5-1,2,3机加质量分析控制

null第五章 机械加工质量与控制第五章 机械加工质量分析与控制 优质、高产、低消耗是企业发展的必由之路。 优质----就是高的产品质量。 高产----就是高的生产效率。 低消耗----就是低的生产成本。 产品的质量与零件的加工质量、产品的装配质量密切相关，而零件的加工质量是保证产品质量的基础。它包括零件的加工精度和表面质量两方面。 零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度。 第一节 机械加工精度概 述null一、加工精度与加工误差 加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状及各表面相互位置等参数）与理想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度就越高。反之，越低。 表面——绝对平面、圆柱面等； 位置——绝对平行、垂直、同 轴等； 尺寸——位于公差带中心。null 加工误差是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，所以，加工误差的大小反映了加工精度的高低。 实际加工时不可能也没有必要把零件做得与理想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加工误差。只要这些误差在规定的范围内，就能满足机器使用性能的要求。null二、尺寸、形状和位置精度间的关系 独立原则---是处理形位公差和尺寸公差关系的基本原则，即尺寸精度和形位精度按照使用要求分别给予满足； 在一般情况下，尺寸精度高，其形状和位置精度也高； 通常，零件的形状误差约占相应尺寸公差的30％～50％；位置误差约为尺寸公差的65％～85％。null三、获得加工精度的方法1.获得尺寸精度的方法null 2. 获得形状精度的方法 3. 获得位置精度的方法null四、原始误差 由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统的误差是工件产生加工误差的根源。我们把工艺系统的各种误差称之为原始误差。 工艺系统的几何误差 工艺系统受力变形引起的误差 工艺系统热变形引起的误差 工件的残余应力引起的误差 原理、测量、调整误差等null原始误差产生加工误差的根源包括：null五、研究机械加工精度的方法 是在掌握各种原始误差对加工精度影响规律的基础上，分析工件加工中所出现的误差可能是由于哪一种或哪几种主要原始误差所引起的，并找出原始误差与加工误差之间的影响关系，通过估算来确定工件加工误差的大小，再通过试验测试来加以验证。 是对具体加工条件下得到的几何参数进行实际测量，然后运用数理统计学方法对这些测试数据进行分析处理，找出工件加工误差的规律和性质，进而控制加工质量。第一节:第一节总结:null 第二节 工艺系统的几何误差一、原理误差 原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。 例如:滚齿用的齿轮滚刀，就有两种误差，一是为了制造方便，采用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造形误差；二是由于滚刀切削刃数有限，切削是不连续的，因而滚切出的齿轮齿形不是光滑的渐开线，而是折线（包络线）。 又如:成形车刀、成形铣刀也采用了近似的刀具轮廓。 原因:是采用近似的成形运动和刀具刃形，不但可以简化机床或刀具的结构，而且能提高生产效率和加工的经济效益。null二、机床几何误差机床制造 磨损 安装①主轴回转误差 ②导轨误差 ③传动链误差 null机床的几何误差组成机床几何误差null1、机床导轨误差 机床导轨是机床中确定某些主要部件相对位置的基准（安装基准），也是某些主要部件的运动基准。 水平面内的直线度 垂直面内的直线度 前后导轨的平行度（扭曲） 现以卧式车床为例，说明导轨误差是怎样影响工件的加工精度的。null（1）导轨在水平面内直线度误差的影响 当导轨在水平面内的直线度误差为△y时,引起工件在半径方向的误差为（如下图5-3、5-5）： △R=△y 由此可见：床身导轨在水平面内如果有直线度误差，使工件在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差。 若: 当导轨向后凸出时，则: 工件上产生鞍形加工差； 当导轨向前凸出时， 则: 工件上产生鼓形加工误差。nullΔYΔYoDΔR水平面导轨水平面内直线度图5-3、5-5 p153 导轨在水平面内直线度误差null  床身导轨在垂直面内有直线度误差（图5-3、5-5），会引起刀尖产生切向位移△Z，造成工件在半径方向产生的误差为： △R≈△Z2/d（2）导轨在垂直面内直线度误差的影响例如: 设：△Z=△Y=0.01mm ，R=50mm ， 则: 由于法向原始误差而产生的加工误差 △R= △Y =0.01mm, 由于切向原始误差产生的加工误差 △ R ≈△Z2/d =0.000001mm 后者完全可以忽略不计。由于△Z2数值很小，因此该误差对工件的尺寸精度和形状精度影响甚小。 null垂直平面导轨垂直面直线度ΔZdΔRΔZ图5-3、5-5 p152-153 导轨在垂直面内直线度误差Rd/2null 对平面磨床，龙门刨床及铣床等，导轨在垂直面内的直线度误差会引起工件相对于砂轮（刀具）产生法向位移，其误差将直接反映到被加工工件上，造成形状误差。 