機(jī)械制造工藝學(xué)（第3版）課件：機(jī)械加工精度控制

機(jī)械制造工藝學(xué)1機(jī)械加工精度控制

任務(wù)缸套零件機(jī)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(jí)為6級(jí)，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(jī)械加工工藝過(guò)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(jiǎn)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(shí)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(jī)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(jī)床幾何誤差（工藝系統(tǒng)靜誤差）工藝系統(tǒng)動(dòng)誤差1.力的作用點(diǎn)變化2.力的大小變化3.慣性力、傳動(dòng)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)力變形主軸回轉(zhuǎn)誤差導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差1.導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差2.導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差3.導(dǎo)軌面間的平行度誤差機(jī)床的傳動(dòng)誤差工藝系統(tǒng)其他幾何誤差1.刀具誤差2.夾具誤差和裝夾誤差3.調(diào)整誤差1.軸向竄動(dòng)2.徑向跳動(dòng)3.角度擺動(dòng)工藝系統(tǒng)受力變形對(duì)加工精度的影響一、基本概念由機(jī)床、夾具、刀具、工件組成的工藝系統(tǒng)，在切削力、傳動(dòng)力、慣性力、夾緊力以及重力等的作用下，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形(彈性變形及塑性變形)。這種變形將破壞刀刃和工件之間已調(diào)整好的正確位置關(guān)系，從而產(chǎn)生加工誤差。圖6-14工藝系統(tǒng)受力變形引起的加工誤差例如

車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，工件在切削力作用下的彎曲變形，加工后會(huì)形成鼓形的圓柱度誤差，如圖6-14a所示。在內(nèi)圓磨床上用橫向切入磨孔時(shí)，由于磨頭主軸彎曲變形，使磨出的孔會(huì)形成圓柱度誤差，如圖6-14b所示。6①工藝系統(tǒng)的剛度工藝系統(tǒng)的剛度kxt定義為加工表面法向分力Fy，與刀具在切削力作用下，相對(duì)工件在該方向的位移yxt的比值kxt=Fy/yxt

注意：這里變形yxt是總切削力的三個(gè)分力Fc、Fp、Ff（舊標(biāo)準(zhǔn)中為Fz、Fy、Fx）綜合作用的結(jié)果。

概念7工藝系統(tǒng)的剛度是由組成工藝系統(tǒng)各部件的剛度決定的。工藝系統(tǒng)的總變形量為：

yxt=yjc+yd+yjj+ygk=Fp/yxt,kjc=Fp/yjc

，kd=Fp/yd,kjj=Fp/yjj，kg=Fp/yg工藝系統(tǒng)剛度的一般式為：

若已知工藝系統(tǒng)各組成部分的剛度（即環(huán)節(jié)剛度），就可以求出工藝系統(tǒng)的剛度。①工藝系統(tǒng)的剛度8用剛度一般式求解某一系統(tǒng)剛度時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。例如

外圓車(chē)削時(shí)，車(chē)刀本身在切削力的作用下沿切向(不敏感方向)的變形對(duì)加工誤差的影響很小，可以忽略不計(jì)，這時(shí)計(jì)算式中可以省去刀具剛度一項(xiàng)。又如

鏜孔時(shí)，鏜桿的受力變形將嚴(yán)重地影響加工精度，而工件(如箱體零件)的剛度一般較大，其受力變形很小，故可略去工件剛度一項(xiàng)。9二、工藝系統(tǒng)受力變形引起的加工誤差10(一)由于切削力著力點(diǎn)位置變化引起的工件形狀誤差1.在車(chē)床兩頂尖間車(chē)削短而粗的光軸圖6-15a所示為在車(chē)床上加工短而粗的光軸，工件剛度較大，在切削力作用下相對(duì)于機(jī)床、夾具的變形要小得多，而車(chē)刀在敏感方向的變形也很小，故可忽略不計(jì)。此時(shí)，工藝系統(tǒng)的變形完全取決于頭架、尾座(包括頂尖)和刀架的變形。即此時(shí)工藝系統(tǒng)剛度主要取決于機(jī)床剛度11圖6-15工藝系統(tǒng)變形隨著力點(diǎn)位置的變化而變化12當(dāng)?shù)毒咔邢鞯焦ぜ娜我馕恢肅時(shí)圖6-15a，工藝系統(tǒng)的總變形y系統(tǒng)為：

