影响机械加工精度的因素及其提高措施

郑州工业安全职业学院 毕业论文（） 题目 影响机械加工精度的因素及其提高措施 姓    名  闫成硕                系    别  机电系             专    业  机电一体化          班    级  机电10—5班          指导教师                          2013年 05  月  20 日 毕业论文（设计）成绩评定 学生 姓名 闫成硕 学院系别 机电工程系 班级名称 机电10-5班 毕业论文（设计） 课题名称 影响机械加工精度的因素及其提高措施 指导教师评语： 成 绩： 指导教师签名： 年 月 日 系学术委员会意见： 系主任签名： 年 月 日             目  录 内容摘要    1 前  言    2 第一章工艺系统的几何误差    3 1.1机床的几何误差    3 1.2刀具误差    4 1.3夹具和装夹误差    4 1.4其他几何因素    4 第二章工艺系统受力变形引起的误差    6 2.1工艺系统的刚度    6 2.2工艺系统受力变形对加工精度的影响    6 2.3减少工艺系统受力变形的主要措施    7 第三章工艺系统热变形引起的误差    8 3.1机床热变形对加工精度的影响    8 3.2工件热变形对加工精度的影响    8 3.3刀具热变形对加工精度的影响    9 3.4减少工艺系统热变形的途径    9 第四章工件内应力引起的误差    11 4.1内应力的产生    11 4.2减少或消除内应力的措施    11 第五章数控机床产生误差的独特性    13 5.1数控车床与普通车床产生误差的区别    13 5.2数控车床的误差对加工精度的影响及提高措施    13 第六章提高加工精度的措施    14 6.1直接减少误差法    14 6.2误差补偿法    14 6.3误差转移法    14 6.4“就地加工”法    15 6.5误差分组法    15 6.6误差平均法    15 6.7控制误差法    15 参考文献    16 致谢    17 内容摘要 随着国民经济和科学技术的发展，人们对机械产品的质量要求也越来越高。而机械产品的质量与组成该机械的零部件的制造质量密切相关。但是在机械加工过程中，存在着一些因素会对工件的质量产生影响。如何使工件的加工质量达到要求,如何减少各种因素对加工精度的影响，这就是研究加工精度的目的所在。把各种误差控制在规定范围内，从而寻找降低加工误差，提高加工精度的方法。本文主要探讨了影响机械加工精度的因素及其具体的提高措施。 关键词：精度，误差，提高措施 前  言 在机械加工过程中，机床、夹具、刀具和工件组成了一个完整的系统，称为工艺系统。由于这些因素的影响，加工出来的工件不可能与理想的要求完全符合，总会有一些偏差。设计时应根据零件在机器上的功能，将加工精度规定在一定的范围内。从而在保证加工精度的前提下尽量降低成本提高生产率。 机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和相互位置)与理想几何参数的符合程度。实际几何参数与理想几何参数的偏离程度称为加工误差。一个零件的加工误差越小，加工精度就越高。 零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。零件的尺寸精度主要通过试切法、调整法、定尺寸刀具法和自动控制法来获得；形状精度则由机床精度或刀具精度来保证；位置精度主要取决于机床精度、夹具精度和工件的安装精度。一般来说，形状精度应高于尺寸精度，位置精度在大多数情况下也应高于尺寸精度。 研究加工精度的目的，就是要分析影响加工精度的各种因素及其存在规律，从而找出减少加工误差，提高加工精度的合理途径。 而我们研究加工精度时，通常按照工艺系统误差的性质将其归纳为四个方面。 即：（1）工艺系统的几何误差。 （2）工艺系统的受力变形引起的误差。 （3）工艺系统的热变形引起的误差。 （4）工件内应力变化引起的误差。 以上各种误差因素，在机械加工过程中将对加工精度产生综合性的作用。加工条件不同，误差构成不同，不是在任何加工中都会同时出现。因此，必须具体问题具体分析，找出产生误差的主要因素，从而预防或是采取有效的补救措施来提高零件的加工精度。 第一章工艺系统的几何误差 1.1机床的几何误差 机床的制造、安装以及使用中的磨损都会造成误差。机床的几何误差主要包括主轴回转误差、导轨导向误差和传动链误差。 1主轴回转误差 机床的主轴是安装工件或刀具的基准，并把动力和运动传给工件或刀具。因此，主轴回转精度是机床的重要精度指标之一。 （1）主轴回转误差可分为轴向窜动、径向跳动和角度摆动三种基本形式。 轴向窜动：瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的漂移运动。它主要影响所加工工件的端面形状精度。 径向跳动：瞬时回转轴线始终平行与平均回转轴线，但沿y轴和z轴方向有漂移运动。 角度摆动：瞬时回转轴线与平均回转轴线成一斜角，但其交点位置固定不变的漂移运动。主要影响工件圆柱面的形状精度和端面的形状精度。 实际上，这三种基本形式同时存在。故不同横截面内轴心的误差运动轨迹既不相同，又不相似。 （2）提高主轴回转精度的途径 我们需要根据机床精度的要求选择相应精度等级的轴承，还需要恰当确定支撑轴颈、支撑座孔等有关零件的精度及与其轴承的配合精度，并严格保证装配质量要求。 2导轨导向误差 机床导轨副是实现直线运动的主要导向部件，有支撑和导向的作用，是影响直线运动的主要因素。 导轨要满足高精度及保持、高刚度、平稳性好、耐磨性好、温度变化小、结构简单、工艺性好、便于加工装配以及调整和维修。 3传动链误差 （1）机床传动链误差是指传动链始末两端传动元件之间相对运动误差。它由传动链各元件的制造、装配、加工过程中的力和热变形以及磨损等引起的。其中末端元件对传动链的误差影响最大。 （2）减少传动链误差的途径 尽量缩短传动链。 采用降速比传动，特别是末端传动副的传动比越小则传动精度就越高。 提高传动元件，尤其是末端传动元件的制造和装配精度。 采用校正装置，就是人为的加入一个与传动误差大小相等方向相反的误差，来抵消原有的传动误差。 1.2刀具误差 刀具误差包括刀具的制造、安装及磨损的误差。刀具基本可分为一般刀具、定尺寸刀具和成型刀具。其中，一般刀具主要在切削过程中产生的磨损对工件的加工精度有影响；定尺寸刀具的制造和磨损直接影响被加工工件的尺寸精度；成型刀具的制造和磨损对工件的形状精度产生影响。 为减少刀具制造和磨损误差，应合理规定定尺寸刀具和成型刀具的制造误差，正确选材、切削用量和冷却润滑，提高刀具的刃磨质量以减少初期磨损。 1.3夹具和装夹误差 夹具误差主要指夹具的定位和导向元件及夹具体等的加工与装配误差，它对工件的位置误差有较大影响。夹具的磨损对加工误差的影响不是很明显，对它进行定期的检测和维修，便可提高其几何精度。 1.4其他几何因素 （1）调整误差：为了保证加工精度必须对机床、夹具和刀具进行调整，由于调整不可能完全准确，因而产生调整误差。 （2）测量误差：在工序调整及加工过程中测量工件时，由于测量方法、量具精度等因素对测量结果产生影响。 第二章工艺系统受力变形引起的误差 在机械加工过程中，工艺系统在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力的作用下会产生变形，破坏了原有刀具和工件的相互位置，造成加工误差。例如，车削细长轴时，工件在切削力的作用下发生变形，使加工后的工件产生中间粗两端细的腰鼓型如图2-1所示。工艺系统受力变形的大小，与所受载荷的大小、载荷性质和系统刚度有关。 图2-1  细长轴加工时的受力变形 2.1工艺系统的刚度 工艺系统的刚度体现工艺系统在各种外力作用下抵抗变形的能力。工艺系统由机床、夹具、刀具和工件等组成。