機械制造工藝學(xué)（第3版）課件：機械加工精度控制

機械制造工藝學(xué)1機械加工精度控制

任務(wù)缸套零件機械加工精度的控制如圖6-1所示要加工一批薄壁缸套，材料為QT600-3，精度等級為6級，試分析該種薄壁零件宜采用何種方法保證其加工精度和表面質(zhì)量，并制定其機械加工工藝過程卡。圖6-1薄壁缸套3本任務(wù)為一薄壁缸套零件，其結(jié)構(gòu)簡單但尺寸大、壁厚薄，尺寸精度和表面粗糙度要求均較高，同時外圓與內(nèi)孔有同軸度要求，兩端面有平行度要求，如何在機械加工中解決裝夾定位，確保不因夾緊力、切削力、磨削力的作用影響零件加工精度是解決該任務(wù)的關(guān)鍵。4原始誤差產(chǎn)生加工誤差的根源，它包括：加工誤差加工原理誤差機床幾何誤差（工藝系統(tǒng)靜誤差）工藝系統(tǒng)動誤差1.力的作用點變化2.力的大小變化3.慣性力、傳動力、重力、夾緊力引起的變化工藝系統(tǒng)受力變形工藝系統(tǒng)受熱變形工藝系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)力變形1.機床熱變形2.工件熱變形3.刀具熱變形工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響一、概述在機械加工過程中，尤其是在某些精密加工中，由于熱變形引起的加工誤差約占總加工誤差的40%~70%。熱變形不僅降低了系統(tǒng)的加工精度，而且還影響了加工效率的提高。(一)工藝系統(tǒng)的熱源工藝系統(tǒng)熱源內(nèi)部熱源外部熱源切削熱摩擦熱環(huán)境熱源輻射熱切削熱是在切削過程中，切削層金屬的彈性變形和塑性變形以及刀具與工件、切屑間的摩擦所產(chǎn)生的。它由工件、切屑、刀具、夾具、機床、切削液以及周圍介質(zhì)傳出。它是刀具和工件熱變形的主要熱源。摩擦熱主要是機床和液壓系統(tǒng)中運動部件產(chǎn)生的，如電動機、軸承、齒輪傳動副、導(dǎo)軌副、液壓泵、閥等運動部件均會產(chǎn)生摩擦熱，它是機床熱變形的主要熱源。

7工藝系統(tǒng)的外部熱源，主要是環(huán)境溫度的變化和熱輻射的影響較大，對大型和精密工件的加工影響比較顯著。8(二)工藝系統(tǒng)的熱平衡工藝系統(tǒng)受各種熱源的影響，其溫度會逐漸升高。與此同時，它們也通過各種傳熱方式向周圍散發(fā)熱量。當(dāng)單位時間內(nèi)傳入和散發(fā)的熱量相等時，則認(rèn)為工藝系統(tǒng)達到了熱平衡。圖6-34所示為一般機床工作時的溫度和時間曲線。9二、機床熱變形引起的加工誤差機床受熱源的影響，各部分溫度將發(fā)生變化，由于熱源分布的不均勻和機床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，機床各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，破壞了機床原有的幾何精度，從而引起了加工誤差。車床類機床主軸箱中的軸承、齒輪、離合器等傳動副的摩擦使主軸箱和床身的溫度上升，從而造成了機床主軸抬高和傾斜。10圖6-36所示為外圓磨床溫升和熱變形的測量結(jié)果。對大型機床如導(dǎo)軌磨床、外圓磨床、龍門銑床等長床身部件，由于溫度分層變化，床身上表面比床身的底面溫度高而形成溫差，因此床身將產(chǎn)生彎曲變形，表面呈中凸?fàn)?，如圖6-37所示。11圖6-38所示為大型平面磨床工作臺熱變形的實測記錄。因油溫的變化，引起工作臺的熱變形(圖6-38中虛線)，將影響工件的平行度誤差。采用冷卻器使油液冷卻后，有一定效果，但由于電磁吸盤的發(fā)熱，使工作臺上部溫度仍然較高，工作臺變形仍然較大(圖6-38中實線)。12圖6-39幾種機床的熱變形趨勢a)車床b)銑床c)立式平面磨床d)雙端面磨床13三、工件熱變形引起的加工誤差由于加工方法、工件材料、結(jié)構(gòu)尺寸等的不同，工件受熱變形情況和對加工精度的影響也不同。①細(xì)長軸在頂尖間車削時，熱變形將使工件伸長，導(dǎo)致工件的彎曲變形，加工后將產(chǎn)生圓柱度誤差。②精密絲杠磨削時，工件的受熱伸長會引起螺距的積累誤差。例如