原始误差会引起工件相对于刀具产生相对位移，若产生在加工表面法向方向（误差敏感方向），对加工精度有直接影响；产生在加工表面切向方向（误差非敏感方向） ，可忽略不计。结论： 图 龙门刨床导轨垂直面 内直线度误差 1－刨刀 2－工件 3－工作台 4－床身导轨null（3）前后导轨平行度误差的影响 床身前后导轨有平行度误差（扭曲）时，会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产生偏移，使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥度）。 从下图5-7可知，车床前后导轨扭曲的最终结果反映在工件上，于是产生了加工误差△y。从几何关系中可得出：   △y≈△×H/B 一般车床H≈2/3B，外圆磨床H≈B，因此该项原始误差△对加工精度的影响很大。null图5-6 p154 车床导轨扭曲对工件形状精度影响null2、机床主轴回转误差（1）机床主轴回转误差的概念 主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线（一般用平均回转轴线来代替）产生的偏移量。 轴向窜动 纯径向跳动 纯角度摆动 实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动所产生的位移（即误差）是一个瞬时值。null 下面以在镗床上镗孔、车床上车外圆为例来说明主轴回转误差对加工精度的影响。机械加工车间所有机床，我们可分为：误差敏感 方向不变镗、铣床类 车、磨床类加工时误差敏感 方向和切削力方 向随主轴回转而 不断变化（2）主轴回转误差对加工精度的影响null①主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响镗削加工：镗刀回转，工件不转 假设由于主轴的纯径向跳动而使轴线在y坐标方向作简谐运动(如下图5-9 b)),其频率与主轴转速相同,简谐幅值为A; 则: Y = Acosφ （ φ＝ωt） 且主轴中心偏移最大（等于A）时，镗刀尖正好通过水平位置1处。 当镗刀转过一个φ角时（位置1’），刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别计算得： y=Acosφ+Rcosφ=(A+R)cosφ Z=Rsinφ 将上两式平方相加得: y2/(A+R)2+Z2/R2=1 表明此时镗出的孔为椭圆形。nullAARφOm11，AcosφO234ORsinφ(A+R）cosφ图5-9 b) p156 镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响null车床加工：工件回转，刀具不动 假设主轴轴线沿y轴作简谐运动（如下图5-9 a)），在工件的1处（主轴中心偏移最大之处）切出的半径比在工件的2、4处切出的半径小一个幅值A；在工件的3处切出的半径比在工件的2、4处切出的半径大一个幅值A。 这样，上述四点工件的直径都相等，其它各点直径误差也很小，所以车削出的工件表面接近于一个真圆。 由此可见，主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆度影响很小。null 图5-9 a) 车削时纯径向跳动对加工精度的影响null②轴向窜动对车、镗削加工精度的影响 主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有影响，但加工端面时，会使加工的端面与内外圆轴线产生垂直度误差。 主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切出的端面产生平面度误差（如下图）。当加工螺纹时，会产生螺距误差。 null图 主轴轴向窜动对端面加工精度的影响null 车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小，但轴向有圆柱度误差（锥度）。 车外圆：产生圆柱度误差（锥体） 车端面：不产生误差 镗孔时，由于主轴的纯角度摆动 使得主轴回转轴线与工作台导轨不平行，使镗出的孔呈椭圆形，如下图所示。 主轴纯角度摆动对加工精度的影响，取决于不同的加工内容。 null图 主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响null（3）提高主轴回转精度的措施1）提高主轴的轴承精度。2）提高主轴部件的装配精度。3）对滚动轴承进行预紧，以消除间隙。4）提高主轴箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合的零件有关表面的加工精度。思考题一:思考题一:镗床上镗孔时，工作台进给（如下图示），即工件作直线进给运动，镗杆作旋转运动。导轨在水平面、垂直面内的直线度误差对加工精度有何影响？ (答：孔径没有误差，有圆柱度误差。轴线不直。因为误差敏感方向不断变化)。null思考题二:思考题二:若镗杆进给，即镗杆既旋转又移动（如下图示），导轨误差对加工精度有无影响？ (答：不会产生孔的形状误差，但会产生孔的位置误差)。