机械加工精度及加工表面质量分析课件.ppt
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1、第四章第四章 机械加工精度及表面质量分析机械加工精度及表面质量分析第一节第一节 机械加工精度概述机械加工精度概述 第二节第二节 影响加工误差的因素影响加工误差的因素 第三节第三节 加工误差的统计分析加工误差的统计分析 第四节第四节 提高加工精度的途径提高加工精度的途径 第五节第五节 机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量第六节第六节 机械加工后的表面粗糙度和表面层机械加工后的表面粗糙度和表面层物理机械性能的影响因素物理机械性能的影响因素 第七节第七节 控制加工表面质量的工艺途径控制加工表面质量的工艺途径 第一节第一节 机械加工精度概述机械加工精度概述 一、加工精度一、加工精度1、加工精度是指
2、零件加工后的实际几何参数、加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。符合程度越高,加工精度越高。一合程度。符合程度越高,加工精度越高。一般机械加工精度是在零件工作图上给定的,般机械加工精度是在零件工作图上给定的,其包括:其包括:1)尺寸精度:加工后零件的实际尺寸与零尺寸精度:加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸相符的程度。件理想尺寸相符的程度。2)形状精度:加工后零件的实际形状与零形状精度:加工后零件的实际形状与零件理想形状相符的程度。件理想形状相符的程度。3)位置精度:加工后零件的实际位置与零位置精度:加工后零件的实
3、际位置与零件理想位置相符的程度。件理想位置相符的程度。2、获得加工精度的方法:、获得加工精度的方法:1)试切法:即试切试切法:即试切-测量测量-再试切再试切-直至测直至测量结果达到图纸给定要求的方法。如图量结果达到图纸给定要求的方法。如图a2)定尺寸刀具法:用刀具的相应尺寸来保定尺寸刀具法:用刀具的相应尺寸来保证加工表面的尺寸。如证加工表面的尺寸。如:孔加工、成形刀具孔加工、成形刀具3)调整法:按零件规定的尺寸预先调整好调整法:按零件规定的尺寸预先调整好刀具与工件的相对位置来保证加工表面尺寸刀具与工件的相对位置来保证加工表面尺寸的方法。如图的方法。如图b 3、加工误差:实际加工不可能做得与理想
4、零、加工误差:实际加工不可能做得与理想零件完全一致,总会有大小不同的偏差,零件件完全一致,总会有大小不同的偏差,零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度,称为加工误差。加工误差的大小表离程度,称为加工误差。加工误差的大小表示了加工精度的高低。示了加工精度的高低。生产实际中用控制加工误差的方法来保证加生产实际中用控制加工误差的方法来保证加工精度。工精度。4、误差的敏感方向:误差的敏感方向:加工误差对加工精度加工误差对加工精度影响最大的方向,为误差的敏感方向。影响最大的方向,为误差的敏感方向。例如:车削外圆柱面,加工误差敏感方向为例如:车削外圆柱面,加
5、工误差敏感方向为外圆的直径方向。外圆的直径方向。二、加工经济精度二、加工经济精度 由于在加工过程中有很多因素影响加工由于在加工过程中有很多因素影响加工精度,所以同一种加工方法在不同的工作条精度,所以同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的。任何一种加件下所能达到的精度是不同的。任何一种加工方法,只要精心操作,细心调整,并选用工方法,只要精心操作,细心调整,并选用合适的切削参数进行加工,都能使加工精度合适的切削参数进行加工,都能使加工精度得到较大的提高,但这样会降低生产率,增得到较大的提高,但这样会降低生产率,增加加工成本。加工误差加加工成本。加工误差与加工成本与加工成本C成反比成
6、反比关系。某种加工方法的加工经济精度不应理关系。某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个确定值,而应理解为一个范围,解为某一个确定值,而应理解为一个范围,在这个范围内都可以说是经济的。在这个范围内都可以说是经济的。三、研究机械加工精度的方法三、研究机械加工精度的方法因素分析法和统计因素分析法和统计分析法。分析法。因素分析法:通过分析、计算或实验、测试等方因素分析法:通过分析、计算或实验、测试等方法,研究某一确定因素对加工精度的影响。一般法,研究某一确定因素对加工精度的影响。一般不考虑其它因素的同时作用,主要是分析各项误不考虑其它因素的同时作用,主要是分析各项误差单独的变化规律;差单独的变化规
