概述 1. 加工精度與加工誤差 加工精度是指零件加工后的實際幾何參數(shù)(尺寸、形狀和位置)與理想幾何參數(shù)的符合程度。實際加工不可能做得與理想零件完全一致,總會有大小不同的偏差,零件加工后的實際幾何參數(shù)對理想幾何參數(shù)的偏離程度,稱為加工誤差。 2.加工經(jīng)濟(jì)精度 由于在加工過程中有很多因素影響加工精度,所以同一種加工方法在不同的工作條件下所能達(dá)到的精度是不同的。任何一種加工方法,只要精心操作,細(xì)心調(diào)整,并選用合適的切削參數(shù)進(jìn)行加工,都能使加工精度得到較大的提高,但這樣會降低生產(chǎn)率,增加加工成本。加工誤差δ與加工成本C成反比關(guān)系。某種加工方法的加工經(jīng)濟(jì)精度不應(yīng)理解為某一個確定值,而應(yīng)理解為一個范圍,在這個范圍內(nèi)都可以說是經(jīng)濟(jì)的。 3. 原始誤差 由機(jī)床、夾具、刀具和工件組成的機(jī)械加工工藝系統(tǒng)(簡稱工藝系統(tǒng))會有各種各樣的誤差產(chǎn)生,這些誤差在各種不同的具體工作條件下都會以各種不同的方式(或擴(kuò)大、或縮小)反映為工件的加工誤差。 工藝系統(tǒng)的原始誤差主要有工藝系統(tǒng)的幾何誤差、定位誤差、工藝系統(tǒng)的受力變形引起的加工誤差、工藝系統(tǒng)的受熱變形引起的加工誤差、工件內(nèi)應(yīng)力重新分布引起的變形以及原理誤差、調(diào)整誤差、測量誤差等。 4.研究機(jī)械加工精度的方法 a) 研究機(jī)械加工精度的方法分析計算法和統(tǒng)計分析法。 b) 采用滑動軸承時主軸的徑向圓跳動 二、工藝系統(tǒng)集合誤差 1.機(jī)床的幾何誤差 加工中刀具相對于工件的成形運(yùn)動一般都是通過機(jī)床完成的,因此,工件的加工精度在很大程度上取決于機(jī)床的精度。機(jī)床制造誤差對工件加工精度影響較大的有:主軸回轉(zhuǎn)誤差、導(dǎo)軌誤差和傳動鏈誤差。機(jī)床的磨損將使機(jī)床工作精度下降。 主軸回轉(zhuǎn)誤差 機(jī)床主軸是裝夾工件或刀具的基準(zhǔn),并將運(yùn)動和動力傳給工件或刀具,主軸回轉(zhuǎn)誤差將直接影響被加工工件的精度。 主軸回轉(zhuǎn)誤差是指主軸各瞬間的實際回轉(zhuǎn)軸線相對其平均回轉(zhuǎn)軸線的變動量。它可分解為徑向圓跳動、軸向竄動和角度擺動三種基本形式。 產(chǎn)生主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差的主要原因有:主軸幾段軸頸的同軸度誤差、軸承本身的各種誤差、軸承之間的同軸度誤差、主軸繞度等。但它們對主軸徑向回轉(zhuǎn)精度的影響大小隨加工方式的不同而不同。 譬如,在采用滑動軸承結(jié)構(gòu)為主軸的車床上車削外圓時,切削力F的作用方向可認(rèn)為大體上時不變的,見右圖,在切削力F的作用下,主軸頸以不同的部位和軸承內(nèi)徑的某一固定部位相接觸,此時主軸頸的圓度誤差對主軸徑向回轉(zhuǎn)精度影響較大,而軸承內(nèi)徑的圓度誤差對主軸徑向回轉(zhuǎn)精度的影響則不大;在鏜床上鏜孔時,由于切削力F的作用方向隨著主軸的回轉(zhuǎn)而回轉(zhuǎn),在切削力F的作用下,主軸總是以其軸頸某一固定部位與軸承內(nèi)表面的不同部位接觸,因此,軸承內(nèi)表面的圓度誤差對主軸徑向回轉(zhuǎn)精度影響較大,而主軸頸圓度誤差的影響則不大。圖中的δd表示徑向跳動量。 產(chǎn)生軸向竄動的主要原因是主軸軸肩端面和軸承承載端面對主軸回轉(zhuǎn)軸線有垂直度誤差。 不同的加工方法,主軸回轉(zhuǎn)誤差所引起的的加工誤差也不同。