机械加工精度

机械加工精度 第三章 机械加工精度 Machining Precision ?3-1概述 零件的加工质量: 机械加工精度 加工表面质量 一、机械加工精度 1、概念 (1)加工精度:零件加工后的实际几何参数(即尺寸、形状和表面间的相互位置)与理想几何参数的符合程度。(由各种因素影响----不可能完全符合.) (2)加工误差:加工后零件的实际几何参数(即尺寸、形状和表面间的相互位置)对理想几何参数的偏离程度。 (零件可以允许有一定的加工误差---保证产品的使用性能,保证和提高加工精度问题--实际上就是限制和降低加工误差问题) (1)加工精度的高低-- ------- 加工误差的大小表示 (2)加工精度(尺寸,形状,位置精度)三者关系 尺寸精度高——位置精度高 位置公差限制在尺寸公差之内: 形状公差限制在位置公差内: 位置精度高——形状精度高 反之不成立 反之不成立 (3)加工精度、加工成本、生产率三者关系 人员-------合理规定加工精度 工艺人员-------依设计要求、生产条件、用适当方法保证高生产率和低 成本. 2. 工艺系统 定义: 在机械加工时,机床、夹具、刀具和工件就构成了一个完整的系统. 第4章 机械加工精度 每一种机械产品都是由许多相关的零件装配而成的，因此产品的质量不但取决于装配的质量，而且还与零件的加工质量直接相关。加工精度是衡量机器零件加工质量的重要指标，它将直接影响整台机器的工作性能和使用寿命。 所谓机械加工精度，是指零件在加工后的几何参数(尺寸、形状、表面间的相互位置)的实际值与理论值相符合的程度。反之，零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的偏离程度，则称为加工误差。在生产实践中都是用加工误差的大小来反映与控制加工精度的，加工误差愈小，加工精度愈高。 机械加工精度包括尺寸精度、形状精度、位置精度三项内容，三者有联系，也有区别。通常形状公差应限制在位置公差之内，而位置公差一般也应限制在尺寸公差之内。当尺寸精度要求高时，相应的位置精度、形状精度也要求高。但形状精度要求高时，相应的位置精度和尺寸精度却不一定要求高，这要根据零件的功能要求来决定。 4.1 影响加工精度的因素及其 如图4-1所示，在机械加工中，零件的尺寸、几何形状、表面间相互位置的形成，取决于工件和刀具在切削运动过程中的相互位置关系r(t)。而r(t)是由工件、夹具、机床、刀具组成的工艺系统所保证的。因此，工件的加工精度问题也就涉及到整个工艺系统的精度问题。 Y 工件 Xr(t) 车刀 图4-1 工件相对于刀具的位置 工艺系统中各个环节所存在的误差，在不同的条件下，以不同的程度和方式反映为工件 -2所的加工误差，它是产生加工误差的根源，因此工艺系统的误差被称为原始误差，如图4示。原始误差主要来自两方面:一方面是在加工前就存在的工艺系统本身的误差(几何误差)，包括工件、夹具、刀具的制造与安装误差;另一方面是加工过程中工艺系统的受力受热变形、刀具的磨损等引起的误差，以及加工后因内应力引起的变形等。 对刀误差 工件误差刀具制造误差夹具误差机床误差工件夹具刀具 定位误差安装误差安装误差 工件夹具机 床刀具 刀具磨损工艺系统的受力(热)变形 r(t) 图4-2 工艺系统与原始误差 4.2 工艺系统几何误差对加工精度的影响 1、工件误差 ，,ll图4-3为在工件上加工一个台阶面的工序简图，本道工序中要求保证尺寸mm。用调0整法保证尺寸精度时，通常是保证定位基准表面与加工表面之间的尺寸，这里，工件以下底面和左侧面定位进行加工。然而，一批工件总存在着制造误差，在本道工序中体现为0Hmm。当H为极限尺寸H时，加工表面的工序尺寸为l，如图4-3a所示。而当H为极限min1,,H l,l,H,H,,H尺寸H时，加工表面的工序尺寸为l，如图4-3b所示。由于，max221maxmin ,l,l,l,,H所以本道工序中台阶面存在着加工误差。该加工误差的实质是由于定位基21 准与设计基准不重合所形成的误差，故称为基准不重合误差。 工件2 工件12l1l minmaxHH 加工余量定位元件 定位元件 (a)(b) 图4-3 工件误差 (a) H最小时 (b) H最大时 2、工件定位误差 为了保证加工表面的加工精度要求，首要任务就是保证工件定位时，通过一定数目的定位元件合理布置在定位表面上，使工件获得相对于刀具的正确加工位置。然而，由于定位元件和工件定位表面本身均存在制造误差和安装误差，将引起工件的位置和方向产生变化，从而引起加工误差。图4-4表示一个套筒类零件在水平放置的心轴上定位、铣键槽的工序，要 0h求保证尺寸mm。加工时是由按心轴中心调整好铣刀的高度位置来保证的。 ,,h 21hhdmaxdmin DDminmax (a)(b) 图4-4 定位误差 (a) D最大d最小时 (b) D最小d最大时 由于工件的定位表面和心轴不可能制造得十分准确而无误差，同时为了使工件圆孔易于套入心轴，也必须使工件内孔与心轴之间具有一个最小配合间隙，假定工件内孔和心轴直径 ，,D0,D,d分别为mm、mm。这样，工件内孔中心和心轴中心不可能保持完全同轴。如图,,0d 4-4a所示，当心轴直径最小、工件内孔直径最大时，工序尺寸h达到最大值h。而当心轴直1径最大、工件内孔直径最小时，工序尺寸h达到最大值h，如图4-4b所示。此时，加工误差2 D,dD,d1maxminminmax。 ,h,h,h,,,(,D，,d)12222 3、夹具误差 L,,L11L,,L (a) (b) 图4-5 夹具误差 (a) 工件 (b) 钻模 L,,L如图4-5a所示，在块状工件上钻一个通孔，要求保证尺寸mm。然而，由于夹具中各主要元件存在着制造误差和配合间隙，给设计尺寸L带来加工误差。如图4-5b所示，影响尺寸L精度的因素主要有: ,L (1) 衬套内孔轴线至定位表面的距离L1的制造误差。 1 ,,(2) 钻套与衬套之间的配合间隙。 max (3) 钻套内外圆的同轴度误差ε。 由于各误差因素，并非都是按最大值出现，应该按概率法来估算分度误差才符合实际。其具体算法可用下式表示 ,,L,2,L，,，, (4-1) 1max 4、夹具安装误差 图4-6 夹具安装误差 图4-6为小连杆的铣槽工序图。工序要求铣工件两个端面上的八个槽，槽的中心线 ,,与两孔中心连线夹角为。加工在X62W卧式铣床上进行。由于定向键与机床工作台45,30 T形槽之间存在配合间隙，从而将导致夹具倾斜一个角度。假定两个定向键的配合尺寸为, 0，,Bl,,lbBmm，且距离为mm，而T形槽的配合尺寸为mm，则夹具安装误差误差可,0,,b 表示为 B，b，(B,b),,, (4-2) ,l 018 图4-6中，由于定向键的尺寸为mm，两个定向键之间的距离为115mm。由,0.011 ，0.018,218手册可查得X62W卧式铣床T形槽的尺寸为mm。那么夹具安装误差为。 0 5、机床误差 机床误差包括机床的制造误差、安装误差和磨损等几个方面。其中主轴回转误差、导 轨误差对加工精度影响较大。 (1) 导轨误差 床身导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是主要部件的运动基准，它的各项误差直接影响零件的加工精度。