null思考题三:思考题三:刨平面时，导轨误差对加工精度有何影响？ (答：产生加工表面的直线度误差、平面度误差)。 若刨削刚性很差的薄板时，会产生何种加工误差？ (答：无形状误差，但有尺寸误差)。思考题四:思考题四:端铣时，若主轴回转轴线与工件进给方向不垂直，会产生何种加工误差？误差大小？null3、机床传动链误差 在车螺纹、插齿、滚齿等加工时，刀具与工件之间有严格的传动比要求。要满足这一要求，机床内联系传动链的误差必须控制在允许的范围内。（1）机床传动链误差定义 指传动链始末两端执行元件间相对运动的误差。(末端元件的转角误差)（2）机床传动链误差描述 传动链末端元件产生的转角误差。它的大小对车、磨、铣螺纹，滚、插、磨（展成法磨齿）齿轮等加工会影响分度精度，造成加工表面的形状误差，如螺距精度、齿距精度等。 null例如，车螺纹时，要求主轴与传动丝杠的转速比恒定（如下图示），即:Z1Z2（3）驱动丝杠误差的产生null 图 车螺纹的传动误差示意图 S－工件导程；T－丝杠导程；Z1～Z8－各齿轮齿数null若齿轮Z1有转角误差δ1，造成Z2的转角误差为：δ12＝i12δ1Z1 δ1 δ1n=i1nδ1Z2 δ2 δ2n=i2nδ2………………Zn δn δnn=innδn在任一时刻，各齿轮的转角误差反映到丝杠的总误差为：传到丝杠上的转角误差为δ1n，即：null（3）减少传动链误差的措施 1）尽量缩短传动链。 2）提高传动件的制造和安装精度，尤其是末端零件的精度。 3）尽可能采用降速运动(转角误差被缩小)，且传动比最小的一级传动件应在最后。 4）消除传动链中齿轮副的间隙。 5）采用误差校正机构（如下图）。null图 丝杠加工误差校正装置 1－工件 2－螺母 3－丝杠 4－杠杆 5－校正尺 6－触头 7－校正曲线null 如普通车刀、单刃 镗刀和平面铣刀等的制 造误差对加工精度没有 直接影响，但磨损后对 工件尺寸或形状精度有 一定影响，如下图例． 定尺寸刀具（如钻 头、铰刀、圆孔拉刀等） 的尺寸误差直接影响被 加工工件的尺寸精度。 刀具的安装和使用不当， 也会影响加工精度。 成形刀具（如成形车 刀、成形铣刀、盘形齿 轮铣刀等）的误差主要 影响被加工面的形状精 度。 展成法刀具（如齿轮 滚刀、插齿刀等）加工齿 轮时，刀刃的几何形状及 有关尺寸精度会直接影响 齿轮加工精度。三、工艺系统其它几何误差null图例　车刀的尺寸磨损和车刀磨损过程 null 夹具的误差主要是指： 1）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等零件的制造误差。 2）夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸误差。 3）夹具在使用过程中工作表面的磨损（如下图） 工件的安装误差包括定位误差和夹紧误差(见后图5-28 p170)。2、夹具误差和工件安装误差null图 钻孔夹具误差对加工精度的影响null 图5-28 p170 套筒夹紧变形误差 Ⅰ－工件 Ⅱ－开口过渡环null3、测量误差null 大批量生产时常采用 行程挡块、靠模、凸轮 作为定程机构，其制造 精度和调整精度导致产 生调整误差 样件、样板的制造 精度和安装精度、对刀 精度产生调整误差测量误差 进给机构位移误差（爬 行现象） 加工余量的影响（余量 很小时，刀刃打滑） 影响工件在机床上 占有正确的加工位置nullnull 破坏了刀具、工件间相对位置四、工艺系统受力变形引起的加工误差工艺系统受力变形现象null图5-16 p162 受力变形对工件精度的影响 a) 车长轴 b） 磨内孔  由此看来，为了保证和提高工件的加工精度，就必须深入研究并控制以至消除工艺系统及其有关组成部分的变形。null（一）工艺系统的刚度 指的是：工艺系统整体抵抗其变形的能力。 其大小为： 背向力Fp （即为径向切削分力Fy）与工艺系统在该方向上的变形yxt的比值，即 kxt=Fp/yxt 注意：这里变形yxt是总切削力的三个分力Fc、Fp、Ff（即为Fz、Fy、Fx）综合作用的结果。 1. 工艺系统刚度的概念null 若出现变形方向与Fp方向不一致的情况，如Fp与yxt方向相反，工艺系统就处于负刚度状态。 刀架系统在Fp力作用下引起同向变形y（图5-22a）； 在Fc力作用下引起的变形y与Fp方向相反（图5-22b）。 负刚度现象对保证加工质量是不利的，此时车刀的刀尖将扎入工件的外圆表面（扎刀） ，引起刀具的破损和振动，应尽量避免。 null 图5-22 p164 车削加工中的负刚度现象null2、系统刚度与环节刚度 工艺系统的刚度是由组成工艺系统各部件的刚度决定的。工艺系统的总变形量为： yxt= yjc+ydj+yjj+ygj kxt=Fp/yxt, kjc= Fp/yjc ， kdj= Fp/ydj , kjj= Fp/yjj， kgj= Fp/ygj 工艺系统刚度的一般式为： 1/kxt= 1/kjc+1/ kdj+1/ kjj+1/ kgj 若已知工艺系统各组成部分的刚度（即环节刚度），就可以求出工艺系统的刚度。null3. 机床部件刚度特点 机床结构复杂，组成的零部件多，各零部件之间有不同的联接和运动方式，因而机床部件的刚度问题就比较复杂。它的计算至今还没有合适的方法，需要通过实验来测定。 下图5-17为单向加载时车床刚度测定示意图。