在車床上加工外圓和內(nèi)孔時,主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差可以引起工件的圓度和圓柱度誤差,但對加工工件端面則無直接影響。主軸軸向回轉(zhuǎn)誤差對加工外圓和內(nèi)孔的影響不大,但對所加工端面的垂直度及平面度則有較大的影響。在車螺紋時,主軸向回轉(zhuǎn)誤差可使被加工螺紋的導(dǎo)程產(chǎn)生周期性誤差。 適當(dāng)提高主軸及箱體的制造精度,選用高精度的軸承,提高主軸部件的裝配精度,對高速主軸部件進(jìn)行平衡,對滾動軸承進(jìn)行預(yù)緊等,均可提高機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度。 導(dǎo)軌誤差 導(dǎo)軌是機(jī)床上確定各機(jī)床部件相對位置關(guān)系的基準(zhǔn),也是機(jī)床運(yùn)動的基準(zhǔn)。車床導(dǎo)軌的精度要求主要有以下三個方面:在水平面內(nèi)的直線度;在垂直面內(nèi)的直線度;前后導(dǎo)軌的平行度(扭曲)。 臥式車床導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差△1將直接反映在被加工工件表面的法線方向(加工誤差的敏感方向)上,對加工精度的影響最大。臥式車床導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差△2可引起被加工工件的形狀誤差和尺寸誤差。但△2對加工精度的影響要比△1小得多。由右圖2可知,若因△2而使刀尖由a下降至b,不難推得工件半徑R的變化量。 當(dāng)前后導(dǎo)軌存在平行度誤差(扭曲)時,刀架運(yùn)動時會產(chǎn)生擺動,刀尖的運(yùn)動軌跡是一條空間曲線,使工件產(chǎn)生形狀誤差。由右圖可見,當(dāng)前后導(dǎo)軌有了扭曲誤差△3之后,由幾何關(guān)系可求得△y≈(H/B)△3。一般車床的H/B≈2/3,車床前后導(dǎo)軌的平行度誤差對加工精度的影響很大。 臥式車床導(dǎo)軌直線度誤差 臥式車床導(dǎo)軌垂直面內(nèi)直線度誤差對加工精度的影響 臥式車床導(dǎo)軌扭曲對加工精度的影響 除了導(dǎo)軌本身的制造誤差外,導(dǎo)軌的不均勻磨損和安裝質(zhì)量,也使造成導(dǎo)軌誤差的重要因素。導(dǎo)軌磨損是機(jī)床精度下降的主要原因之一。 傳動鏈誤差 傳動鏈誤差是指傳動鏈?zhǔn)寄﹥啥藗鲃釉g相對運(yùn)動的誤差。一般用傳動鏈末端元件的轉(zhuǎn)角誤差來衡量。 工件在夾具中裝夾示意圖 2.刀具的幾何誤差 刀具誤差對加工精度的影響隨刀具種類的不同而不同。采用定尺寸刀具成形刀具展成刀具加工時,刀具的制造誤差會直接影響工件的加工精度;而對一般刀具(如車刀等),其制造誤差對工件加工精度無直接影響。 任何刀具在切削過程中,都不可避免地要產(chǎn)生磨損,并由此引起工件尺寸和形狀地改變。正確地選用刀具材料和選用新型耐磨地刀具材料,合理地選用刀具幾何參數(shù)和切削用量,正確地刃磨刀具,正確地采用冷卻液等,均可有效地減少刀具地尺寸磨損。必要時還可采用補(bǔ)償裝置對刀具尺寸磨損進(jìn)行自動補(bǔ)償。 3.夾具的幾何誤差 夾具的作用時使工件相當(dāng)于刀具和機(jī)床具有正確的位置,因此夾具的制造誤差對工件的加工精度(特別使位置精度)有很大影響。如右圖鉆床夾具中,鉆套軸心線f至夾具定位平面c間的距離誤差,影響工件孔a至底面B尺寸L的精度;鉆套軸心線f至夾具定位平面c間的平行度誤差,影響工件孔軸心線a至底面B的平行度;夾具定位平面c與夾具體底面d底的垂直度誤差,影響工件孔軸心線a與底面B間的尺寸精度和平行度;鉆套孔的直徑誤差亦將影響工件孔a至底面B的尺寸精度和平行度。 三、定位誤差 定位誤差是指一批工件采用調(diào)整法加工時因定位不正確而引起的尺寸或位置的最大變動量。