处的接触变形.其变形的大小不但取决于作用力的大小,而且也取决于工艺系统抵抗其作用力的能力,即工艺系统的刚度. 从影响机械加工精度的观点出发,工艺系统的刚度是指:工艺系统在切削力综合作用下的y方向(加工表面的法线方向)的切削分力与y方向的变形的比值.即 由于切削过程中切削力是变化的,工艺系统在动态下产生的变形不同于静态下的变形,这样就有动刚度和静刚度的区别.工艺系统的动刚度和静刚度特性对加工精度影响极大.工艺系统的动刚度主要造成工艺系统的振动,而工艺系统的振动则主要影响加工表面质量. 2.切削力作用点的位置变化而产生的误差 例车床顶尖间加工光轴,机床受力变形对加工精度的影响如图.在车床的两顶尖间车削短而粗的光轴时,由于工件刚度大,忽略工件的变形. 当车刀进给过程中,在相距头架任意位置x时,工件的轴心线由AB位移到A'

B'

,此时头架、尾架、刀架受力分别为: 机床变形及刚度是车刀切削位置的二次函数,且为一抛物线方程式,即车刀刀刃所走的轨迹为抛物线,故车削出的工件呈鞍形.在两顶尖间车削细长轴时,由于工件刚性很差,则必须考虑工件变形.此时工艺系统的总变形为:工艺系统刚度为: 3.切削力大小的变化而引起的误差 由于毛坯加工余量不均匀,或由于其它原因引起切削力和工艺系统受力变形发生变化,工件产生尺寸误差和形状误差.如车削一个横截面为椭圆形的毛坯,致使工件产生相应的椭圆形误差,现象称为 误差复映 . 毛坯形状误差的复映 毛坯半径误差 工件半径误差 根据切削力公式,径向力Fy可表示为: 其中a'

Pl、a'

p2为毛坯横截面长、短半径处的实际切深,由于yl、y2远小于实际切深,故可用理论切深代替实际切深,得: ε定量地反映了毛坯误差经加工之后的减少程度,称为 误差复映系数 .工艺系统刚度愈高,则ε愈小,也就是毛坯误差复映在工件上的误差愈小.当毛坯误差较大,加工过程分成几次走刀进行时,若每次走刀的复系数为ε1,ε2,…εn,则总的复映系数........