在机床的精度中，导轨误差共有三个项目:在水平内的直线度、在垂直面内的直线度和前后导轨的平行度(扭曲)。若车床导轨在水平面内直线度误差使刀尖在水平面内发生位移Y，如图4-7所示，引起被加工零件在半径方向产生的误差ΔR和加工表面圆柱度误差ΔR分别为 max ,R,Y (4-3) ,R,Y,Y (4-4) maxmaxmin 图4-7 车床导轨在水平面内直线度的误差 车床导轨在垂直面内的直线度误差将引起刀尖产生ΔZ的误差，如图4-8所示，从而导致工件的半径产生加工误差，其值ΔR为 2Z,R (4-5) ,,d 图4-8 车床导轨在垂直平面内直线度的误差 由式(4-3)和(4-4)可知，不同的原始误差对加工精度具有不同的影响。当原始误差的方向与工序尺寸方向一致时，其对加工精度的影响最大。我们把对加工精度影响最大的那个方向称为误差的敏感方向。对于车削来说，在工件已加工表面的法线方向，导轨误差对加工精度影响最大，因此法线方向是误差敏感方向;而在切线方向，导轨误差对加工精度的影响最小，通常可忽略不计，称为误差非敏感方向。 ΔR O Hα αδ B 图4-9 导轨扭曲引起的加工误差 机床的两导轨在垂直平面内的平行度误差(扭曲度)，会使车床的溜板沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产生偏移，影响加工精度。如图4-9所示，假设前后导轨的扭曲度为δ，车床中心高为H，导轨宽度为B，则工件半径误差可由几何关系近似求得 H,,R, (4-6) B (2) 主轴的回转误差 机床主轴的回转精度，直接影响被加工工件的加工精度。尤其是在精加工时，机床主轴的回转误差往往是影响加工精度的主要因素。所谓主轴的回转精度，是指主轴回转中心线在主轴回转过程中的稳定程度，理想主轴的回转中心线的空间位置是固定不变的。但实际上由于存在着轴颈的圆度、轴颈之间的同轴度、轴承之间的同轴度、主轴的挠度以及支承端面对轴颈中心线的垂直度等误差，使主轴的实际回转轴线与理想回转轴线发生偏移，这个偏移量就是主轴的回转误差。 主轴的回转误差可以分为三种基本形式:径向跳动、倾角摆动和轴向窜动，如图4-10所示。不同形式的主轴回转误差对加工精度的影响不同，同一形式的回转误差在不同的加工方式(例如车削和镗削)中对加工精度的影响也不一样。现举几个简单情况下的特例说明。 图4-10 主轴回转误差的基本形式 主轴的轴向窜动对工件圆柱表面的加工精度没有影响;但在加工端面时，则会产生端面与轴线不垂直。主轴每转一周，主轴就要沿轴向窜动一次，如图4-11a所示。向前窜动的半周中形成了右螺旋面，向后窜动的半周中形成了左螺旋面，如图4-11b所示。端面对轴心线的垂直度误差随切削半径的减小而增大，其关系为 Atan,, (4-7) R 其中A为主轴端面圆跳动的幅值，R为工件车削端面的半径，θ为端面切削后的垂直度偏差。 A , (a) (b) 图4-11 轴向窜动 (a) 二维示意图 (b) 三维示意图 主轴的径向跳动会使工件产生圆度误差，但加工方法不同，影响程度也不尽相同。在镗削时，镗刀随主轴旋转，工件不转。设由于主轴的径向跳动而使主轴轴线在y坐标方向上 ,作简谐运动，如图4-12所示，其运动方程(即原始误差)，A为振幅，为主轴h,Acos, ,转角;当主轴中心偏移最大(等于A)时，镗刀尖刚好通过水平位置1。当镗刀尖转到角 ,1位置处时，回转中心的实际偏离位置。由于在任一时刻，刀尖到主轴的实际h,Acos, 回转中心的距离R是一定值，则刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别为 ,,,,，,，yAcosRcos(AR)cos, (4-8) ,z,Rsin,, 式(4-8)是一个椭圆的参数方程，其长半轴为(A+R)，短半轴为R。说明镗出的孔为椭圆形，如图4-12点划线所示，其圆度误差为A。 z 2 1' hR , 3 y1AR 4 图4-12 径向跳动对镗孔圆度的影响 车削时主轴径向跳动对工件的圆度影响很小，这可以由图4-13来说明。仍假定主轴轴线 沿y坐标方向作简谐振动，则在工件1处(主轴中心偏移最大处)切出的半径为(R-A)，在工 件3处切出的半径则为(R+A)。而在2、4处切出的半径均为R。这样，在上述四点的工件直径 相等，而在其它各点所形成的直径只有二阶小的误差，所以车削出的工件表面接近于一个圆。 z 2 1'h R-h,3O1 y AR-A R 4 图4-13 径向跳动对车削圆度的影响 ,1事实上，若车刀切在工件表面任一位置处时，切出的实际半径为R-h。则刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别为 2,,,,,，,,，yA(Rh)cosAsinRcos (4-9) ,z(Rh)sin,Rsin,Acos,sin,,,,,, 由此可得 22222y，z,R，Asin, (4-10) 2若略去二次误差A，则上式近似为 222y，z,R (4-11) 上式表明，车削出的工件表面接近于正圆。 当主轴存在倾角摆动时，如果是轴线在空间成一锥角α的圆锥轨迹，如图4-14所示，那么从各个截面来看，相当于轴心作偏心运动，只是各截面的偏心量不同而已。因此，无论是车削还是镗削，都能获得一个正圆柱。 OO ,, OO43 OO12 OOOO1212 OOO341 OOO221 图4-14 空间倾角摆动 如图4-15所示，如果是轴线在某一平面内作角度摆动，假定其频率与主轴回转频率一致，沿各截面来看，车削表面是一个正圆，以整体而论，车削出来的工件是一个圆柱;镗削内孔时，沿各截面来看，镗削表面均为椭圆，就整体来说，镗削出来的是一个椭圆柱。 OO , , OOOO4123 OOOO1212 OO34O1 OO2O12 图4-15 平面倾角摆动 6、刀具制造与安装误差 刀具对加工精度的影响，随刀具种类的不同而异。定尺寸刀具，如钻头、铰刀、孔拉刀、丝锥、扳牙、槽铣刀等，加工时刀具的尺寸误差、形状误差直接影响工件的尺寸精度和形状精度。成形刀具，如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等的形状误差，将直接影响工件加工表面的形状精度。普通刀具，如车刀、刨刀、铣刀等，其制造误差与加工精度没有直接的影响。 另外，若采用成形刀具对工件进行加工时，加工表面的加工精度还与刀具的安装精度有关。图4-16所示为采用宽刃车刀横向进给加工短圆柱面，当安装正确时，加工表面的形状为正圆柱;当车刀刃口位置安装得偏高或偏低，工件将加工成一个双曲面;若车刀刃口的安装位置在y方向产生倾斜时， 工件加工表面则为圆锥面。 X Z Y (a) X ,Z Y (b) X Z , Y (c) 图4-16 刀具安装误差 (a) 安装正确 (b) 垂直面内有安装误差 (c) 水平面内有安装误差 7、对刀误差 L,,L如图4-5b所示，工件上被加工孔的位置尺寸是mm。加工过程中，由于与钻套之间的间隙、以及容屑高度的影响，将引偏刀具而对尺寸L带来加工误差。