主轴部件、尾座及刀架的变形可分别从千分表2、3和6读出。 这种方法测得的y方向位移是背向力Fp作用下引起的变形。 null 图 5-17 单向静载测定车床刚度 1－心轴 2、3、6－千分表 4－测力环 5－螺旋加力器 图5-18 车床刀架部件的刚度曲线 Ⅰ－一次加载 Ⅱ－二次加载 Ⅲ－三次加载null 机床部件刚度的特点1） 背向力Fp与刀架变形ydj不是线性关系（说明部件的变形不纯粹是弹性变形）。 2） 加载曲线与卸载曲线不重合（两曲线所包围的面积---代表加栽、卸栽时消耗的能量，即克服部件内零件间摩擦力和接触塑性变形所做的功）。 3） 加载曲线与卸载曲线不封闭（卸载后 ，由于存在残余变形，曲线回不到原点）。 4）部件的实际刚度远比按实体结构的估计值小（由于受到零件间的间隙、结合面间的接触变形的影响）。 上图5-18是以Fp为纵坐标，刀架变形ydj为横坐标的某车床刀架部件的刚度实测曲线。实验中进行了三次加载—卸载循环，由图可以看出，机床部件的刚度曲线有 以下特点：null 影响机床部件刚度的因素 ①连接表面间的接触变形（如下图5-19示） ②薄弱零件本身的影响（如下图5-20） ③接合面间的间隙 ④接合面间摩擦力的影响 null图5-19 两零件结合面间的接触情况图 5-20 机床部件刚度的薄弱环节 a) 溜板中的楔铁 b) 轴承套null图 表面接触变形与压强的关系接 触 刚 度 实验研究表明，两个相接触的表面间受到力的作用时，两表面的接触变形y是表面压强p的递增函数（如下图）。 因此，机床部件接合表面间刚度可较确切地用接触刚度来表示，即压强的微分dp与位移的微分dy的比值称为接触刚度kj kj =dp/dynull（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响1、切削力作用位置变化引起的加工误差 根据材料力学的挠度计算公式，其切削点工件的变形量为： y=Fp(L-x)2x2/3E I L 从上式的计算结果和车削的实际情况都可证实，切削后的工件呈鼓形，其最大直径在通过轴线中点的横截面内.1） 工件的刚度及其变形式中，E——工件材料的弹性模量（钢的E=2×105 N/mm2） I——工件断面的惯性矩（轴的I=πd4/64 mm4）   当 x=0时和 x=L时，y=0； 当 x=L/2时，y最大，y=FyL3  /（48EI）。 此时工件呈腰鼓形。null2） 工件短而粗 即此时工艺系统刚度主要取决于机床刚度 当刀具切削到工件的任意位置 C时（图5-25），工艺系统的总变形 y系统为： yxt＝yx+y刀架 通过推证可知工艺系统在工件切削点处的变形量为: y系统=Fp［1/k刀+1/k头(L-x/x)2+1/k尾(x/L)2］ 可以看出 : y系统 =f(x)，是一个二次抛物线方程，变形大小随刀具在x方向位置变化,使车出的工件呈抛物线形状（如后图示）。 null图5-25 p167 工艺系统受力变形随切削位置而变化null图 刚度变化造成工件误差 1－理想的工件形状； 2－k头≠k尾时车出的工件形状null2、切削力 大小变化引起的加工误差（误差复映） 在加工过程中，由于工件加工余量或材料硬度不均匀，都会引起背向力的变化，从而使工艺系统受力变形不一致而产生加工误差----“误差复映”规律 。 以车削短圆柱工件外圆为例，如图5-27所示。由于毛坯存在的圆度误差△m=ap1-ap2 引起了工件产生圆度误差△w=y1 -y2 且△m越大，△w越大，这种由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯椭圆形状误差复映到加工后工件表面的现象称为“误差复映”。 null图5-27 p169 毛坯形状误差复映null f、ap 、vc － 分别为进给量、背吃刀量和切削速度； 式中－与切削条件有关；－指数； 所以在一次走刀加工中，切削速度、进给量及其它切削条件设为不变，即C为常数，在车削加中， 即null由于y1、y2相对ap1、ap2而言数值较小，可忽略不计，即有 所以 由上式可知,工艺系统的刚度kxt越大,复映系数ε越小,毛坯误差复映到工件上去的部分就越少。 一般ε<<1,经加工之后工件的误差比加工前的误差减小,经多道工序或多次走刀加工之后,工件的误差就会减小到工件公差所许可的范围内。 若经过n次走刀加工后，则误差复映为 △w=ε1ε2…εn△m 总的误差复映系数 εz=ε1ε2…εnnull 在粗加工时,每次走刀的进给量f一般不变,假设误差复映系数均为ε,则n次走刀就有 εz=εn 增加走刀次数,可减小误差复映,提高加工精度,但生产率降低了。 提高工艺系统刚度，对减小误差复映系数具有重要意义。 毛坯的各种形状误差（圆度、圆柱度、同轴度、平面度等）都会以一定的复映系数，复映成工件的加工误差。 毛坯材料的不均匀，HB有变化，同样会引起背向力的变化，产生加工误差，并且符合误差复映规律。总结：null 在车床或磨床类机床上加工轴类零件时，常用单爪拨盘带动工件旋转，如下图所示。3、切削过程中受力方向变化引起的加工误差(简介)1）由于传动力引起的误差 结论： 在单爪拨盘传动下车削出来的工件是一个正园柱，并不产生加工误差。null图 单爪拨盘传动下工件的受力分析null2）由于惯性力引起的误差 在高速切削时，如果工艺系统中有不平衡的高速旋转的构件存在，就会产生离心力。