yxt＝y(tǒng)x+y刀架通過(guò)推證可知工藝系統(tǒng)在工件切削點(diǎn)處的變形量為:y系統(tǒng)=Fp［1/k刀+1/k頭(L-x/x)2+1/k尾(x/L)2］可以看出:y系統(tǒng)=f(x)，是一個(gè)二次拋物線方程，變形大小隨刀具在x方向位置變化,使車(chē)出的工件呈拋物線形狀。1.在車(chē)床兩頂尖間車(chē)削短而粗的光軸從上式可以看出，工藝系統(tǒng)的變形是隨著力點(diǎn)位置變化而變化的，x值的變化引起yxt的變化，進(jìn)而引起切削深度的變化，結(jié)果使工件產(chǎn)生圓柱度誤差。當(dāng)按上述條件車(chē)削時(shí)，工藝系統(tǒng)的剛度實(shí)為機(jī)床的剛度。132.在兩頂尖間車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸圖6-15b所示為在車(chē)床上加工細(xì)長(zhǎng)軸。由于工件細(xì)而長(zhǎng)，剛度小，在切削力的作用下，其變形大大超過(guò)機(jī)床、夾具和刀具的變形量。因此，機(jī)床、夾具和刀具的受力變形可以忽略不計(jì)，工藝系統(tǒng)的變形完全取決于工件的變形。工藝系統(tǒng)的變形完全取決于工件的變形根據(jù)材料力學(xué)的計(jì)算公式，其切削點(diǎn)的變形量為

從上式的計(jì)算結(jié)果和車(chē)削的實(shí)際情況都可證實(shí)，切削后的工件呈鼓形，其最大直徑在通過(guò)軸線中點(diǎn)的橫截面內(nèi)。14不同類(lèi)型的機(jī)床，由于著力點(diǎn)的變化而引起剛度的變化形式也不同，其造成的加工誤差也有差別。圖6-16a、b所示為內(nèi)圓磨床和單臂龍門(mén)刨床加工時(shí)，由于系統(tǒng)剛度隨著著力點(diǎn)位置的變化造成加工誤差的形式。圖6-16系統(tǒng)剛度變化產(chǎn)生的加工誤差

15(二)由于切削力變化而引起的加工誤差在切削加工中，往往由于被加工表面的幾何形狀誤差引起切削力的變化，從而造成工件的加工誤差。如圖6-17所示，由于工件毛坯的圓度誤差，使車(chē)削時(shí)刀具的切削深度在ap1與ap2之間變化，因此，切削分力Fy也隨切削深度ap的變化由Fymax變到Fymin。根據(jù)前面的分析，工藝系統(tǒng)將產(chǎn)生相應(yīng)的變形，即由y1變到y(tǒng)2(刀尖相對(duì)于工件產(chǎn)生y1到y(tǒng)2的位移)，這樣就形成了被加工表面的圓度誤差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“誤差復(fù)映”。圖6-17形狀誤差的復(fù)映

16毛坯圓度的最大誤差Δm=ap1-ap2車(chē)削后工件的圓度誤差Δw=y1-y2

復(fù)映系數(shù)ε定量地反映了毛坯誤差在經(jīng)過(guò)加工后減少的程度，其與工藝系統(tǒng)的剛度成反比，與徑向切削力系數(shù)A成正比。要減少工件的復(fù)映誤差，可增加工藝系統(tǒng)的剛度或減少?gòu)较蚯邢髁ο禂?shù)(如增大主偏角、減少進(jìn)給量等)。當(dāng)毛坯的誤差較大，一次走刀不能滿(mǎn)足加工精度要求時(shí)，需要多次走刀來(lái)消除Δm復(fù)映到工件上的誤差。多次走刀總ε值計(jì)算如下。