假定刀具与钻套 ,，容屑高度为S，钻套高度为H，工件被加工孔的深度为B，那之间的最大配合间隙为max 么由图4-17所示的几何关系求得刀具的引偏量x为 1 ,H,,maxx,，S，B (4-12) ,,12H,, d,max SBH x1 图4-17 对刀误差 4.3 工艺系统物理变形对加工精度的影响 4.3.1 受力变形 由机床、夹具、刀具及工件所组成的工艺系统，在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等的作用下，将产生相应的变形，使刀具和工件在静态下调整好的相互位置，以及切削成形运动所需要的正确几何关系发生变化，而造成加工误差。研究工艺系统受力变形的规律，提高工艺系统刚度，对于可靠地保证零件机械加工质量是非常重要的。 1、工艺系统刚度 工艺系统的受力变形通常是弹性变形。一般来说，工艺系统抵抗弹性变形的能力越强，则加工精度越高。工艺系统抵抗变形的能力，用刚度k来描述。所谓工艺系统刚度，是指工件加工表面在切削力法向分力Fy的作用下，刀具相对工件在该方向上位移y的比值，即 Fy,k (4-13) y 工艺系统在切削分力F的作用下，变形y是各个组成部分变形的叠加(包括机床变形y、yjc夹具变形y、刀具变形y、工件变形y))，即 jjdg y= y+y +y +y jcjjdg (4-14) 由于机床刚度K =F/y ;夹具刚度K =F/y ;刀具刚度K=F/y;工件刚度K =F/y。jcyjcjjyjjd ydgyg将各部分刚度表达式代入式(4-14)中，整理得工艺系统刚度的一般表达式为 11111,，，， (4-15) kkkkkjcjjdg 2、切削力作用点变化引起的加工误差 工艺系统刚度除了受各个组成部分的刚度影响之外，还有一个很大特点，那就是随着受力点的位置变化而变化。现以车床顶尖间加工光轴为例来说明。假定工件短而粗，此时工件刚度较好，切削时工件的变形可以忽略不计。于是，工艺系统的变形完全取决于机床的变形。再假设切削过程中切削力保持不变，当车刀以径向力Fy进给到图4-18所示的x位置时，车床主轴箱、尾座以及刀架分别受到F1、F2、Fy的作用。若主轴箱、尾座和刀架的刚度分别为K、K和K，则相应的变形y、y和y分别为 tjwzdjtjwzdj FFFFLxFx,yyy21y,,，， (4-16) yy,,,wztjdjkkLkkLkwzwztjtjdj 式中 F、F分别为主轴箱和尾座上的分力。 12 由图中的几何关系可得机床的总变形为 22，，,1Lx1x1,,,,y,y，y,F，， (4-17) ,,,,,,jcxdjykLkLk,,,,,,tjwzdj，， 可见y 是x的抛物线型二次函数，使车出的工件呈两端粗、中间细的鞍形，如图4-19jc 所示，各截面上的直径尺寸不同，产生了形状和尺寸误差。 如果在两顶尖间车削刚性差的细长轴工件，则工艺系统中的工件变形必须考虑。假设此时不考虑机床和刀具的变形，工件变形可按简支梁计算 22FLxx(,)yy (4-18) ,gEIL3 3FLLyx,0x,Ly,0显然，当或时，;当时，工件变形最大y。因此加,x,gg48EI2 工后的工件呈鼓形。 3、切削力大小变化引起的加工误差 在车床上加工短轴，工艺系统刚度变化不大，可近似地作为常数。这时由于被加工表面形状误差(使加工余量不均)或材料硬度的变化，引起切削力和工艺系统受力变形的变化，因而产生了工件的加工误差。 实际加工表面 理想加工表面 毛坯 图4-20 车削时误差的复映 图 4-20所示为车削一圆柱表面，加工时刀具根据加工要求调整到一定的背吃刀量(图中双点划线的位置)。然而，毛坯横截面为椭圆形，在工件的每一转中，背吃刀量发生变化，最小值为a，最大值为a。假定毛坯材料的硬度是均匀的，那么a处的切削力F最大，相p2 p1p1y1应的变形y也最大，而a处的切削力F最小，相应的变形y也最小。因此，当车削具有圆度1p2y22 ,m,a,a的毛坯时，由于工艺系统受力变形的变化而使工件产生相应的圆度误差误差p1p2 ，这种现象称为误差复映。 ,g,y,y12 为了能够描述加工误差与毛坯误差之间的关系，令 ,g (4-19) ,,,m 根据切削原理可知，切削力F可表示为 y xyFyFy (4-20) F,CafyFyp C其中为与刀具几何参数、切削条件(刀具材料、工件材料及其硬度、切削用量、冷却液Fy xy等)有关的系数，a和f分别为背吃刀量和进给量，和为指数。 pFyFy ,,,,10在工件材料硬度均匀、切削条件一定的情况下，对于一般车刀(，，,,45o ,x,1,,0)，。所以误差复映系数可进一步表达为 sFy C,, (4-21) k yFy式中C,Cf为常数。 yFy 可以看出，工艺系统刚度k越高，ε越小，也即复映在工件上的加工误差越小。一般地，误差复映系数是一个小于1的正数，表明该工序具有一定的误差修正能力。 当加工过程分成n次进给运动进行时，每次进给的复映系数为ε、ε、„、ε，则总的12n ,,,,？,复映系数。几次进给后ε远小于1，加工误差也变得很小。说明工件某一表面12n 采用多次加工有助于提高加工精度。 毛坯材料硬度不均匀也将使切削力大小产生变化，工艺系统的受力变形也随着变化，从而产生加工误差。因此，在采用调整法成批生产时，控制毛坯材料硬度的均匀性是很重要的。因为加工过程中走刀次数通常已定，如果一批毛坯材料的硬度差别很大，就会使工件的尺寸分散范围扩大，甚至超差。 4、夹紧力引起的加工误差 工件在装夹时，由于工件刚度较低或夹紧力作用点不当，会使工件产生相应的变形，造成加工误差。图4-21所示为利用三爪自动定心卡盘夹持薄壁套筒，假定毛坯是正圆形，夹紧后工件成三棱形，如图4-21a所示。此时镗出来的孔为正圆形，如图4-21b所示。但松开后，套筒零件弹性恢复使孔又变成三棱形，如图4-21c所示。为了减少加工误差，应使夹紧力均匀分布，可采用开口过度环(如图4-21d所示)或采用专用卡爪(如图4-21e所示)夹紧。 图4-21 夹紧变形 (a) 夹紧后 (b) 镗孔后 (c) 松开后 (d) 开口过度环 (e) 专用卡爪 图4-22a为磨削薄板工件示意图。当磁力将工件吸向磁盘表面时，工件将产生弹性变形，如图4-22b所示。磨完后，由于弹性恢复，已磨完的表面又产生翘曲，如图4-22c所示。改进的办法是在工件和磁力吸盘之间垫橡皮垫(厚0.5mm)，如图4-22d、e所示。工件夹紧时， 橡皮垫被压缩，减少工件的变形，再以磨好的表面定位磨另一面。这样，经多次互为基准交替磨削即可获得平面度较高的薄板工件。 图4-22 薄板工件磨削 (a) 毛坯翘曲 (b)吸盘吸紧 (c)磨后松开 (d)磨削凸面 (e)磨削凹面 (f)磨后松开 4、残余应力引起的加工误差 残余应力是指在没有外力作用下或去除外力后，仍存留在工件内部的应力。零件中的残余应力，往往处于一种很不稳定的相对平衡状态，在常温下，特别是在外界某些因素的影响下很容易失去原有状态，使残余应力重新分布，在应力重新分布过程中会使零件产生相应的变形，从而破坏了原有的精度。因此，必须采取措施减少残余应力对加工零件精度的影响。 残余应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化而产生的。体积变化的产生主要来自热加工和冷加工。