因此，它的刚度由组成工艺系统各个部分的刚度所决定。 影响机床部件刚度的因素主要包括以下几个方面 连接表面的接触变形。 部件中薄弱零件的变形。 间隙的影响。 摩擦的影响。 2.2工艺系统受力变形对加工精度的影响 （1）由于切削力作用点位置变化而产生的变形。当在车床上用两顶尖装置加工短而粗的轴，由于工件刚度较大，在切削力的作用下工件的变形相对于机床、夹具和刀具变形要小的多，故工艺系统的变形完全取决于机床主轴箱、尾架、顶尖和刀架的变形；当在车床上用用两顶尖装夹加工细长轴时，由于工件刚度很低，机床、夹具和刀具的变形可以忽略不计，则工艺系统的位移完全取决于工件变形。 由此可见工艺系统的刚度在沿工件轴向的各个位置是不同的，所以加工后工件各个横截面上的直径尺寸也是不同的。造成加工后的形状误差，如锥度、鼓型、鞍型等。 （2）由于切削力变化而引起的加工误差。在切削加工过程中，往往由于被加工表面的几何形状误差或材料的硬度不均匀引起切削力的变化，从而造成工件的加工误差。 （3）惯性力、传动力、重力和夹紧力所引起的误差 工件在装夹过程中，由于刚度较低或着力点不当，都会引起工件变形，造成误差。 在切削过程中，高速旋转的部件的不平衡将产生离心力，它在每一转中都在变化就会使工艺系统的受力变形也随之改变而产生加工误差。 由于工件的自重也会引起变形产生误差。 2.3减少工艺系统受力变形的主要措施 （1）提高接触刚度。主要是改善工艺系统主要零件接触面的配合质量，采用对零件进行刮研，改善配合表面粗糙度和形状精度的方法，使实际接触面积增加，从而提高接触刚度。 （2）提高工件刚度减少受力变形。切削力引起的加工误差，往往是因为工件本身刚度不足或各个部位刚度不均匀造成的。 （3）提高机床部件刚度。机床部件刚度在工艺系统中占有很大比重，所以在加工时常采用一些辅助装置来提高其刚度。 （4）合理装夹工件。如对薄壁件，夹紧时应特别注意选择合适的夹紧方法，否则会引起很大的形状误差。 第三章工艺系统热变形引起的误差 工艺系统热变形的热源有内部和外部两方面。内部热源主要包括切削热和摩擦热。切削热是刀具和工件热变形的主要热源，摩擦热主要是由机床和液压系统中运动部件产生的，是机床变形的主要热源。外部热源主要是环境温度和热辐射，对大型和精密工件的影响比较明显。 工艺系统受热源的影响，其温度会逐渐增高。同时也通过热传递向周围散发热量。当温度达到某一数值时，工艺系统就达到热平衡状态。工艺系统各部分的温度相对稳定，其热变形也趋于稳定。 3.1机床热变形对加工精度的影响 机床受热源的影响，各部分温度将发生变化，由于热源分布不均和机床结构，机床各部分会发生不同程度的热变形。一般情况下，摩擦热是机床热变形的主要因素。 为了减少热变形，应使机床处于热平衡后进行加工。通常是加工前先让机床高速空转，再进行加工，一般为4-6H。为了缩短时间还可以在机床相应部位设置控制热源，局部加热使其尽快达到热平衡。 3.2工件热变形对加工精度的影响 在切削过程中，工件热变形主要由切削热引起的，有些大型精密零件同时还受环境的影响。例如细长轴在顶尖车削时，如果顶尖之间距离不变工件将产生弯曲变形。一般来说，工件热变形对加工精度的影响较为突出。受热均匀的工件主要影响尺寸精度；受热不均匀的主要影响形状精度。 为了减少热变形可以采取以下措施； 加入冷却液。 粗精加工分开，使粗加工余热不影响精加工。 刀具和砂轮未过分磨钝时就进行刃磨和修正。 使工件在夹紧状态下有伸缩自由。 3.3刀具热变形对加工精度的影响 切削热大部分都被切屑带走，传给刀具的只是一少部分。但是由于刀具体积小，主轴转速高，所以刀具具有相当高的温度并产生热变形。如图3-1所示为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线。在加工短小工件时受刀具的热变形影响较小；加工较长工件时影响很大，在切削过程中应加强冷却。 图3-1车刀热变形曲线 3.4减少工艺系统热变形的途径 1.