7、律;统计分析法:运用数理统计方法对生产中一批工统计分析法:运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数据处理,用以控制工艺过程件的实测结果进行数据处理,用以控制工艺过程的正常进行。主要是研究各项误差综合的变化规的正常进行。主要是研究各项误差综合的变化规律,只适合于大批、大量的生产条件。律,只适合于大批、大量的生产条件。四、原始误差四、原始误差 由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统(简称工艺系统)会有各种各样的工工艺系统(简称工艺系统)会有各种各样的误差产生,这些误差在各种不同的具体工作条误差产生,这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同
8、的方式(或扩大、或缩小)件下都会以各种不同的方式(或扩大、或缩小)反映为工件的加工误差。反映为工件的加工误差。工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。工艺系统的原始误差主要有:称为原始误差。工艺系统的原始误差主要有:1、加工前的误差(原理误差、调整误差、工、加工前的误差(原理误差、调整误差、工艺系统的几何误差、定位误差)艺系统的几何误差、定位误差)2、加工过程中的误差(工艺系统的受力变形、加工过程中的误差(工艺系统的受力变形引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的加工误差)加工误差)3、加工后的误差(
9、工件内应力重新分布引起、加工后的误差(工件内应力重新分布引起的变形以及测量误差)等。的变形以及测量误差)等。第二节第二节 影响加工误差的因素影响加工误差的因素 一、加工前的误差(原理误差、机床调整误差、定位一、加工前的误差(原理误差、机床调整误差、定位误差、工艺系统的几何误差)误差、工艺系统的几何误差)(一)、(一)、加工原理误差:加工原理误差:定义:由于采用近似的加工运动或近似的刀具轮廓定义:由于采用近似的加工运动或近似的刀具轮廓所产生的加工误差,为加工原理误差。所产生的加工误差,为加工原理误差。(1)采用近似的刀具轮廓形状:采用近似的刀具轮廓形状:例如:模数铣刀例如:模数铣刀铣齿轮。铣齿轮
10、。(2)采用近似的加工运动:采用近似的加工运动:例如:车削蜗杆时,例如:车削蜗杆时,由于蜗杆螺距由于蜗杆螺距Pg=m,而,而=3.1415926,是无理数,是无理数,所以螺距值只能用近似值代替。因而,刀具与工件所以螺距值只能用近似值代替。因而,刀具与工件之间的螺旋轨迹是近似的加工运动。之间的螺旋轨迹是近似的加工运动。在曲线或曲面的数控加工中,刀具相对于在曲线或曲面的数控加工中,刀具相对于工件的成形运动是近似的;又如滚齿用的齿轮滚工件的成形运动是近似的;又如滚齿用的齿轮滚刀有两种误差:一是为了制造方便,采用阿基米刀有两种误差:一是为了制造方便,采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产
11、德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓形误差;二是由于滚刀刀齿有限,生的刀刃齿廓形误差;二是由于滚刀刀齿有限,实际上加工出的齿形是条由微小折线段组成的曲实际上加工出的齿形是条由微小折线段组成的曲线,和理论上的光滑渐开线有差异,从而产生加线,和理论上的光滑渐开线有差异,从而产生加工原理误差。工原理误差。采用近似的成形运动或近似的刀刃轮廓,采用近似的成形运动或近似的刀刃轮廓,虽然会带来加工原理误差,但往往可简化机床结虽然会带来加工原理误差,但往往可简化机床结构或刀具形状,提高生产效率,且能得到满足要构或刀具形状,提高生产效率,且能得到满足要求的加工精度。因此,只要这种方法产生的误差
12、求的加工精度。因此,只要这种方法产生的误差不超过规定的精度要求,在生产中仍能得到广泛不超过规定的精度要求,在生产中仍能得到广泛的应用。的应用。(二)(二)机床调整误差:机床调整误差:机床调整:是指使刀具的切削刃与定位机床调整:是指使刀具的切削刃与定位基准保持正确位置的过程。基准保持正确位置的过程。(1)进给机构的调整误差:主要指进刀进给机构的调整误差:主要指进刀位置误差;位置误差;(2)定位元件的位置误差:使工件与机定位元件的位置误差:使工件与机床之间的位置不正确,而产生误差;床之间的位置不正确,而产生误差;(3)模板(或样板)的制造误差:使对模板(或样板)的制造误差:使对刀不准确。刀不准确。
13、(三)(三)装夹误差:装夹误差:定义:工件在装夹过程中产生的误差,为装定义:工件在装夹过程中产生的误差,为装夹误差。夹误差。装夹误差包括装夹误差包括定位误差定位误差和和夹紧误差夹紧误差。定位误差是指一批工件采用调整法加工时因定位误差是指一批工件采用调整法加工时因定位不正确而引起的尺寸或位置的最大变动定位不正确而引起的尺寸或位置的最大变动量。定位误差由量。定位误差由基准不重合误差和定位副制基准不重合误差和定位副制造不准确误差造不准确误差造成。造成。1、基准不重合误差、基准不重合误差 在零件图上用来确定某一表面尺寸、位在零件图上用来确定某一表面尺寸、位置所依据的基准称为设计基准。置所依据的基准称为