它和传动力一样，在工件的每一转中不断变更方向，引起工件几何轴线作上述相同形式的摆角运动，故理论上讲也不会造成工件园度误差。但是要注意的是当不平衡质量的离心力大于切削力时，车床主轴轴颈和轴承内孔表面的接触点就会不断地变化，轴承孔的园度误差将传给工件的回转轴心。 因此可采用配重平衡的方法来消除这种影响，必要时亦可适当降低主轴转速，以减小离心力的影响。 null4、工艺系统其它外力作用引起的加工误差1）由于机床部件或工件本身重量以及它们在移动中位置变化而引起的加工误差（如图5-29） 2）由于夹紧力引起的加工误差 （如下图5-28、49、50） null图5-29 机床部件自重引起的横梁变形null 图5-28 p170 套筒夹紧变形误差 Ⅰ－工件 Ⅱ－开口过渡环null 图5-49、50 薄片工件的磨削 毛坯翘曲 b) 电磁工件台吸紧 c) 磨后松开，工件翘曲 d) 磨削凸面 e) 磨削凹面 f) 磨后松开，工件平直null通过提高导轨等 结合面的刮研质 量、形状精度并 降低表面粗糙度， 都能增加接触面 积，有效地提高 接触刚度。预加 载荷，也可增大 接触刚度加工细长轴时， 采用中心架或 跟刀架来提高 工件的刚度。 采用导套、导 杆等辅助支承 来加强刀架的 刚度。对刚性较差 的工件选择 合适的夹紧 方法，能减 小夹紧变形， 提高加工精 度。 采用塑料滑动导轨，其摩擦特性好，有效防止低速爬行，运行平稳，定位精度高，具有良好的耐磨性、减振性和工艺性。此外，还有滚动导轨和静压导轨。（1）提高 接触刚度（2）提高零部 件刚度减小受 力变形（3）合理安 装工件减小 夹紧变形4．减少摩擦防止微量进给时的“爬行”5、减小工艺系统受力变形的措施（5）合理使 用机床（6）合理安排 工艺，粗精分开（7）转移或 补偿弹性变形减少工艺系统受力变形null五、工艺系统热变形引起的加工误差（一）概 述 工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而破坏工件与刀具间正确的相对位置，造成加工误差。  据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%~70%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度，而且还影响加工效率的提高。 实现数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿，全靠机床自动控制，因此热变形的影响就显得特别重要。 工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研究课题。null 1. 工艺系统的热源电机、轴承、齿轮、油泵等工件、刀具、切屑、切削液气温、室温变化、热、冷风等热源日光、照明、暖气、体温等null 2. 工艺系统的热平衡 工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐升高。同时，它们也通过各种传热方式向周围散发热量。 当单位时间内传入和散发的热量相等时，工艺系统达到了热平衡状态。 此时工艺系统的热变形也就达到某种程度的稳定。 null物体中各点的温度 分布称为温度场, T=f( x , y, z ,t ) 当物体未达热平衡时，各点温度不仅是坐标位置的函数，也是时间的函数。这种温度场称为不稳态温度场 物体达到热平衡后，各点温度将不再随时间而变化，而只是其坐标位置的函数。这种温度场称为稳态温度场。null 机床在开始工作的一段时间内，其温度场处于不稳定状态，其精度也是很不稳定的，工作一定时间后，温度才逐渐趋于稳定，其精度也比较稳定。 因此，精密加工应在热平衡状态下进行。在生产中，必须注意:null（二）机床热变形对加工精度的影响 机床热变形会使机床的静态几何精度发生变化而影响加工精度，其中主轴部件、床身、导轨、立柱、工作台等部件的热变形，对加工精度影响最大。 各类机床其结构、工作条件及热源形式均不相同，因此机床各部件的温升和热变形情况是不一样的。1. 车、铣、钻、镗类机床主轴箱中的齿轮、 轴承摩擦发热、 润滑油发热。（如下图5-34）null图5-34 p175 车床的热变形null2.龙门刨床、牛头刨床、立式车床类机床导轨副的摩擦热3.各 种 磨 床 砂轮主轴轴承的发热和液压系统的发热（图5-36例）（图5-38）null 图5-36 p176 牛头刨床滑枕热变形及结构改进示意图 a) 原滑枕截面图 b)原滑枕热变形示意图 c) 滑枕热对称结构5 图5-38 外园磨床的热变形示意图 1－床身 2－导轨 3－工件 4－砂轮 5－砂轮架 6－螺母5null （三）工件热变形对加工精度的影响1. 工件均匀受热 对于一些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，加工时（如车削、磨削）切削热能较均匀地传入工件，工件热变形量可按下式估算： △L=αL△t 式中 α——工件材料的热膨胀系数，单位为1/℃； L——工件在热变形方向的尺寸，单位为mm； △t——工件温升，单位为℃。null实 例 在精密丝杆加工中，工件的热伸长会产生螺距的累积误差。 在较长的轴类零件加工中，将出现锥度误差。 例如：在磨削400mm长的丝杠螺纹时，每磨一次温度升高1℃，则被磨丝杠将伸长 △L=1.17×10-5×400×1=0.0047mm 而5级丝杠的螺距累积误差在400mm长度上不允许超过5μm左右。 