定位誤差由基準(zhǔn)不重合誤差和定位副制造不準(zhǔn)確誤差造成。 a) 零件圖 b) 加工f面 c) 加工g面方案Ⅰ d) 加工g面方案Ⅱ 基準(zhǔn)不重合誤差分析示例 1.基準(zhǔn)不重合誤差 在零件圖上用來確定某一表面尺寸、位置所依據(jù)的基準(zhǔn)稱為設(shè)計基準(zhǔn)。在工序圖上用來確定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依據(jù)的基準(zhǔn)稱為工序基準(zhǔn)。一般情況下,工序基準(zhǔn)應(yīng)與設(shè)計基準(zhǔn)重合。在機(jī)床上對工件進(jìn)行加工時,須選擇工件上若干幾何要素作為加工時的定位基準(zhǔn)(或測量基準(zhǔn)),如果所選用的定位基準(zhǔn)(或測量基準(zhǔn))與設(shè)計基準(zhǔn)不重合,就會產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合誤差。基準(zhǔn)不重合誤差等于定位基準(zhǔn)相對于設(shè)計基準(zhǔn)在工序尺寸方向上的最大變動量。 圖示零件,設(shè)e面已加工好,今在銑床上用調(diào)整法加工f面和g面。在加工f面時若選e面為定位基準(zhǔn),則f面的設(shè)計基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)都是e面,基準(zhǔn)重合,沒有基準(zhǔn)不重合誤差,尺寸A的制造公差為TA。加工g面時,定位基準(zhǔn)有兩種不同的選擇方案,一種方案(方案Ⅰ)加工時選用f面作為定位基準(zhǔn),定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)重合,沒有基準(zhǔn)不重合誤差,尺寸B的制造公差為TB;但這種定位方式的夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜,夾緊力的作用方向與銑削力方向相反,不夠合理,操作也不方便。另一種方案(方案Ⅱ)是選用e面作為定位基準(zhǔn)來加工g面,此時,工序尺寸C是直接得到的,尺寸B是間接得到的,由于定位基準(zhǔn)e與設(shè)計基準(zhǔn)f不重合而給g面加工帶來的基準(zhǔn)不重合誤差等于設(shè)計基準(zhǔn)f面相對于定位基準(zhǔn)e面在尺寸B方向上的最大變動量TA。 定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)不重合時所產(chǎn)生的基準(zhǔn)不重合誤差,只有在采用調(diào)整法加工時才會產(chǎn)生,在試切法加工中不會產(chǎn)生。 a) 孔和定位心軸不存在間隙時 b) 孔和定位心軸存在間隙時 由定位副制造不準(zhǔn)確引起的誤差 2.定位副制造不準(zhǔn)確誤差 工件在夾具中的正確位置是由夾具上的定位元件來確定的。夾具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得絕對準(zhǔn)確,它們得實際尺寸(或位置)都允許在分別規(guī)定得公差范圍內(nèi)變動。同時,工件上的定位基準(zhǔn)面也會有制造誤差。工件定位面與夾具定位元件共同構(gòu)成定位副,由于定位副制造得不準(zhǔn)確和定位副間的配合間隙引起的工件最大位置變動量,稱為定位副制造不準(zhǔn)確誤差。 右圖所示工件的孔裝夾在水平放置的心軸上銑削平面,要求保證尺寸h,由于定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)重合,故無基準(zhǔn)不重合誤差;但由于工件的定位基面(內(nèi)孔D)和夾具定位元件(心軸d1)皆有制造誤差,如果心軸制造得剛好為d1min,而工件得內(nèi)孔剛好為Dmax(如圖示),當(dāng)工件在水平放置得心軸上定位時,工件內(nèi)孔與心軸在P點接觸,工件實際內(nèi)孔中心得最大下移量△ab=(Dmax-d1min)/2,△ab就是定位副制造不準(zhǔn)確而引起的誤差。 