在毛坯制造(如铸造、锻造、焊接)中，由于毛坯结构比较复杂，各部分厚度不均匀，散热条件相差很大，引起毛坯各部分冷热收缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，从而使毛坯内部产生了相当大的残余应力。如图4-23a所示，浇铸一个内外壁厚相差较大的铸件。当铸件冷却时，由于壁A和C比较薄，散热比较容易，所以冷却较快，而壁B较厚，散热比较困难，所以冷却较慢。由于热塑性和冷弹性的影响，当壁A和C从塑 ?性状态冷却到弹性状态时(约620C)，壁B的温度还比较高，处于塑性状态。因此，壁B对壁A和C的收缩不起阻碍作用，铸件内部不产生残余应力。但当壁B冷却到弹性状态时，壁A和C的温度以降低很多，收缩速度变得很慢，而这时壁B收缩较快，就受到了壁A和C的阻碍。因此壁B产生了拉应力，壁A和C产生了压应力。一般地，各种铸件的外表面总比中心部分冷却得要快，都难免因冷却不均匀而产生残余应力。如图4-23b所示机床床身零件，为了提高导轨面的耐磨性，常采用局部激冷工艺使表面冷却得更快一些，以获得较高的硬度。由于表里冷却不均匀，将使床身表层产生压应力，里层产生拉应力。 工件内部残余的拉应力和压应力一般是处于相对的平衡状态。但在对具有残余应力的工件加工时，这种原有的应力平衡状态将遭到破坏，工件就会因残余应力的重新分布而产生变形，因而得不到预期的加工精度。如果在图4-23a所示的铸件壁A处切开一个缺口，则壁A的压应力消失，在壁B和C残余应力作用下，壁B要收缩，壁C要膨胀，铸件就发生了弯曲变形，直至残余应力重新分布，达到新的平衡为止，如图4-24a所示。同样，对于图4-23b所示的床身零件，如果粗加工时在其表面刨去一层金属，就会同上述开口一样，工件将因残余应力的重新分布而产生弯曲变形(如图4-24b所示)，使加工表面产生较大的形状误差。 图4-23 铸件内应力的产生 a) 内外壁不等的铸件 b) 床身 图4-24 由内应力引起的变形 a) 内外壁不等的铸件 b) 床身 冷校直带来的残余应力可用图4-25说明。弯曲的工件(原来无残余应力)要校直，必须是工件产生反向弯曲(图4-25a)，并使工件产生一定的塑性变形。当工件外层应力超过屈服强度时，其内层应力还未超过弹性限，故其分布情况如图4-25b所示。去除外力后，由于下部外层已产生拉伸的塑性变形，上部外层已产生压缩的塑性变形，故里层的弹性恢复受到阻碍。结果上部外层产生残余拉应力，上部里层产生残余压应力;下部外层产生残余压应力，下部里层产生残余拉应力(图4-25c)。冷校直后虽然弯曲减小了，但内部组织处于不稳定状态，如再进行一次加工，又会产生新的弯曲。 图4-25 校直引起的内应力 a) 施加外力 b) 变形 c) 内应力 为了减少残余应力对加工精度的影响，可在毛坯制造及零件粗加工后进行时效处理。常用的方法有人工时效、振动时效和自然时效等方法。例如，对铸、锻、焊接件进行退火或回 火，零件淬火后进行回火;对精度要求高的床身、丝杠、箱体、精密主轴等零件，在粗加工后进行时效处理;对精度要求很高的精密丝杠、标准齿轮、精密床身等零件，则要在每次切削加工后都进行时效处理。 合理安排工艺过程可以减小残余应力对加工精度的影响。例如，粗、精加工分开在不同工序中进行，使粗加工后有一定时间让残余应力重新分布，以减少对精加工的影响。在加工大型工件时，粗、精加工往往在一个工序中完成，这时应在粗加工后将工件松开，让工件有自由变形的可能，然后再用较小的夹紧力夹紧工件进行精加工。 4.3.2 受热变形 在机械加工中，工艺系统在各种热源的影响下会产生复杂的变形，使得工件与刀具间的正确相对位置关系遭到破坏，造成加工误差。 1、工艺系统的热源 工艺系统热变形的根本原因是系统内温度场分布的变化。而温度场的分布取决于热量的产生、传入和传出过程。当温度达到热平衡时，单位时间内散出的热量与热源传入的热量趋于相等，温度分布不再变化，成为与时间无关的稳定温度场，也就不再继续产生热变形。 引起工艺系统热变形的热源主要来自两个方面:一是内部热源，主要包括轴承、离合器、齿轮副、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等工作时产生的摩擦热，以及液压系统和润滑系统等工作时产生的摩擦热;切削和磨削过程中由于挤压、摩擦和金属弹、塑性变形产生的切削热。二是外部热源，指由于室温变化及车间内不同位置、不同高度和不同时间存在的温度差，以及因空气流动产生的温度差等;日照、照明设备以及取暖设备等的辐射热等。 对工艺系统加工精度影响最大的是大尺寸构件受热不均、温度差较大时引起的弯曲变形。实践经验证明，工艺系统的热变形问题重点在机床和工件上。 2、机床热变形对加工精度的影响 机床在运转与加工过程中受到各种热源的作用，温度会逐步上升，由于机床各部件受热程度的不同，温升存在差异，因此各部件的相对位置将发生变化，从而造成加工误差。 由于各类机床的结构和工作条件各异，引起机床热变性的热源和变形形式也是多种多样的。就机床来说，对加工精度有影响的多种热变形中，最重要的是主轴部件、床身导轨以及两者相对位置的热变形。对于车、铣、钻、镗类机床，产生热变形的主要热源是主轴箱内传动件的摩擦热，它通过润滑油传至主轴箱体及与其相连的床身，使这些部分温度升高而产生变形。图4-26a为某车床的热变形情况示意图，温度使主轴抬高和倾斜。 图4-26 车床的热变形 a) 车床的热变形 b)主轴抬高和倾斜量与运转时间的关系(n=1200r/min) 测量并分析得知，影响主轴倾斜的主要原因是床身的热变形，它约占总倾斜量的75%，主轴前后轴承温差引起的倾斜量占25%。图4-26b表示了主轴抬高量和倾斜量与时间的关系。 3、工件热变形及其对加工精度的影响 在加工过程中，工件受热将产生热变形，工件在热膨胀的状态下达到规定的尺寸精度，冷却收缩后尺寸会变小，甚至可能超出公差范围，造成废品。 对于一些形状简单的轴类、套类和盘类零件的内外圆加工时，切削热比较均匀地传入工件，如不考虑工件温升后的散热，其温度沿工件全长和周围的分布是均匀的，工件的热变形也比较均匀，因此可以根据其平均温升来估算工件的热变形。工件长度或直径上的热变形量为 ,L,,L,T (4-22) 式中α为工件材料的线膨胀系数，L为工件热变形方向上的尺寸，,T为工件温升。 当工件受热不均匀，如刨、铣、磨削板类零件，工件单面受热，上下表面之间形成温度差而产生弯曲变形。图4-27所示为磨削一个长度为L、高为h的薄片零件，假设加工表面的温度是均匀的，而上下表面间的温差为,T，则产生的热变形y可作如下估算 2LT,,y (4-23) ,8h 可见，工件越薄，温差越大，工件长度越大，则工件热变形量就越大。因此在加工大型薄板时，要特别注意减少切削热传入工件。通常采取的措施是在切削时使用充分的冷却液，或提高工件的进给速度和砂轮横向进给量，使大部分热量由切屑带走，以减少切削表面的温升。此外，对于铜、铝等有色金属的加工，由于线膨胀系数较大，它们的受热变形较其它工件材料大得多，对加工精度的影响非常显著，应特别注意。 图4-27 薄板磨削前的弯曲变形及其计算 a) 单面受热弯曲 b) 弯曲度的计算 4.3.3 磨损变形 床身导轨、刀具、夹具在长时间的相对运动中，由于摩擦力的影响，在切削过程中都不可避免地要产生磨损，由此引起工件尺寸和形状误差。 