稱(chēng)為誤差復(fù)映系數(shù)，17

增加走刀次數(shù),可減小誤差復(fù)映,提高加工精度(一般經(jīng)過(guò)2~3次走刀即可達(dá)到IT7的精度要求),但生產(chǎn)率降低了。

提高工藝系統(tǒng)剛度，對(duì)減小誤差復(fù)映系數(shù)具有重要意義。

毛坯的各種形狀誤差（圓度、圓柱度、同軸度、平面度等）都會(huì)以一定的復(fù)映系數(shù)，復(fù)映成工件的加工誤差。

毛坯材料的不均勻，HB有變化，同樣會(huì)引起背向力的變化，產(chǎn)生加工誤差，分析方法同誤差復(fù)映規(guī)律。結(jié)論18(三)慣性力、傳動(dòng)力、重力和夾緊力所引起的加工誤差1.慣性力及傳動(dòng)力所引起的加工誤差切削加工中，高速旋轉(zhuǎn)的部件(包括夾具、工件和刀具等)的不平衡將產(chǎn)生慣性力FQ。FQ在每一轉(zhuǎn)中不斷地改變著方向，因此，它在y方向的分力大小的變化，就會(huì)使工藝系統(tǒng)的受力變形也隨之變化而產(chǎn)生加工誤差。圖6-18慣性力所引起的加工誤差如圖6-18所示，車(chē)削一個(gè)不平衡的工件，當(dāng)慣性力FQ與切削力Fy方向相反時(shí)，將工件推向刀具，使切削深度增加(圖6-18a);當(dāng)慣性力FQ與切削力Fy方向相同時(shí)，工件被拉離刀具，使切削深度減小(圖6-18b)，其結(jié)果就造成了工件的圓度誤差。19在車(chē)床或磨床類(lèi)機(jī)床上加工軸類(lèi)工件時(shí)，常用單爪撥盤(pán)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。如圖6-19所示，傳動(dòng)力在撥盤(pán)的每一轉(zhuǎn)中，經(jīng)常改變方向，其在y方向上的分力有時(shí)與切削力Fy相同，有時(shí)相反。因此，它也會(huì)造成工件的圓度誤差。為此，在加工精密工件時(shí)，改用雙爪撥盤(pán)或柔性連接裝置帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。圖6-19單爪撥盤(pán)傳動(dòng)力的影響20圖6-20著力點(diǎn)不當(dāng)引起的加工誤差被加工工件在裝夾過(guò)程中，由于剛度較低或著力點(diǎn)不當(dāng)，都會(huì)引起工件的變形，造成加工誤差。如圖6-20所示，加工發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭孔時(shí)，由于夾緊力著力點(diǎn)不當(dāng)，使工件產(chǎn)生夾緊變形，造成加工后兩孔中心線不平行及所加工大孔的軸線與定位端面產(chǎn)生垂直度誤差。2.重力及夾緊力所引起的加工誤差21圖6-21自重所引起的加工誤差