基準(zhǔn)不重合誤差的方向和定位副制造不準(zhǔn)確誤差的方向可能不相同,定位誤差取為基準(zhǔn)不重合誤差和定位副制造不準(zhǔn)確誤差的矢量和。 四、工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差 a) 車細(xì)長軸 b) 磨內(nèi)圓 受力變形對工件精度的影響 1.基本概念 機(jī)械加工工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力、慣性力、重力、傳動力等的作用下,會產(chǎn)生相應(yīng)的變形,從而破壞了刀具和工件之間的正確的相對位置,使工件的加工精度下降。如右圖a示,車細(xì)長軸時,工件在切削力的作用下會發(fā)生變形,使加工出的軸出現(xiàn)中間粗兩頭細(xì)的情況;又如在內(nèi)圓磨床上進(jìn)行切入式磨孔時,右圖b,由于內(nèi)圓磨頭軸比較細(xì),磨削時因磨頭軸受力變形,而使工件孔呈錐形。 垂直作用于工件加工表面(加工誤差敏感方向)的徑向切削分力Fy與工藝系統(tǒng)在該方向上的變形y之間的比值,稱為工藝系統(tǒng)剛度k系, k系=Fy/y 式中的變形y不只是由徑向切削分力Fy所引起,垂直切削分力Fz與走刀方向切削分力Fx也會使工藝系統(tǒng)在y方向產(chǎn)生變形,故 y=yFx+yFy+yFz 2.工件剛度 工藝系統(tǒng)中如果工件剛度相對于機(jī)床、刀具、夾具來說比較低,在切削力的作用下,工件由于剛度不足而引起的變形對加工精度的影響就比較大,其最大變形量可按材料力學(xué)有關(guān)公式估算。 3.刀具剛度 外圓車刀在加工表面法線(y)方向上的剛度很大,其變形可以忽略不計。鏜直徑較小的內(nèi)孔,刀桿剛度很差,刀桿受力變形對孔加工精度就有很大影響。刀桿變形也可以按材料力學(xué)有關(guān)公式估算。 4.機(jī)床部件剛度 機(jī)床部件剛度 機(jī)床部件由許多零件組成,機(jī)床部件剛度迄今尚無合適的簡易計算方法,目前主要還是用實驗方法來測定機(jī)床部件剛度。分析實驗曲線可知,機(jī)床部件剛度具有以下特點: 變形與載荷不成線性關(guān)系; 加載曲線和卸載曲線不重合,卸載曲線滯后于加載曲線。兩曲線線間所包容的面積就是載加載和卸載循環(huán)中所損耗的能量,它消耗于摩擦力所作的功和接觸變形功; 第一次卸載后,變形恢復(fù)不到第一次加載的起點,這說明有殘余變形存在,經(jīng)多次加載卸載后,加載曲線起點才和卸載曲線終點重合,殘余變形才逐漸減小到零; 機(jī)床部件的實際剛度遠(yuǎn)比我們按實體估算的要小。 影響機(jī)床部件剛度的因素 結(jié)合面接觸變形的影響 摩擦力的影響 低剛度零件的影響 間隙的影響 5.工藝系統(tǒng)剛度及其對加工精度的影響 在機(jī)械加工過程中,機(jī)床、夾具、刀具和工件在切削力作用下,都將分別產(chǎn)生變形y機(jī)、y夾、y刀、y工,致使刀具和被加工表面的相對位置發(fā)生變化,使工件產(chǎn)生加工誤差。工藝系統(tǒng)剛度的倒數(shù)等于其各組成部分剛度的倒數(shù)和。 工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響主要有以下幾種情況: 由于工藝系統(tǒng)剛度變化引起的誤差 由于切削力變化引起的誤差 毛坯形狀誤差的復(fù)映 加工過程中,由于工件的加工余量發(fā)生變化工件材質(zhì)不均等因素引起的切削力變化,使工藝系統(tǒng)變形發(fā)生變化,從而產(chǎn)生加工誤差。 