根据切削原理可知，刀具前刀面的磨损通常是在前刀面上形成月牙洼，对切削刃的强度会有一定影响，但是对刀尖和切削刃在加工过程中的空间位置基本没有影响。因此，前刀面的磨损导致产生加工误差的可能性比较小。后刀面的磨损将在后刀面靠近主切削刃的区域形 ,成一个磨损带，使得主切削刃的空间位置向与工件相反的方向产生一定的位置，如图4-28w所示，这一位移将直接导致工件的加工误差。因此，国际标准规定以1/2切削深度处在后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准的衡量标志。 图4-28 后刀面磨损 由图4-28所示的切削刃与后刀面磨损带以及刀具几何参数之间的几何关系，可知由后刀面磨损引起的主切削刃位置变化量为 ,tan0, (4-24) ,VBw1,tan,tan,00 另一方面，后刀面的磨损将使原有的径向切削力增加，产生一个附加径向力F，这个nw ,附加径向力将使刀具随刀架向后产生变形。若记H为工件材料的布氏硬度，dj s,min(a,l)(l为刀具后刀面磨损带宽，ap为切削深度)，则刀具因后刀面磨损而产生的p F,H,VB,sk附加径向力。再假如刀架刚度为，那么 djnw Hs,,VB (4-25) djkdj 综合式(4-24)和式(4-25)，可得由后刀面磨损引起的加工误差的计算公式为 ,,,tanHs0,,,VB,， (4-26) ,,1,tan,tan,k00dj,, 4.4 加工误差的综合分析 前面讨论了各种工艺因素产生加工误差的规律，并介绍了一些加工误差的单因素分析方法。在生产实际中，影响加工精度的工艺因素是错综复杂的。对于某些加工误差问题，不能仅用单因素分析法来解决，而需要用概率统计方法进行综合分析，找出产生加工误差的原因，加以消除。 1、加工误差的性质 根据一批工件加工误差出现的规律，可将影响加工精度的误差因素按其性质分为两类。 一类是系统误差。在顺序加工的一批工件中，其加工误差的大小和方向都保持不变或按一定规律变化，这类加工误差称为系统误差。前者称为常值系统误差，后者称为变值系统误差。例如，机床、刀具、夹具的制造误差，工艺系统的受力变形等引起的加工误差均与加工时间无关，其大小和方向在一次调整中也基本不变，因此都属于常值系统误差。机床、夹具等磨损速度很慢，在一定时间内也可看作是常值系统误差。机床、刀具和夹具等在尚未达到热平衡前的热变形误差和刀具的磨损等，都是随加工时间而规律变化的，属于变值系统误差。 另一类是随机误差。在顺序加工的一批工件中，其加工误差的大小和方向的变化是无规律的，称为随机误差。例如，毛坯误差的复映、残余应力引起的变形误差和定位、夹紧误差等都属于随机误差。应注意的是，在不同的场合误差表现出的性质也是不同的。例如，对于机床在一次调整后加工出的一批工件而言，机床的调整误差为常值系统误差;但对多次调整机床后加工出的工件而言，每次调整时产生的调整误差就不可能是常值的，因此对于经多次调整所加工出来的大批工件，调整误差为随机误差。 1、加工误差的数理统计方法 1.1 实际分布曲线(直方图) 在批量生产中，抽取其中一定数量的零件进行测量，抽取的这批零件称为样本，而抽取的零件数目n称为样本容量。 切削加工过程中，由于工艺系统中各种原始误差的存在，会引起工件加工尺寸总是在一定范围内变化(即尺寸分散)，加工尺寸就称为随即变量，用x表示。样本尺寸的最大值xmax与最小值x之差，成为级差R，那么 min R,x,x (4-27) maxmin 将样本按尺寸大小以一定的间隔范围分成k组，那么各组的尺寸间隔范围称为组距d。那么组距及其边界(亦称为组界x与x)可分别按下式计算 jj+1 R (4-28) d,k,1 d(1), (4-29) j,1,2,.？,k,，,,xxjdjmin2 同一组距内的零件数称为频数m，而频数与样本容量之比称为频率f，即 ii mi (4-30) f,in 以频数或频率为纵坐标，以零件尺寸为横坐标，画出直方图，进而画成一条折线，即为实际分布曲线。该分布曲线直观地反映了加工精度的分布状况。为了分析该工序的加工精度情况，可在直方图上标出该工序的加工公差带位置，并计算出该样本的统计数字特征:平均x值和标准差S。 x样本的平均值表示该样本的尺寸分散中心，主要取决于调整尺寸的大小和常值系统误差。 n1x,x (4-31) ,in,1i 样本的标准差S反映了该批工件的尺寸分散程度。它是由变值系统误差和随机误差决定的。 n12 (4-32) S,(x,x),in,1,1i 其中x表示各工件的尺寸。 i 合理选择组数k，对实际分布图的显示好坏有很大关系。组数过多，组距太小，分布图会被频数的随机波动所歪曲;组数太少，组距太大，分布特征将被掩盖。k值一般应根据表4-1所示的经验数值进行确定。 表4-1 分组数k的选定 n 25~40 40~60 60~100 100 100~160 160~250 k 6 7 8 10 11 12 另外，在以频数为纵坐标绘制直方图时，图形的高矮受样本容量和组距大小的影响。组距大，图形高;组距小，则图形矮胖。为了使分布图能反映某一工序的加工精度，而不受组距和样本容量的影响，可用频率密度为纵坐标。频率密度等于频率与组距的比值。 ，0.06,50 下面通过实例来说明直方图的绘制步骤。例如，磨削一批轴径mm的工件，,0.01经实测后的尺寸如表4-2所示。直方图绘制过程如下: 表4-2 轴径尺寸实测值 44 20 46 32 20 40 52 33 40 25 43 38 40 41 30 36 49 51 38 34 22 46 38 30 42 38 27 49 45 45 38 32 45 48 28 36 52 32 42 38 40 42 38 52 38 36 37 43 28 45 36 50 46 38 30 40 44 34 42 47 22 28 34 30 36 32 35 22 40 35 36 42 46 42 50 40 36 20 16 53 32 46 20 28 46 28 54 18 32 33 26 46 47 36 38 30 49 18 38 38 注:表中数据为实测尺寸与基本尺寸之差。 (1) 收集数据 在从总体中抽取样本时，确定样本容量是很重要的。若样本容量太小，则样本不能准确反映总体的实际分布，就失去了抽样的本来目的;若样本容量太大，则又增加了分析计 n,50~200n,100算的工作量。通常取样本容量。本例取件。 (2) 确定组数与组距 k,9 组数k可按表4-1选取，本例取。 d,4.75x,54 在表4-2中找出最大值,m，最小值x,16,m。那么组距,m。maxmin 计算后的组距应进行圆整，方法是圆整成测量尾数(即量具的最小分辨值)的整数倍，并尽 d,5量接近计算值。因此本例将组距圆整成,m。 (3) 记录各组数据 计算各组组界，各组中心值，并统计各组频数，计算频率和频率密度，填写频数分布表。 