减少发热和隔热 可通过合理选择切削用量和正确选择刀具几何参数来减少切削热；为了减少机床热变形，凡是能分离出去的热源都移出机床，不能移出的则从结构、润滑等方面减少摩擦从而减少发热，也可用隔热材料将发热部件与机床大件隔开。 2．强制冷却散热 对于发热量大的热源，若不能从机床内部移出，又不便隔热，则采取强制的风冷、水冷等措施。 3．采用合理的结构设计 采用热对称结构和布局对机床热变形影响很大。在受热影响下，单立柱结构会产生相当大的变形，而双立柱结构由于左右对称，仅产生垂直方向的平移。另一方面要合理安排支撑的位置。 4．用热补偿的方法减少热变形 只是减少温升往往不能收到满意的效果，也可采用热补偿方法使机床温度比较均匀，从而使机床仅产生不影响加工精度的均匀热变形。 5．保持机床热平衡状态 机床空转后在达到或接近热平衡后再加工。大型、精密机床达到热平衡状态时间较长，可采用措施加速实现热平衡。对于一些精密零件间断时间内不要停车，以免破坏热平衡。 6．控制环境温度 精密机床应安装在恒温室内，以减少环境对机床和工件的影响。 第四章工件内应力引起的误差 金属零件在机械加工过程中都有不同程度的内应力，其内部组织不稳定，有恢复无应力的倾向，以致使零件丧失原有的精度。 4.1内应力的产生 1.毛坯制造中产生的内应力 在铸、锻、焊等热加工过程中，由于工件各部分热胀冷缩不均匀及金相组织转变时体积变化，使毛坯内部产生相当大的内应力。具有内应力的毛坯短时间内看不出变化，内应力暂时处于相对平衡状态，但切削加工后平衡就会打破，内应力重新分布，工件就会出现变形。 2．冷校直带来的内应力 对于一些细长轴工件经过车削后，棒料在轧制中产生的内应力要重新分布，产生弯曲。通过冷校直的方法使工件向反方向弯曲，产生塑性变形，以达到校直的目的。这样虽然减少了弯曲，但是依然处于不平衡的状态，若再加工或是放的时间久些，就会产生新的变形。 3．切削加工的附加应力 切削加工对应力的影响有两部分：一是由于切除一层金属，破坏了原有的平衡使内应力重新分布再达到平衡状态；二是切削时局部表面在高温高压下，由于不均匀的塑性变形而产生应力。 4.2减少或消除内应力的措施 1.合理设计零件结构 在零件的结构设计中，要尽量缩小零件各部分的尺寸差异，以减少铸、锻毛坯在制造过程中产生的残余应力。 2．合理安排工艺过程 划分加工阶段，使粗精加工分开，让切削加工的附加应力所产生的变形在精加工前释放出来。 3．安排热处理工序 对铸、锻、焊接件进行退火或回火；对精度要求高的零件在粗加工后进行时效处理。 4．采取时效处理 由于自然时效时间太长，所以大都采用人工时效和振动时效。人工时效是将工件放入炉内加热一定程度，再随炉冷却来消除应力。主要用于小型工件。振动时效是以激振的形式将振动的机械能加到含大量内应力的工件上，引起工件内部晶格变化以消除内应力。这种方法比较经济、简单，并且效率高。 第五章数控机床产生误差的独特性 5.1数控车床与普通车床产生误差的区别 数控车床与普通车床所产生的误差有许多共同之处，但也有独特之处，例如伺服进给系统的跟踪误差、检测系统中的采样延滞误差等。数控车床与普通车床的最主要区别主要有两点：一是数控车床有数控系统用于指挥；二是数控车床有伺服系统用于驱动。 5.2数控车床的误差对加工精度的影响及提高措施 1.机床重复定位精度的影响 机床重复定位精度是指重复定位时坐标轴的实际位置与理想位置的符合程度。引起定位误差的因素包括数控系统误差和机械传动误差。 2．检测装置的影响 检测反馈装置通常安装在机床工作台或丝杠上，将工作台位移量转换成电信号，反馈给数控装置，如果与指令值比较有误，则控制工作台向消除误差的方向移动。数控系统按有无检测装置可分为开环、闭环和半闭环系统。 3．刀具误差的影响 在加工中心上，由于采用自动换刀功能，在提高生产率的同时，也带来了刀具交换误差。抑制数控机床产生误差的途径有硬件补偿和软件补偿。过去一般采用硬件补偿，如加工中心采用螺距误差补偿功能。随着微电子、控制、检测技术的发展，出现了新的软件补偿技术。它是用数控系统通信的补偿控制单元和相应软件，以实现误差补偿，其原理是利用坐标的附加移动来修正误差的。 