在工藝系統(tǒng)中，由于零部件的自重也會(huì)引起變形，如龍門(mén)銑床，龍門(mén)刨床刀架橫梁的變形，鏜床鏜桿下垂變形等，都會(huì)造成加工誤差。如圖6-21所示為搖臂鉆床的搖臂在主軸箱自重的影響下所產(chǎn)生的變形，造成主軸軸線與工作臺(tái)不垂直，從而使被加工的孔與定位面也產(chǎn)生垂直度誤差。22三、機(jī)床剛度的測(cè)定(一)單向靜載測(cè)定法定義：?jiǎn)蜗蜢o載測(cè)定法是在機(jī)床處于靜止?fàn)顟B(tài)，模擬切削過(guò)程中起決定性作用的力，對(duì)機(jī)床部件施加靜載荷并測(cè)量其變形量，通過(guò)計(jì)算求出機(jī)床的靜剛度。圖6-22單向靜載測(cè)定法1、3、6—百分表2—軸4—測(cè)力環(huán)5—螺旋加力器該方法一般只能用于比較機(jī)床部件剛度的高低。23(二)三向靜載測(cè)定法圖6-23三向靜載測(cè)定裝置1—半圓弓形體2—加力螺桿3—測(cè)力環(huán)4—百分表座5—水平對(duì)刀塊6—高度對(duì)刀塊7—固定銷(xiāo)8—活動(dòng)銷(xiāo)9—固定套10—固定螺釘11—尾座套筒12—后頂尖13—夾緊螺釘14—可轉(zhuǎn)刀頭15—刀桿此法為模擬車(chē)削加工受力Fx、Fy、Fz的比值，從x、y、z三個(gè)方向加載，這樣測(cè)定的剛度較接近實(shí)際。24(三)工作狀態(tài)測(cè)定法1.車(chē)床工作狀態(tài)測(cè)定法原理：利用復(fù)映現(xiàn)象來(lái)測(cè)定工藝系統(tǒng)的剛度。如圖6-24所示，在車(chē)削D1處的切削力大于車(chē)削D2處的切削力，造成工藝系統(tǒng)在加工D1與D2時(shí)的位移變化，引起了加工后形成相應(yīng)的直徑d1與d2。加工后零件的加工誤差Δw=d1-d2與毛坯原始誤差Δm=D1-D2的比值為ε，即據(jù)式(6-14)得圖6-24車(chē)床工作狀態(tài)剛度的測(cè)定c=Δw/Δm=λCFzf0.75/kxt求得工藝系統(tǒng)剛度為：252.銑床工作狀態(tài)測(cè)定法同樣利用誤差復(fù)映現(xiàn)象測(cè)量銑床工作狀態(tài)下的工藝系統(tǒng)剛度。圖6-25銑床工作狀態(tài)剛度的測(cè)定四、影響機(jī)床部件剛度的因素1.連接表面接觸變形的影響零件表面總是存在著宏觀和微觀的幾何誤差，連接表面之間的實(shí)際接觸面積只是名義接觸面積的一部分，表面間的接觸情況如圖6-26所示。圖6-26表面間的接觸情況26在外力作用下，這些接觸處將產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，引起接觸變形，實(shí)驗(yàn)表明，接觸變形y與壓強(qiáng)p的關(guān)系如圖6-27所示，接觸剛度(kj=Δp/Δy)將隨載荷的增大而增大。影響接觸變形的因素主要是零件接觸表面的形狀精度、表面粗糙度和零件材料的硬度。圖6-27接觸變形y與壓強(qiáng)p的關(guān)系2.部件中薄弱零件的影響圖6-28部件剛度薄弱環(huán)節(jié)273.間隙和摩擦力的影響摩擦力對(duì)接觸剛度影響的過(guò)程是:當(dāng)加載時(shí)，摩擦力阻止變形增加;而卸載時(shí)，摩擦力卻阻止變形減少。因此使卸載曲線與加載曲線不重合，如圖6-29所示(表面間的塑性變形也是使卸載曲線與加載曲線不重合的原因)。28五、減少工藝系統(tǒng)受力變形的措施(一)提高接觸剛度①改善工藝系統(tǒng)主要零件接觸表面的配合質(zhì)量，如機(jī)床導(dǎo)軌副的刮研，配研頂尖錐體與主軸和尾座套筒錐孔的配合面，研磨加工精密零件用的頂尖孔等；②預(yù)加載荷，消除配合面間的間隙，提高零部件之間實(shí)際接觸面，減少受力后的變形量。預(yù)加載荷法常在各類(lèi)軸承的調(diào)整中使用。(二)提高工件剛度，減少受力變形主要措施是縮小切削力作用點(diǎn)到工件支承面之間的距離，以增大工件加工時(shí)的剛度。圖6-30所示為車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)采用中心架或跟刀架以增加工件的