若毛坯A有橢圓形狀誤差(如右圖)。讓刀具調(diào)整到圖上雙點劃線位置,由圖可知,在毛坯橢圓長軸方向上的背吃刀量為ap1,短軸方向沙國內(nèi)的背吃刀量為ap2。由于背吃刀量不同,切削力不同,工藝系統(tǒng)產(chǎn)生的讓刀變形也不同,對應(yīng)于ap1產(chǎn)生的讓刀為y1,對應(yīng)于ap2產(chǎn)生的讓刀為y2,故加工出來的工件B仍然存在橢圓形狀誤差。由于毛坯存在圓度誤差△毛=ap1-ap2,因而引起了工件的圓度誤差△工=y(tǒng)1-y2,且△毛愈大,△工愈大,這種現(xiàn)象稱為加工過程中的毛坯誤差復(fù)映現(xiàn)象?!鞴づc△毛之比值ε稱為誤差復(fù)映系數(shù),它是誤差復(fù)映程度的度量。 尺寸誤差(包括尺寸分散)和形狀誤差都存在復(fù)映現(xiàn)象。如果我們知道了某加工工序的復(fù)映系數(shù),就可以通過測量毛坯的誤差值來估算加工后工件的誤差值。 由于夾緊變形引起的誤差 工件在裝夾過程中,如果工件剛度較低或夾緊力的方向和施力點選擇不當(dāng),將引起工件變形,造成相應(yīng)的加工誤差。 其它作用力的影響 6.減小工藝系統(tǒng)受力變形的途徑 由前面對工藝系統(tǒng)剛度的論述可知,若要減少工藝系統(tǒng)變形,就應(yīng)提高工藝系統(tǒng)剛度,減少切削力并壓縮它們的變動幅值。 提高工藝系統(tǒng)剛度 提高工件和刀具的剛度 提高機(jī)床剛度 采用合理的裝夾方式和加工方式 減小切削力及其變化 合理地選擇刀具材料,增大前角和主偏角,對工件材料進(jìn)行合理的熱處理以改善材料地加工性能等,都可使切削力減小。 五、工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差 工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響比較大,特別是在精密加工和大件加工中,由熱變形所引起的加工誤差有時可占工件總誤差的40%~70%。機(jī)床、刀具和工件受到各種熱源的作用,溫度會逐漸升高,同時它們也通過各種傳熱方式向周圍的物質(zhì)和空間散發(fā)熱量。當(dāng)單位時間傳入的熱量與其散出的熱量相等時,工藝系統(tǒng)就達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。 1.工藝系統(tǒng)的熱源——內(nèi)部熱源和外部熱源 2.減小工藝系統(tǒng)熱變形的途徑 減少發(fā)熱和隔熱 改善散熱條件 均衡溫度場 改進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu) 加快溫度場的平衡 控制環(huán)境溫度 六、內(nèi)應(yīng)力重新分布引起的誤差 1.基本概念 沒有外力作用而存在于零件內(nèi)部的應(yīng)力,稱為內(nèi)應(yīng)力。 工件上一旦產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力之后,就會使工件金屬處于一種高能位的不穩(wěn)定狀態(tài),它本能地要向低能位的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化,并伴隨有變形發(fā)生,從而使工件喪失原有的加工精度。 2.內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生 熱加工中內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生 鑄件因內(nèi)應(yīng)力而引起的變形 在熱處理工序中由于工件壁厚不均勻、冷卻不均、金相組織的轉(zhuǎn)變等原因,使工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。