第六章提高加工精度的措施 我们主要针对在实际生产过程中如何保证和提高加工精度所采取一些措施。大致可以概括为直接减少误差法、误差补偿法、误差转移法、“就地加工”法、误差分组法、误差平均法和控制误差法。 6.1直接减少误差法 直接减少误差法是在查明产生加工误差的原因之后，设法直接进行减少或消除。如车削细长轴时，由于受轴向切削力的影响，产生压杆失稳，使工件产生弯曲变形。我们可以采用反向进给的切削方法，进给方向由卡盘指向尾座，或是采用反向切削和大的主偏角车刀增大了轴向力，工件在强有力的拉伸作用下还能消除径向振动，使切削平稳。 6.2误差补偿法 误差补偿法就是人为地制造一种新的误差，抵消原有误差。如磨床床身导轨是个狭长的构件，刚度较差。当装上横向进给机构和操纵箱后，由于自重会使导轨变形产生误差。采取的措施就是在精磨导轨时预先横向进给机构和操纵箱等部件，或是用相等的配重代替这些部件，使床身在变形条件下进行精加工。 6.3误差转移法 在机床精度达不到要求时，通过误差转移法，能够用主轴精度较低的机床加工高精度工件。如镗床镗孔时，孔系的位置精度和孔间距的尺寸精度可依靠镗模和镗杆的精度来保证。镗杆与机床主轴之间采用浮动夹头连接，使镗模和镗杆决定镗孔加工精度，而与机床主轴误差无关。 6.4“就地加工”法 在加工和装配中，有些精度问题涉及很多零件间的相互关系，相当复杂。我们就对这些重要表面在装配前不进行精加工，待装配之后，再对这些表面进行精加工。如平面磨床的工作台面装配后做“自磨自”的最终加工。 6.5误差分组法 误差分组法是先对配偶件进行逐一测量，并按一定的尺寸间隔分成相等数目的组，然后再按相应的组进行配对。其实质是用提高测量精度的方法来弥补加工精度的不足。 6.6误差平均法 对配合精度要求很高的孔和轴，常采用研磨方法来得到。研具本身并不要求很高的精度，但它却能在工件相对运动中对工件进行微量切削，最终达到很高的精度。这种表面间的相对研擦和磨损的过程，也是误差相互比较和消除的过程，称为误差平均法。 6.7控制误差法 从误差性质来看，常值系统性误差比较容易解决。对于变值系统性误差在生产中采用可变补偿的方法，即在加工过程中采用积极的控制方法。有主动测量、偶件配合加工或是积极控制起决定作用的加工条件来解决。 参考文献 [1]卞洪元,<<机械制造工艺与夹具>>,北京理工大学出版社.2010.2 [2]赵美卿,<<公差配合与技术测量>>,冶金工业出版社.2008.6 [3]陈子银,<<数控机床的数控系统>>,北京理工大学出版社.2009.8 致  谢 风景依稀去年时，人生喜乐皆不知。纵叹时光如斯，三年脉脉送留景。临近毕业了，让人感到很多不舍。三年的大学生活忙碌而充实，收获了师生情、同窗情，也收获了思想、智慧和感动。能够完成学业与学校的领导、老师、同学和家人、朋友的支持密不可分。 首先，我衷心地感谢郑州工业安全职业学院给我提供了优异的学习生活环境，尤其感谢我们的辅导员韩老师和朱钰老师。三年来韩老师在学习和生活中都给了我们很大的帮助是一个负责任的好老师。朱钰老师在论文的写作过程中给予了我很多指导，从选题到最后定稿，从每一个标点符号的准确性到整篇论文的主旨和结构 ，无一不凝聚着朱老师的心血。朱老师治学严谨，求真务实，敢于坚持真理，是我们学习的榜样。 再次，我要感谢我的同学高科政，他和我一起上班，平时的工作表现得到了领导和同事的一致好评。他是我学习的榜样，在论文的写作过程中也给了我很大的帮助。谢谢你，高科政同学。 最后，我也要感谢我所在的公司，是她给了我展示自我的平台，使我在学校学习的理论知识得到了运用，并且掌握了一些新的知识和技能，也让我学会了如何处理好人际关系。感谢公司给了我实习的机会，我一定更加努力，更好地体现自己的人生价值。 似乎真的到了该说再见的时候了，向我这段充满欢笑，也充满酸涩与淡淡忧郁的学生时代。最后一次作为学生走出郑安校门的一刹那，我对我的青春回忆作了一个告别，将一切的记忆，深深地烙印在我心灵的最深处。