表4-3 频数分布表 组号 组界(,m) 中心值 频数统计 频数 频率(%) 频率密度(,m)(%) 1 13.5~18.5 16 3 3 0.6 2 18.5~23.5 21 7 7 1.4 3 23.5~28.5 26 8 8 1.6 4 28.5~33.5 31 13 13 2.6 5 33.5~38.5 36 26 26 5.2 6 38.5~43.5 41 16 16 3.2 7 43.5~48.5 46 16 16 3.2 8 48.5~53.5 51 10 10 2 9 53.5~58.5 56 1 1 0.2 (4) 绘制直方图 根据表4-3数据，以工件尺寸为横坐标，以频率密度为纵坐标，绘制直方图。再由 直方图各矩形顶端的中点连成曲线，就可给出该批工件尺寸的实际分布曲线，如图4-29所示。 频率密度/% 5.4 4.8 4.2 3.6 3.0 2.4 1.8 1.2 0.6601037 013.518.523.528.533.538.543.548.553.558.5尺寸/μm Amin x Amax 图4-29 实际分布图 (5) 分析结果 在直方图上作出最大极限尺寸A=60.06mm及最小极限尺寸A=60.01mm的标志maxmin x,37.00线。计算平均值和标准差分别为μm、S=9.06μm。由直方图可以直观地看到工件尺寸的分布情况:该批工件的尺寸有一个分散范围，尺寸偏大、偏小者很少，大多数居中。 欲要进一步研究该工序的加工精度问题，必须找出频率密度与加工尺寸间的关系，因此必须研究理论分布曲线。 1.2 理论分布曲线 (1) 正态分布曲线 实践证明，当被测量的一批零件(机床上用调整法一次加工出来的一批零件)的数目足够大而尺寸间隔非常小时，则所绘出的分布曲线非常接近“正态分布曲线”。正态分布曲线如图4-30所示，其方程(表达式)为: 2,1x,,,,,,12,,,,,0y,e,,,,x,，,, (4-33) ,2, n1其中y为分布的该率密度，x为随即变量，,,x为正态分布随机变量总体的算术平均,in,1i n12值，为正态分布随机变量的标准差。 ,,(x,,),in,1i y(z) (z)(z=0) , 图4-30 正态分布曲线 从式(4-33)可以看出，正态分布曲线呈扣钟形，以平均值,为对称中心。参数,影响曲线的位置(如图4-31a)，,影响曲线的形状，如图4-31b所示，,愈大，曲线愈平坦，,愈小，曲线愈陡峭。 ,,,123 (a) ,影响曲线的位置 (b) ,影响曲线的形状 图4-31 参数,和,对正态分布曲线的影响 总体平均值,=0，总体标准差,=1的正态分布称为标准正态分布。任何不同的,和,的正 ,x,z,态分布都可以通过下列坐标变换转变为标准的正态分布。 , 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，即 2,,1x,,,,,x12,,,()Fx,edx (4-34) ,,,,2, 由此式可知，F(x)为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)上的概率。 ,x,z, 令，并构建函数 , 2z,z12() (4-35) Fz,edz,02, 显然，F(z)为图4-30中有阴影线部分的面积。对于不同z值的F(z)，可由表4-4查出。 表4-4 F(z)的值 z F(z) z F(z) z F(z) z F(z) z F(z) z F(z) z F(z) 0.01 0.0040 0.17 0.0675 0.33 0.1293 0.49 0.1879 0.80 0.2881 1.30 0.4032 2.20 0.4681 0.02 0.0080 0.18 0.7140 0.34 0.1331 0.50 0.1915 0.82 0.2939 1.35 0.4115 2.30 0.4893 0.03 0.0120 0.19 0.0793 0.35 0.1368 0.52 0.1985 0.84 0.2995 1.40 0.4192 2.40 0.4918 0.04 0.0160 0.20 0.0793 0.36 0.1406 0.54 0.2054 0.86 0.3051 1.45 0.4265 2.50 0.4938 0.05 0.0199 0.21 0.0832 0.37 0.1443 0.56 0.2123 0.88 0.3106 1.50 0.4332 2.60 0.4953 0.06 0.0239 0.22 0.0871 0.38 0.1480 0.58 0.2190 0.90 0.3159 1.55 0.4394 2.70 0.4965 0.07 0.0279 0.23 0.0910 0.39 0.1517 0.60 0.2257 0.92 0.3212 1.60 0.4452 2.80 0.4974 0.08 0.0319 0.24 0.0948 0.40 0.1554 0.62 0.2324 0.94 0.3264 1.65 0.4495 2.90 0.4981 0.09 0.0359 0.25 0.0987 0.41 0.1591 0.64 0.2389 0.96 0.3315 1.70 0.4554 3.00 0.49865 0.10 0.0398 0.26 0.1023 0.42 0.1628 0.66 0.2454 0.98 0.3365 1.75 0.4599 3.20 0.49931 0.11 0.0438 0.27 0.1064 0.43 0.1664 0.68 0.2517 1.00 0.3413 1.80 0.4641 3.40 0.49937 0.12 0.0478 0.28 0.1103 0.44 0.1700 0.70 0.2580 1.05 0.3631 1.85 0.4678 3.60 0.499841 0.13 0.0517 0.29 0.1141 0.45 0.1736 0.72 0.2642 1.10 0.3643 1.90 0.4713 3.80 0.499928 0.14 0.0557 0.30 0.1179 0.46 0.1772 0.74 0.2703 1.15 0.3749 1.95 0.4744 4.00 0.499968 0.15 0.0596 0.31 0.1217 0.47 0.1808 0.76 0.2764 1.20 0.3849 2.00 0.4772 4.50 0.499997 0.16 0.0636 0.32 0.1255 0.48 0.1844 0.78 0.2823 1.25 0.3944 2.1 0.4821 5.00 0.4999997 z,,3 当，即，由表4-4查得。这说x,,,,3,2F(3),0.49865，2,99.73% ,3,明随机变量x落在范围内的概率为99.73%，落在此范围以外的概率仅0.27%，此值很小。 6,6,因此可以认为正态分布的随机变量的分散范围是。这就是所谓的原则。 6, 的概念在研究加工误差问题时非常重要，它的大小代表了某种加工方法在一定的条件下所能达到的加工精度。因此一般情况下，应使所选择的加工方法的标准差工件的尺寸公差,与公差带宽度T之间具有下列关系 6,,T (4-36) 正态分布总体的,和,通常是不知道的，但可以通过样本平均值x和样本标准差S来估计。这样成批加工一批工件，抽检其中的一部分，即可判断整批工件的加工精度。 (2) 非正态分布曲线 在实际加工中，工件尺寸的实际分布有时并不近似于正态分布，常常会出现以下几种非正态分布情形。