因此，热变形对工件加工精度影响很大。null2. 工件不均匀受热 在刨削、铣削、磨削加工平面时，工件单面受热，上下平面间产生温差，导致工件向上凸起，凸起部分被刀具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差。 （工件凸起量f可按图5-50例所示图形进行估算。由于中心角φ很小，其中性层的长度可近似认为等于原长L，则 f =L/2 tan(φ/4）≈Lφ/8 且 （R+H）φ-R φ=αΔtL φ= αΔtL/H 所以 f≈ αΔt L2/（8H）null图5-50 p183 薄板磨削时的弯曲变形null （四）刀具热变形对加工精度的影响 刀具热变形主要是由切削热引起的。切削加工时虽然大部分切削热被切屑带走，传入刀具的热量并不多，但由于刀具体积小，热容量小，导致刀具切削部分的温升急剧升高，刀具热变形对加工精度的影响比较显著。 图5-40示为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线。 曲线A —— 车刀连续工作时的热伸长曲线； 曲线B —— 切削停止后，车刀温度下降曲线； 曲线C —— 传动作间断切削的热变形切削。 车外圆时，车刀热变形会使工件产生圆柱度误差（喇叭口）。null 图5-40 p177 车刀热变形曲线 τ 0 —刀具间断切削至热平衡时间 τ 1 — 刀具加热至热平衡时间 τ 2 —刀具降温至热平衡时间 null（五）减少工艺系统热变形的主要途径1．减少发热和隔离热源1) 采用热对称结构 2) 合理选择机床零部件的 安装基准(图5-37) 寻求各部件热变形的 规律, 建立热变形位移数 字模型, 并存入计算机中 进行实时补偿.加工前使机床高速空转， 达到热平衡时再切削加工1）减小温差； 2）均衡关键件的温升，避免 弯曲变形（如图5-39所示）恒温车间、使用门帘、取暖装置均匀布置； 恒温精度一般控制在±1℃以内，精密级较 高的机床为±0.5℃。恒温室平均温度一般为 20℃，在夏季取23℃，在冬季可取17℃2．均衡温度场3．改进机床布局和结构4．保持工艺系统的热平衡5．控制环境温度6. 热位移补偿null图 采用隔热罩减少热变形null图5-39 p177 用热空气均衡立柱前后壁的温度场null图5-37 p176 车床上主轴箱两种结构的热位移null六、 工件残余应力引起的加工误差（一）内应力的产生及其对加工精度的影响什么是残 余 应 力 残余应力是指在没有外部载荷的情况下，存在于工件内部的应力，又称内应力。 产生原 因 残余应力是由金属内部的相邻宏观或微观组织发生了不均匀的体积变化而产生的，促使这种变化的因素主要来自热加工或冷加工。null残余应力对零件的精度的影响存在残余应力的零件，始终处于一种不稳定状态，其内部组织有要恢复到一种新的稳定的没有内应力状态的倾向。 在内应力变化的过程中，零件产生相应的变形，原有的加工精度受到破坏。 用这些零件装配成机器，在机器使用中也会逐渐产生变形，从而影响整台机器的性能和质量。null 在铸造、锻造、焊接及热处理过程中，由于工件各部分冷却收缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，在毛坯内部就会产生残余应力。1、毛坯制造中产生的残余应力 毛坯的结构越复杂，各部分壁厚越不均匀以及散热条件相差越大，毛坯内部产生的残余应力就越大。 具有残余应力的毛坯，其内部应力暂时处于相对平衡状态，虽在短期内看不出有什么变化，但当加工时切去某些表面的一部分后，这种平衡就被打破，内应力重新分布，并建立一种新的平衡状态，工件明显地出现变形。 （图5-41）null图5-41 p179 铸件残余应力引起的变形 图5-41 a) 所示为一个内外壁厚相差较大的铸件，在浇铸后的冷却过程中（上下侧的壁薄，冷却速度快）产生残余应力的情况。null 2、冷校直引起的残余应力现 象原 因在外力F的作用下，工件内部的应力重新分布，如图5-43b所示，在轴心线以上的部分产生压应力（用负号表示），在轴心线以下的部分产生拉应力（用正号表示）。在轴心线和两条虚线之间，是弹性变形区域，在虚线以外是塑性变形区域。 冷校直工艺方法是在一些长棒料或细长零件弯曲的反方向施加外力F以达到校直目的，如图5-43a所示（矫往必须过正的一般原理）。 null影 响 措 施当外力F去除后，弹性变形本可完全恢复，但因塑性变形部分的阻止而恢复不了，使残余应力重新分布而达到平衡，如图5-43c所示。 对精度要求较高的细长轴（如精密丝杠），不允许采用冷校直来减小弯曲变形，而采用加大毛坯余量，经过多次切削和时效处理来消除内应力，或采用热校直。 null图5-43 p180 冷校直引起的内应力null 3、切削加工中引起的残余应力 工件在切削加工时，其表面层在切削力和切削热的作用下，会产生不同程度的塑性变形，引起体积改变，从而产生残余应力。这种残余应力的分布情况由加工时的工艺因素决定。内部有残余应力的工件在切去表面的一层金属后，残余应力要重新分布，从而引起工件的变形。 在拟定工艺规程时，要将加工划分为粗、精等不同阶段进行，以使粗加工后内应力重新分布所产生的变形在精加工阶段去除。 对质量和体积均很大的笨重零件，即使在同一台重型机床进行粗精加工也应该在粗加工后将被夹紧的工件松开，使之有充足时间重新分布内应力，在使其充分变形后，然后重新夹紧进行精加工。