14、设计基准。在工序图上用来确定本工序被加工表面在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依据的基准称为工序加工后的尺寸、位置所依据的基准称为工序基准。基准。一般情况下,工序基准应与设计基准重一般情况下,工序基准应与设计基准重合。在机床上对工件进行加工时,须选择工合。在机床上对工件进行加工时,须选择工件上若干几何要素作为加工(或测量)时的件上若干几何要素作为加工(或测量)时的定位基准(或测量基准),如果所选用的定定位基准(或测量基准),如果所选用的定位基准(或测量基准)与设计基准不重合,位基准(或测量基准)与设计基准不重合,就会产生基准不重合误差。就会产生基准不重合误差。基准不重合误差
15、基准不重合误差等于定位基准相对于设计基准在工序尺寸方等于定位基准相对于设计基准在工序尺寸方向上的最大变动量(公差)。向上的最大变动量(公差)。图示零件,设图示零件,设e面已加工好,今在铣床上用调整面已加工好,今在铣床上用调整法加工法加工f面和面和g面。在加工面。在加工f面时若选面时若选e面为定位基准,面为定位基准,则则f面的设计基准和定位基准都是面的设计基准和定位基准都是e面,基准重合,面,基准重合,没有基准不重合误差,尺寸没有基准不重合误差,尺寸A的制造公差为的制造公差为TA。加工加工g面时,定位基准有两种不同的选择方案,面时,定位基准有两种不同的选择方案,一种方案(方案一种方案(方案)加工
16、时选用)加工时选用f面作为定位基准,面作为定位基准,定位基准与设计基准重合,没有基准不重合误差,定位基准与设计基准重合,没有基准不重合误差,尺寸尺寸B的制造公差为的制造公差为TB;但这种定位方式的夹具结;但这种定位方式的夹具结构复杂,夹紧力的作用方向与铣削力方向相反,不构复杂,夹紧力的作用方向与铣削力方向相反,不够合理,操作也不方便。够合理,操作也不方便。另一种方案(方案另一种方案(方案)是选用)是选用e面作为定位基准面作为定位基准来加工来加工g面,此时,工序尺寸面,此时,工序尺寸C是直接得到的,尺寸是直接得到的,尺寸B是间接得到的,由于定位基准是间接得到的,由于定位基准e与设计基准与设计基准
17、f不重合不重合而给而给g面加工带来的基准不重合误差等于设计基准面加工带来的基准不重合误差等于设计基准f面相对于定位基准面相对于定位基准e面在尺寸面在尺寸B方向上的最大变动量方向上的最大变动量TA。定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差,只有在采用调整法加工时才会产生,在重合误差,只有在采用调整法加工时才会产生,在试切法加工中不会产生。试切法加工中不会产生。2、定位副制造不准确误差、定位副制造不准确误差 工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。夹具上的定位元件不可能按基本尺寸制来确定的。夹具上
18、的定位元件不可能按基本尺寸制造得绝对准确,它们的实际尺寸(或位置)都允许造得绝对准确,它们的实际尺寸(或位置)都允许在分别规定的公差范围内变动。同时,工件上的定在分别规定的公差范围内变动。同时,工件上的定位基准面也会有制造误差。工件定位面与夹具定位位基准面也会有制造误差。工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副,元件共同构成定位副,由于定位副制造得不准确和由于定位副制造得不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量,定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量,称为定位副制造不准确误差。称为定位副制造不准确误差。如图所示工件的孔装夹在水平放置的心轴上如图所示工件的孔装夹在水平放置的心轴上铣削
19、平面,要求保证尺寸铣削平面,要求保证尺寸h,由于定位基准与设,由于定位基准与设计基准重合,故无基准不重合误差;但由于工件计基准重合,故无基准不重合误差;但由于工件的定位基面(内孔的定位基面(内孔D)和夹具定位元件(心轴)和夹具定位元件(心轴d1)皆有制造误差,如果心轴制造得刚好为皆有制造误差,如果心轴制造得刚好为d1min,而工件得内孔刚好为而工件得内孔刚好为Dmax(如图示),当工件(如图示),当工件在水平放置得心轴上定位时,工件内孔与心轴在在水平放置得心轴上定位时,工件内孔与心轴在P点接触,工件实际内孔中心的最大下移量点接触,工件实际内孔中心的最大下移量ab(Dmaxd1min)/2,ab