如图4-32a所示，在两次调整下，若加工尺寸混在一起，由于每次调整时常 x值系统误差不同，因此曲线的参数不可能完全相同，当常值系统误差之差大于2.2,时，就出现了双峰。又如两台机床加工，若将加工后的尺寸混在一起，不但常值系统性误差不同，而且机床的精度也不同，即随机性误差的影响不同，亦因而分布曲线的峰高不等。双峰分布实质上是两组分布曲线的叠加，即在随机误差中混入了常值系统性误差，每组有各自的分散中心和标准偏差。 如图4-32b所示，在加工过程中，由于刀具的磨损，虽然每一短时间内工件尺寸呈正态分布，但随着加工的进行，尺寸分布的中心在均匀地移动，因此形成平顶分布，有一段曲线概率相等。平顶分布实质上是在随机性误差中混入了变质系统性误差。 图4-32 非正态分布 a) 双峰分布 b) 平顶分布 c) 瑞利分布 d) 不对称分布 当工艺系统存在显著热变形时，由于热变形在开始阶段变化较快，以后逐渐减慢，直至热平衡，因此工件尺寸的实际分布呈不对称，这种分布又称瑞利分布。加工轴时向左偏，加 工孔时向右偏(图4-32c)。在试切法加工中，操作者主观上为了避免产生不可修复废品，加工轴时宁大勿小，加工孔时宁小勿大，也往往会出现不对称分布(图4-32d)。 对于非正态分布的范围，就不能认为是6,，而应该除以相对分布系数K，即R=6,/K，K值的大小与分布曲线的形状有关，其数值见表4-5，表中,为相对不对称系数。 表4-5 各种分布曲线的K和,值 分布规辛浦生分布正态分布等概率分布平顶分布不对称分布律特性(等腰三角形) RRζ.ζ.22分布曲 线简图 11.731.09-1.35K1.221.1-1.5 ζ00000.34-0.43 1.3 分布图分析法 (1) 判断加工误差的性质 工件的尺寸分布是否服从正态分布，取决于加工过程中是否存在变值系统性误差，这是判别加工误差性质的基本方法。如果实际分布与正态分布基本相符，则加工过程中没有 x变值系统误差，或影响很小。这时还可进一步根据尺寸分布中心是否与公差带中心A重M合来判断是否存在常值系统性误差。如果实际分布与正态分布有较大出入，可根据直方图初步判断变值系统性误差是什么类型。 (2) 确定工序的工艺能力 所谓工艺能力，是指工序处于稳定状态(指均值和标准差稳定不变的性能，取决于变值系统误差)时，本工序所能加工出产品质量的实际能力。当一批工件加工后的尺寸符合 6,正态分布，可以用该工序的尺寸分散范围来表示其工艺能力。 一般地，确定一个工序的工艺能力是否满足加工精度的要求，一般可用工艺能力系数表示。工艺能力系数可按下式计算 T,C (4-37) p6, 根据工艺能力系数C的大小，可以将工艺分为五个等级，如表4-6所示。 p 表4-6 工艺等级 工艺等级工艺能力系数值说 明 >1.67Cp 工艺能力很高,可以允许有异常波动或作相应考虑特级工艺1.67>C>1.33工艺能力足够,可以有一定的异常波动 p 一级工艺 1.33>C>1.00二级工艺 p 工艺能力很勉强,必须密切注意 1.00>C>0.67三级工艺工艺能力不足,可能产生少量不合格品 p 四级工艺工艺能力很差,必须加以改进0.67>Cp C,1C一般情况下，工艺能力不低于二级，即 。可见，工艺能力系数反映了工艺pp能力的大小。 C,1 ，只说明工艺能力足够，加工中是否会出废品，还要看调整得是否准确。p x若加工中存在常值系统性误差，即分布中心与公差中心A不重合，则需M 才不会出废品。 T,2(x,A),6,M (3) 估算合格品率和废品率 通过分布曲线不仅可以掌握某道工序随机误差的分布范围，而且还可根据分布曲线和公差带之间的相对位置得知不同误差范围内出现的零件数占全部零件数的百分比，估算在采用调整法加工时产生不合格品的可能性及其数量。 ,0.016x,11.974d,,12例如，在磨床上加工销轴，要求外径mm，抽样后测得mm，,0.043 ,,0.005mm，其分布符合正态分布，试分析该工序的加工质量。 该工序的尺寸分布如图4-33所示，工艺能力系数C,T6,=0.9<1，说明该工艺能力p 不足，因此产生废品是不可避免的。 工件最小尺寸=11.959(mm)，大于公差带下限(为11.957mm)，故不d,x,3,min 会产生不可修复废品。 工件最大尺寸d,x，3,=11.989(mm)，大于公差带上限(为11.984mm)，故要max 产生可修复的废品。 ,11.984,11.974xxz,2，查表4-4可知，时。 F(z),0.4772,,,2z,0.005 故废品率。 Q,0.5,F(z),2.28% μ=x 可修复废品 ddminmax 11.959x11.98911.974 11.95711.984AM 图4-33 销轴尺寸分布图 1.4 点图分析法 用分布图分析研究加工误差时，不能反映出零件加工的先后顺序，因此就不能把变值系统误差和随机误差区分开来。另外，必须等一批工件加工完后才能绘出分布曲线，故不能在加工过程中及时提供控制精度的资料。为了克服这些不足，在生产实践中常用点图分析法。 (1) 单值点图 点图分析法是在一批零件的加工过程中，按加工顺序的先后逐个测量一批工件的尺寸，以工件序号为横坐标，以工件尺寸为纵坐标，就可作出单值点图，如图4-34a所示。单值点 图反映了每个工件的尺寸变化与加工时间的关系。假如把点图上的上、下极限点包络成两根平滑的曲线，如图4-34b所示，就能清楚地反映加工过程中误差的性质及变化趋势。平均值曲线 工艺系统误差(原始误差)-------因 -------果 加工误差 3. 研究加工精度的目的: 弄清各种原始误差的物理、力学本质及对加工精度的影响规律,掌握控制加工误差的方法，找到提高加工精度的途径，得预期的加工精度。 二、影响机械加工精度的因素 原始误差 几何误差(与工艺系统初始状态有关的原始误差) 原理误差 定位误差 调整误差 刀具误差 夹具误差 工件相对刀具在静止状态下已存在误差 动误差(与工艺过程有关的原始误差) 工艺系统受力变形(包括夹紧变形) 工艺系统受热变形 刀具磨损 测量误差 工件残余应力引起变形 三、误差敏感方向 对加工精度影响最大的方向(图3-2) ?3--2工艺系统的几何精度对加工精度的影响 一、加工原理误差 采用近似的成形运动 用展成法切削齿轮(刀齿有限,微小折线组成曲线) 三坐标数控铣削复杂形面零件-----用球头刀(图3-3) 近似的刀刃轮廓 用滚刀切削渐开线齿轮(用阿基米德蜗杆代替渐开线蜗杆，轴向截 面为直线齿形) 用模数铣刀加工渐开线齿轮(用一把模数铣刀加工模数一定齿数 范围的齿轮) 二、调整误差 1.试切法: 误差来源: (1)测量误差. (2)微进给机构的位移误差--"爬行"现象. (3)切割层太薄--刀刃打滑 2.按样件或样板调整:样件或样板本身的制造安装误差及对刀误差 3.定程机构误差:行程挡块、靠模、凸轮等机构的制造精度和调整，以及与 其配合使用的离合器、电气开关、控制阀等的灵敏度 三、机床误差 (一) 机床导轨导向误差 1.导轨在水平面内的直线度-------对径向尺寸影响大(图3-5) 2.导轨在垂直面内的直线度--------对径向尺寸影响小(图3-5) 3.