圖示一個內(nèi)外壁厚相差較大的鑄件。澆鑄后,鑄件將逐漸冷卻至室溫。由于壁1和壁2比較薄,散熱較易,所以冷卻比較快。壁3比較厚,所以冷卻比較慢。當(dāng)壁1和壁2從塑性狀態(tài)冷到彈性狀態(tài)時,壁3的溫度還比較高,尚處于塑性狀態(tài)。所以壁1和壁2收縮時壁3不起阻擋變形的作用,鑄件內(nèi)部不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。但當(dāng)壁3也冷卻到彈性狀態(tài)時,壁1和壁2的溫度已經(jīng)降低很多,收縮速度變得很慢。但這時壁3收縮較快,就受到了壁1和壁2的阻礙。因此,壁3受拉應(yīng)力的作用,壁1和2受壓應(yīng)力作用,形成了相互平衡的狀態(tài)。如果在這個鑄件的壁1上開一個口,則壁1的壓應(yīng)力消失,鑄件在壁3和2的內(nèi)應(yīng)力作用下,壁3收縮,壁2伸長,鑄件就發(fā)生彎曲變形,直至內(nèi)應(yīng)力重新分布達(dá)到新的平衡為止。推廣到一般情況,各種鑄件都難免產(chǎn)生冷卻不均勻而形成的內(nèi)應(yīng)力,鑄件的外表面總比中心部分冷卻得快。特別是有些鑄件(如機(jī)床床身),為了提高導(dǎo)軌面的耐磨性,采用局部激冷的工藝使它冷卻更快一些,以獲得較高的硬度,這樣在鑄件內(nèi)部形成的內(nèi)應(yīng)力也就更大些。若導(dǎo)軌表面經(jīng)過粗加工剝?nèi)ヒ恍┙饘伲@就象在圖中的鑄件壁1上開口一樣,必將引起內(nèi)應(yīng)力的重新分布并朝著建立新的應(yīng)力平衡的方向產(chǎn)生彎曲變形。為了克服這種內(nèi)應(yīng)力重新分布而引起的變形,特別是對大型和精度要求高的零件,一般在鑄件粗加工后安排進(jìn)行時效處理,然后再作精加工。 冷校直產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力 校直引起的內(nèi)應(yīng)力 絲杠一類的細(xì)長軸經(jīng)過車削以后,棒料在軋制中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力要重新分布,產(chǎn)生彎曲,如右圖示。冷校直就是在原有變形的相反方向加力F,使工件向反方向彎曲,產(chǎn)生塑性變形,以達(dá)到校直的目的。在F力作用下,工件內(nèi)部的應(yīng)力分布如圖b所示。當(dāng)外力F去除以后,彈性變形部分本來可以完成恢復(fù)而消失,但因素心變形部分恢復(fù)不了,內(nèi)外層金屬就起了互相牽制的作用,產(chǎn)生了新的內(nèi)應(yīng)力平衡狀態(tài),如圖c所示,所以說,冷校直后的工件雖然減少了彎曲,但是依然處于不穩(wěn)定狀態(tài),還會產(chǎn)生新的彎曲變形。 3.減小內(nèi)應(yīng)力變形誤差的途徑 改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)——設(shè)計零件時,盡量做到壁厚均勻,結(jié)構(gòu)對稱,以減少內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。 增設(shè)消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理工序 合理安排工藝過程——粗加工和精加工宜分階段進(jìn)行,使工件在粗加工后有一定的時間來松弛內(nèi)應(yīng)力。 七、提高加工精度的途徑 減小原始誤差 轉(zhuǎn)移原始誤差 均分原始誤差 均化原始誤差 誤差補(bǔ)償 匯保:www.hnhuibao.com