磨削長度為3000mm的絲杠，每一次走刀溫度將升高3℃，工件熱伸長量為Δ=3000×12×10-6×3mm=0.1mm(12×10-6為鋼材的熱膨脹系數(shù))。而6級絲杠螺距積累誤差，按規(guī)定在全長上不許超過0.02mm，可見熱變形對加工精度影響的嚴(yán)重性。③床身導(dǎo)軌面的磨削，由于單面受熱，與底面產(chǎn)生溫差而引起熱變形，使磨出的導(dǎo)軌產(chǎn)生直線度誤差。④薄圓環(huán)磨削，如圖6-40所示，雖近似均勻受熱，但磨削時磨削熱量大，工件質(zhì)量小，溫升高，在夾壓處散熱條件較好，該處溫度較其他部分低，加工完畢工件冷卻后，會出現(xiàn)棱圓形的圓度誤差。15四、刀具熱變形引起的加工誤差刀具切削部分質(zhì)量小(體積小)，熱容量小，所以刀具切削部分的溫升大。例如用高速鋼刀具車削時，刃部的溫度高達700~800℃，刀具熱伸長量可達0.03~0.05mm。曲線1為車刀連續(xù)車削時；曲線3為車刀冷卻過程車刀變形情況;當(dāng)車削一批短小軸類工件時，加工由于需要裝卸工件而時斷時續(xù)，車刀進行間斷切削，熱變形在Δ范圍內(nèi)變動，其變形過程如曲線2。161．減少發(fā)熱和隔熱