20、就是定位副制造不就是定位副制造不准确而引起的误差。准确而引起的误差。基准不重合误差的方向和定位副制造基准不重合误差的方向和定位副制造不准确误差的方向可能不相同,定位误不准确误差的方向可能不相同,定位误差取为基准不重合误差和定位副制造不差取为基准不重合误差和定位副制造不准确误差的矢量和。准确误差的矢量和。(四)工艺系统几何误差(四)工艺系统几何误差 1 1、机床的几何误差、机床的几何误差 加工中刀具相对于工件的成形运动一般加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的,因此,工件的加工都是通过机床完成的,因此,工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。精度在很大程度上取决于机床的精度。机
21、床制造误差对工件加工精度影响较机床制造误差对工件加工精度影响较大的有:大的有:主轴回转误差、导轨误差和传动主轴回转误差、导轨误差和传动链误差链误差。机床的磨损将使机床工作精度下。机床的磨损将使机床工作精度下降。降。(1 1)主轴回转误差)主轴回转误差 机床主轴是装夹工件或刀具的基准,并机床主轴是装夹工件或刀具的基准,并将运动和动力传给工件或刀具,主轴回转误将运动和动力传给工件或刀具,主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度。差将直接影响被加工工件的精度。主轴回转误差是指主轴各瞬间的实际回主轴回转误差是指主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。它可转轴线相对其平均回转轴线的变动量。它可
22、分解为分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三三种基本形式。种基本形式。产生产生主轴径向回转误差主轴径向回转误差的主要原因有:的主要原因有:主轴几段轴颈的同轴度误差、轴承本身的各主轴几段轴颈的同轴度误差、轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴绕度种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴绕度等。但它们对主轴径向回转精度的影响大小等。但它们对主轴径向回转精度的影响大小随加工方式的不同而不同。随加工方式的不同而不同。采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动 譬如,在采用滑动轴承结构为主轴的车床上车削外圆时,譬如,在采用滑动轴承结构为主轴的车床上车削外
23、圆时,切削力切削力F的作用方向可认为大体上时不变的,见图的作用方向可认为大体上时不变的,见图a,在切削,在切削力力F的作用下,主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部的作用下,主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触,此时主轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响位相接触,此时主轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大,而轴承内径的圆度误差对主轴径向回转精度的影响则较大,而轴承内径的圆度误差对主轴径向回转精度的影响则不大;不大;在镗床上镗孔时,由于切削力在镗床上镗孔时,由于切削力F的作用方的作用方向随着主轴的回转而回转,在切削力向随着主轴的回转而回转,在切削力F的作用的作用下,主轴总是以其
24、轴颈某一固定部位与轴承内下,主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触,因此,轴承内表面的圆表面的不同部位接触,因此,轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大,而主轴度误差对主轴径向回转精度影响较大,而主轴颈圆度误差的影响则不大。图中的颈圆度误差的影响则不大。图中的d表示径向表示径向跳动量。跳动量。产生产生轴向窜动轴向窜动的主要原因是主轴轴肩端面和的主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。不同的加工方法,主轴回转误差所引起的的不同的加工方法,主轴回转误差所引起的的加工误差也不同。主轴回转误差产生的加工加工误差也不
25、同。主轴回转误差产生的加工误差误差:1)径向跳动:影响工件圆度;径向跳动:影响工件圆度;2)轴向窜动:影响轴向尺寸,加工螺纹时轴向窜动:影响轴向尺寸,加工螺纹时影响螺距值;影响螺距值;3)角度摆动:影响圆柱度角度摆动:影响圆柱度;提高主轴回转精度的措施:提高主轴回转精度的措施:主要是要消除轴承的间隙主要是要消除轴承的间隙;适当提高主轴适当提高主轴及箱体的制造精度,选用高精度的轴承,及箱体的制造精度,选用高精度的轴承,提高主轴部件的装配精度,对高速主轴提高主轴部件的装配精度,对高速主轴部件进行平衡,对滚动轴承进行预紧等,部件进行平衡,对滚动轴承进行预紧等,均可提高机床主轴的回转精度。均可提高机床
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