null 毛坯制造 热处理1．合理设计零件结 构　应尽量简化结 构，减小零件各部 分尺寸差异，以减 少铸锻件毛坯在制 造中产生的残余应 力。2．增加消除残余应力的专门工序 对铸、锻、焊接件进行退火或回火； 工件淬火后进行回火；对精度要求 高的零件在粗加工或半精加工后进 行时效处理（自然、人工、振动时 效处理）3．合理安排工艺过程 　在安排零件加工工艺过程中，尽可能将粗、精加工分在不同工序中进行。null七、 提高加工精度的工艺措施查明产生加工误差的主要因素后，设法对其直接进行 消除或减弱，如细长轴加工用跟刀架会导致工件受压, 产生弯曲变形，现采用反拉法切削,工件受拉不受压以 减少弯曲变形的产生(如下图5-45)。一）、减少误差法二）、误差补偿法误差补偿法是人为地造出一种新的原始误差，去抵消 原来工艺系统中存在的原始误差，尽量使两者大小相 等、方向相反而达到使误差抵消得尽可能彻底的目的。 （如后图5-51和图A）。三）、误差分组法误差分组法是把毛坯或上工序加工的工件尺寸经测量 按大小分为n组，每组尺寸误差就缩减为原来的1/n。 然后按各组的误差范围分别调整刀具位置，使整批工 件的尺寸分散范围大大缩小。null图5-45 反拉法切削细长轴 a) 正向进给 b) 反向进给null图5-51 p184 通过导轨凸起补偿横梁变形null 图 A 螺纹加工校正机构 1－工件2－丝杠螺母 3－车床丝杠 4－杠杆 5－校正尺 6－滚柱 7－工作尺面null四）、误差转移法误差转移法就是把原始误差从误差敏感方向转移到误差 的非敏感方向。例如下图B，转塔车床的转位刀架采用 “立刀”安装法。五）、就地加工法全部零件按经济精度制造，然后装配成部件或产品，且 各零部件之间具有工作时要求的相对位置，最后以一个 表面为基准加工另一个有位置精度要求的表面，实现最 终精加工，这就是“就地加工”法，也称自身加工修配法。 典型例子：车床三爪的修整；平磨工作台的修磨等。六）、误差均分法误差均分法就是利用有密切联系的表面之间的相互比较 和相互修正或者利用互为基准进行加工，以达到很高的 加工精度。null图B 立轴转塔车床刀架转位误差的转移null一、加工误差的性质及分类第三节 加工误差的综合分析null不同性质误差的 解决途径 对随机性误差，从表面上看似乎没有规律，但是应用数理统计的方法可以找出一批工件加工误差的总体规律，查出产生误差的根源，在工艺上采取措施来加以控制。 对于变值系统性误差，在查明其大小和方向随时间变化的规律后，可采用自动连续补偿或自动周期补偿的方法消除。 对于常值系统性误差，在查明其大小和方向后，采取相应的调整或检修工艺装备，以及用一种常值系统性误差去补偿原来的常值系统性误差，即可消除或控制误差在公差范围之内 null 在生产中，误差性质的判别应根据工件的实际加工情况决定。在不同的生产场合，误差的表现性质会有所不同，原属于常值系统性的误差有时会变成随机性误差。 例如：对一次调整中加工出来的工件来说，调整误差是常值误差，但在大量生产中一批工件需要经多次调整，则每次调整时的误差就是随机误差了。null二、加工误差的统计分析方法 加工误差的统计分析法就是以生产现场对工件进行实际测量所得的数据为基础，应用数理统计的方法，分析一批工件的情况，从而找出产生误差的原因以及误差性质，以便提出解决问题的方法。 在机械加工中，经常采用的统计分析法主要有分布图分析法和点图分析法。null 加工一批工件，由于随机性误差的存在，加工尺寸的实际数值是各不相同的，这种现象称为尺寸分散。 在一批零件的加工过程中，测量各零件的加工尺寸，把测得的数据记录下来，按尺寸大小将整批工件进行分组，每一组中的零件尺寸处在一定的间隔范围内。同一尺寸间隔内的零件数量称为频数，频数与该批零件总数之比称为频率。 以工件尺寸为横坐标，以频数或频率为纵坐标，即可作出该工序工件加工尺寸的实际分布图——直方图。1. 实际分布图——直方图 null（1）直方图的作法与步骤1） 收集数据 在一定的加工条件下，按一定的抽样方式抽取一个样本（即抽取一批零件），样本容量（抽取零件的个数）一般取 100件左右，测量各零件的尺寸，并找出其中的最大值xmax和最小值xmin。2） 分组 将抽取的样本数据分成若干组，组数过多，分布图会被频数的随机波动所歪曲；组数太少，分布特征将被掩盖。（如下表） null4） 统计频数分布 将各组的尺寸频数、频率和频率密度填入表中。 5） 绘制直方图 按表列数据以频率密度为纵坐标，组距为横坐标画出直方图，如下图5-61例所示。3） 确定组距及组界 h= (xmax- xmin)/k 第一组上界值：s1=xmin+h/2 第一组下界值：x1=xmin-h/2 null图 5-61 活塞销孔直径尺寸分布图null 抽取工件100个，经测量：φmax=Φ28.004mm，φmin=Φ27.992mm，取0.002mm作为尺寸间隔进行分组，统计每组的工件数，将所得的结果列下表。精镗活塞销孔，参照图纸要求,下面通过实例来说明直方图的作法：表5-2 （p189) 工件频数分布表null（2）直方图的观察与分析 直方图作出后，通过观察图形可以判断生产过程是否稳定，估计生产过程的加工质量及产生废品的可能性。1）尺寸分散范围小于允许公差T，且分布中心与公差带中心重合，则两边都有余地，不会出废品。 