分離熱源、采用隔熱措施，改善摩擦條件，減少熱量產(chǎn)生，如6-42。有時可采用強制冷卻法，吸收熱源熱量，控制機床溫升和熱變形。合理安排工藝、粗精分開。1)采用熱對稱結(jié)構(gòu)2)合理選擇機床零部件的安裝基準(zhǔn)尋求各部件熱變形的規(guī)律建立熱變形位移數(shù)字模型并存入計算機中進行實時補償加工前使機床高速空轉(zhuǎn)，達到熱平衡時再切削加工1）減小溫差；2）均衡關(guān)鍵件的溫升，避免彎曲變形（如圖2－30所示）恒溫車間、使用門簾、取暖裝置均勻布置；恒溫精度一般控制在±1℃以內(nèi)，精密級較高的機床為±0.5℃。恒溫室平均溫度一般為20℃，在夏季取23℃，在冬季可取17℃2．加強散熱能力3．用熱補償法減少熱變形的影響4．控制溫度的變化5．控制環(huán)境溫度6.熱位移補償五、減少工藝系統(tǒng)熱變形的主要途徑17五、減少工藝系統(tǒng)熱變形的主要途徑(一)減少發(fā)熱和隔熱①切削中內(nèi)部熱源是機床產(chǎn)生熱變形的主要根源。為了減少機床的發(fā)熱，采用分離熱源，如用隔熱材料將發(fā)熱部件和機床大件分隔開來（如圖6-42）；從結(jié)構(gòu)和潤滑等方面改善其摩擦特性，減少發(fā)熱等方式。②切屑和切削液也是使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生熱變形的重要因素。對切屑傳出的熱，可采用及時清除、切削液冷卻或在工作臺上裝隔熱板來減少它的影響。18(二)加強散熱能力為了消除機床內(nèi)部熱源的影響，可以采用強制冷卻的辦法，吸收熱源發(fā)出的熱量，從而控制機床的溫升和熱變形。大型數(shù)控機床、加工中心機床都普遍使用冷凍機對潤滑油和切削液進行強制冷卻，以提高冷卻的效果。19(三)用熱補償法減少熱變形的影響采用熱補償法使機床的溫度場比較均勻，從而使機床產(chǎn)生均勻的熱變形以減少對加工精度的影響。20(四)控制溫度的變化在加工或測量精密零件時，應(yīng)控制室溫的變化。采用噴油冷卻整臺機床或采用機床預(yù)熱等的方法控制溫度變化的方法。21(三)慣性力、傳動力、重力和夾緊力所引起的加工誤差工藝系統(tǒng)受力變形總的來說可以分為兩個方面，即外力和內(nèi)力。產(chǎn)生原因：在鑄、鍛、焊等毛坯的生產(chǎn)過程中，由于工件各部分的厚薄不均，冷卻速度不均勻而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。工件內(nèi)應(yīng)力對加工精度的影響工件在沒有外加載荷的情況下，仍然殘存在工件內(nèi)部的應(yīng)力稱內(nèi)應(yīng)力或殘余應(yīng)力。一、毛坯的內(nèi)應(yīng)力細(xì)長的軸類零件，如光杠、絲杠、曲軸、凸輪軸等在加工和運輸中很容易產(chǎn)生彎曲變形，因此，大多數(shù)在加工中安排冷校直工序，這種方法簡單方便，但會帶來內(nèi)應(yīng)力，引起工件變形而影響加工精度。二、冷校直引起的內(nèi)應(yīng)力22精密零件的加工是不允許安排冷校直工序的。當(dāng)零件產(chǎn)生彎曲變形時，如果變形較小，可加大加工余量，利用切削加工方法去除其彎曲度;如果變形較大，則可用熱校直的方法，這樣可減小內(nèi)應(yīng)力，但操作比較麻煩。23工件在進行切削加工時，在切削力和摩擦力的作用下，使表層金屬產(chǎn)生塑性變形，體積膨脹，受到里層組織的阻礙，故表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，里層產(chǎn)生拉應(yīng)力。三、工件切削時的內(nèi)應(yīng)力切削熱也會使工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。金屬在切削時，如果表層溫度超過彈性變形范圍，則會產(chǎn)生熱塑性變形，切削后，表層溫度下降快，冷卻收縮也比里層大，當(dāng)溫度降至彈性變形范圍內(nèi)，表層收縮受到里層的阻礙，因而產(chǎn)生拉應(yīng)力，里層將產(chǎn)生平衡的壓應(yīng)力。在大多數(shù)情況下，熱的作用大于力的作用。特別是高速切削、強力切削、磨削等，熱的作用占主要地位。磨削加工中，表層拉力嚴(yán)重時會產(chǎn)生裂紋。24四、減少或消除內(nèi)應(yīng)力的措施1.合理設(shè)計零件結(jié)構(gòu)2.采取時效處理自然時效人工時效振動時效3.合理安排工藝過程25提高加工精度的措施一、直接減少原始誤差法①車削細(xì)長軸時，采用跟刀架、中心架可消除或減少工件彎曲變形所引起的加工誤差。②采用大進給量反向切削法，基本上消除了軸向切削力引起的彎曲變形。若輔以彈簧頂尖，可進一步消除熱變形所引起的加工誤差。③在加工薄壁套筒內(nèi)孔時，采用過渡圓環(huán)以使夾緊力均勻分布，避免夾緊變形所引起的加工誤差。二、誤差補償法誤差補償法是人為地制造一種誤差，去抵消工藝系統(tǒng)固有的原始誤差，或者利用一種原始誤差去抵消另一種原始誤差，從而達到提高加工精度的目的。2627如：①磨削主軸錐孔時，機床主軸與工件采用浮動連接，機床主軸的原始誤差不再影響加工精度，而轉(zhuǎn)移到夾具來保證加工精度。②箱體的孔系加工中，在鏜床上用鏜模鏜削孔系時，鏜桿與主軸之間為浮動連接，孔系的位置精度和孔間距的尺寸精度都依靠鏜模和鏜桿的精度來保證，故機床的精度與加工精度無關(guān)，這樣就可以利用普通精度和生產(chǎn)率較高的組合機床來精鏜孔系。三、誤差轉(zhuǎn)移法誤差轉(zhuǎn)移法的實質(zhì)是轉(zhuǎn)移工藝系統(tǒng)的幾何誤差、受力變形和熱變形等。28全部零件按經(jīng)濟精度制造，然后裝配成部件或產(chǎn)品，且各零部件之間具有工作時要求的相對位置，最后以一個表面為基準(zhǔn)加工另一個有位置精度要求的表面，實現(xiàn)最終精加工，這就是“就地加工”法，也稱自身加工修配法。四、就地加工法五、誤差分組法誤差分組法把毛坯或上工序尺寸按誤差大小分為n組，每組毛坯的誤差就縮小為原來的1/n，然后按各組分別調(diào)整