2）若工件尺寸分散范围虽然也小于其尺寸公差带T，但两中心不重合（分布中心与公差带中心），此时有超差的可能性，应设法调整分布中心，使直方图两侧均有余地，防止废品产生。 3）若工件尺寸分散范围恰好等于其公差带T，这种情况下稍有不慎就会产生废品，故应采取适当措施减小分散范围。 4）若工件尺寸分散范围大于其公差带T，则必有废品产生，此时应设法减小加工误差或选择其它加工方法。null 大量实践经验表明，在用调整法加工时，当所取工件数量足够多，且无任何起主导作用的误差因素的影响，则所得一批工件尺寸的实际分布曲线便非常接近正态分布曲线。在分析工件的加工误差时，通常用正态分布曲线代替实际分布曲线，可使问题的研究大大简化。null 当采用该曲线代表加工尺寸的实际分布曲线时，上式各参数的意义为： y ——分布曲线的纵坐标，表示工件的分布密度（频率密度）； x——分布曲线的横坐标，表示工件的尺寸或误差； n——一批工件的数目（样本数）。—工件的平均尺寸（算术平均值、分散中心）σ ——一批零件的均方根偏差（差）（1）正态分布曲线方程null工序标准偏差σ决定了分布曲线的形状和分散范围。 当算术平均值保持不变时， σ值越小则曲线形状越陡，尺寸分散范围越小，加工精度越高； σ值越大则曲线形状越平坦，尺寸分散范围越大，加工精度越低，如下图5-63b所示。 σ的大小实际上是反映了随机性误差的影响程度，随机性误差越大，则σ越大。 算术平均值（2）正态分布曲线的特征参数正态分布曲线的特征参数有两个，即 和σ是确定曲线位置的参数。它决定一批工件尺寸分散中心的坐标位置。若改变时，整个曲线沿χ轴平移，但曲线形状不变，如下图5-63a所示。使产生变化的主要原因是常值系统误差的影响。null图5-63 p191 正态分布曲线及其特征null（3）正态分布曲线的特点① 曲线对称于直线② 曲线与x轴围成的面积代表了一批工件的全部，即100%，其相对面积为1。 在±3σ范围内，曲线围成的面积为0.9973。 实际生产中常常认为加工一批工件的尺寸全部在±3σ 范围内，即： 正态分布曲线的分散范围为±3σ ，工艺上称该原则为6σ准则。null ±3σ（或6σ）的概念在研究加工误差时应用很广。 6σ的大小代表了某种加工方法在一定的条件下（如毛坯余量、机床、夹具、刀具等）所能达到的加工精度。 所以在一般情况下，应使所选择的加工方法的标准偏差σ与公差带宽度T之间具有下列关系： 6σ≤T 但考虑到系统误差及其它因素的影响，应当使6σ小于公差带宽度T，才能可靠地保证加工精度。null 工件的实际分布，有时并不近似于正态分布，常见的非正态分布有以下几种形式： 1）锯齿形 直方图的矩形高低相间，形如锯齿，见图5-64例a。出现该图形的主要原因可能是测量方法不当或读数不准，也可能是数据分组不当所致。 2）对称性 中间直方最高，其左右直方逐渐降低且基本呈对称分布，见图例b。该图形属正常图形。 3）偏态形 直方顶端偏向一侧，图形不对称，见图例c。出现该图形的主要原因可能是工艺系统产生显著的热变形，如刀具受热伸长会使加工的孔偏大，图形右偏；使加工的轴偏小，图形左偏，或因为操作者加工习惯所致（操作者主观上有为避免产生不可修复的废品的意向）。null4）孤岛形 在远离分布中心的地方又出现小直方，见图例d。出现该图形的主要原因是加工条件有变动，也可能因毛刺影响测量结果的准确性。 5）双峰形 分布图具有两个顶峰，见图例e。产生这种图形的主要原因可能是经过两次不同的调整后加工的工件混在一起。 6）平顶形 靠近中间的几个直方高度相近，呈平顶状，见图例f。产生这种图形的主要原因是生产过程中某种缓慢变动倾向的影响，如加工中刀具的显著磨损。null图5-64 常见的几种非正态分布图形 a) 锯齿形 b) 对称形 c) 偏态形 d) 孤岛形 e) 双峰形 f) 平顶形null1）确定给定加工方法的精度 对于给定的加工方法，服从正态分布，其分散范围为±3σ（6σ）；则: 6σ即为该加工方法的加工精度。2）判断加工误差的性质如果实际分布曲线基本符合正态分布，则说明加工过程中无变值系统误差（或影响很小）； 若公差带中心与尺寸分布中心重合，则加工过程中常值系统误差为零；否则存在常值系统误差，其大小为‖LM - x‖。 若实际分布曲线不服从正态分布，可根据直方图分析判断变值系统误差的类型，分析产生误差的原因并采取有效措施加以抑制和消除。 null3）判断工序能力及其等级工序能力是指某工序能否稳定地加工出合格产品的能力。 把工件尺寸公差T与分散范围6σ的比值称为该工序的工序能力系数 CP，用以判断生产能力。 CP按下式计算： CP =T/6σ 根据工序能力系数CP的大小,共分为五个等级 , 如书 p193 所示。 工序能力系数CP>1时 , 公差带T大于尺寸分散范围6σ , 具备了工序不产生废品的必要条件 , 但不是充分条件。 要不出废品，还必须保证调整的正确性，即 x 与 LM 要重合。只有当CP大于1，同时公差带和分散范围中心重合时，才能确保不出废品。 当CP＜1时，尺寸分散范围6σ超出公差带T，此时不论如何调整，必将产生部分废品。 当CP=1，公差带 T 与尺寸分散范围 6σ 相等，在各种常值系统误差的影响下，该工序也将产生部分废品。null 由分布函数的定义可知，正态分布函数是正态分布概率密度函数的积分：φ（x） —— 正态分布曲线上下积分限间包含的面积，它表征了 随机变量 x 落在区间（－∞，x）上