前后导轨在垂直面内的平行度------刀架与工件相对位置偏斜(锥度或 马鞍形)(图3-7) (二) 机床主轴回转误差 1( 主轴回转误差的概念 主轴回转误差:实际回转轴线与理想回转轴线的最大变动量 主轴回转误差:a、径向跳动;b、 轴向窜动;c、 倾角摆动 2( 主轴回转误差对加工精度的影响 (1)采用滑动轴承(图3-17) 工件回转类机床(车床):主轴轴颈误差反映到工件上 刀具回转类机床(镗床):轴承孔内圈表面的圆度误差将反映到工件上 (2)采用滚动轴承时 工件回转类机床(车床):轴承内环外滚道的几何形状误差反映到工件上 刀具回转类机床(镗床):外环内滚道误差反映到工件上(相当滑动轴承 内圆面) 主轴前后轴承存在偏心----反向偏心------转角 工件回转-------产生圆柱度误差 刀具回转------产生圆度误差 (3)主轴的轴向窜动:车---------端面与圆柱面不垂直( 图3-14) (三) 机床传动链的传动误差:制造、装配、磨损 四(夹具的制造误差与磨损 定位元件 刀具导向元件 分度机构，夹具体 五(刀具的制造误差和磨损 ( 一般刀具(车刀，铣刀，镗刀，砂轮) 1 刃口的磨损和钝化影响加工精度 2( 成形刀具 刀刃的形状误差，刃磨，装夹影响 3( 定尺寸刀具 尺寸误差影响 ?3—3 工艺系统的受力变形 一( 基本概念 (工艺系统的受力变形是弹性变形，工艺系统抵抗弹性变形的能力越强，则加工 精度越高，工艺系统抵抗弹性变形的能力，用刚度k来描述) 工艺系统刚度k:指工件加工表面在误差敏感方向的切削分力与在该方向 上刀具相对工件位移y的比值即 N/mm k,F/yy y为 F , FF同时作用下综合结果 xy , z 二( 工艺系统刚度的计算 1( 工艺系统刚度的组成(工艺系统在误差敏感方向的变形叠加) y,y，y，y，yjcjjdg F yk,y FFFFyyyyy,y,y, djjjcy,kkkgdjcjjkg 11111 ,，，，kkkkkjcjjdg y,,机床受力变形jc y,,夹具受力变形jj y,,刀架受力变形 d y,,工件受力变形g 已知各组成环节的刚度——工艺系统刚度 三( 工艺系统刚度对加工精度的影响 (一) 工艺系统各组成部分的变形及总变形 1( 机床的变形 条件:两顶尖加工光轴;工件和刀具刚度很大 切削力不变(只考虑机床变形) xl,xx y,y，(y,y),y，yxtjwztjtjwz lll 床头箱与尾架的分力: ,lxx,F,FFF tjywzyll FFFlx,Ftjyxy wzy,,,,ytjwzkkl kkltjtjwzwz 22FFyylxx, y,，，，，，xllkktjwz 22FFFyyyl,xx y,y，y,，，，，，，jcxdjllkkk tjwzdj 2. 工件的变形: 条件: 机床, 刀架刚度很大 3 22lFyxlx,y, ，，，，gll3EI 3、 工艺系统的总变形: 22，，22，，l,x111xl,xx,,yyyF,，,，，，，，，，jcgyll,,kkk3EILtjwzdj，， (二) 工艺系统变形对加工精度的影响 1、切削力作用点不同位置引起的误差 工件刚度大-------马鞍形 车 工件刚度小-------腰鼓形 2、误差的复映(图3-31) 定义:加工余量和材料硬度不均，引起切削力变化造成的加工误差 误差复映系数 C,, K 式中 C为常数(硬度均匀、刀具、切削条件、进给量一定时) K为工艺系统的刚度 是小于1的正数，定量反应了毛坯误差经加工后所减小的程度 , ,g,,, 11m ,,, gg,,,,,22112m ,,,,,,,,,g33g123m2 .............. ,,,,,......123总 ,为工件圆度误差 m 为加工后工件圆度误差 ,g 3、其他作用力:传动力，惯性力，夹紧力，本身重力等 四( 车床部件刚度 (一) 机床部件刚度的测定 1( 静态测定法(图3-38车床刀架的静刚度特性曲线) (1)y--F非线形关系(弹塑变形) y (2)加--卸载线不重合(摩擦和接触塑变) (3)卸载线不回起始点(残留变形，反复加载残留变形为零) 2( 工作状态测定法 (二) 影响机床部件刚度的因素 1、接触面的表面质量 开始表面粗糙度(接触面积小)------弹变和局部塑变--凹形曲线 2、存在刚度差的零件(图3-41) 镶条，键等--------凹形曲线(非线性) 3、 连接件夹紧力的影响 螺钉连接，超过预紧力---------凸形曲线(非线性) 4、 摩擦力的影响:能量消耗------加、卸载线不重合 加载-------阻碍间隙位移，阻碍变形增加 卸载-------阻碍间隙位移，阻碍变形减小 5、间隙的影响(图3-40) 载荷大于摩擦力-------位移-----------加、卸载点不重合 五( 减小工艺系统受力变形对加工精度的影响的措施 提高系统刚度，减小载荷及变化 (一) 提高工艺系统刚度 1( 结构设计:减少连接面数量，用封闭断面 2( 提高表面接触刚度 提高接触面表面质量，预加载荷--消除间隙 3( 用合理的装夹和加工方式:中心架，跟刀架 (二) 减少载荷及变化 刀具几何参数 增大前角 0 主偏角=90 切削用量--减小进给量及背吃刀深度 毛坯余量均匀 六(工件残余应力对加工精度的影响 1( 毛坯内应力: 锻、铸、焊------厚薄不均，冷速不均-------内应力 2( 工件切削内应力 表层受摩擦、拉伸、热膨胀 3( 冷校直残余应力 4( 热处理 ?3—4工艺系统的热变形对加工精度的影响 一( 概述 工艺系统的热源 (一) ——?低)---------导热传热，对流传热，辐射传热 热(高 热源 内部: 切削热(主要热源) 产生于工艺系统内部(以热传导方 式传递) 摩擦热 外部:环境温度(气温变化，通风，空气对流和周围环境)--对流 传递的主要形式 各种辐射热(阳光，照明，暖气设备) (二) 工艺系统的热平衡和温度场的概念 热平衡--工艺系统单位时间散出的热量与热源传入的热量趋于相等，这时 工艺系统就达到了热平衡。 温度场--物体中各点的温度分布成为温度场 不稳定温度场 稳定温度场 不稳定温度场 ---各点的温度是坐标和时间的函数 y=f(x, y, t) 稳定温度场-------各点的温度只是坐标的函数 y=f(x, y) 二( 工件热变形对加工精度的影响 (一) 工件比较均匀的受热 轴，盘，套类件-------直径和长度增大(粗加工-----冷-----精加工) (二) 工件不均匀受热 平板类件--翘曲变形 三( 刀具热变形时对加工精度的影响 车刀热变形曲线(图3-46) 四( 机床热变形对加工精度的影响 一般机床主传动功率 切削功率 空载功率 精密机床--空载功耗是主要热源 车床热源(主轴箱)----主轴提高和倾斜--垂直方向影响大 机床热变形的缓慢------加工误差不一致 精密加工-------热平衡后进行加工 五( 减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施 1( 减少热源产生的热量 低速切削 小切削用量 精密加工--冷却 2( 控制热源的影响:冷却液，恒温空间 3( 从工艺系统结构本身减少热变形 用对称结构 机床 分离内部热源--热源放在机床外 减少运动副的摩擦热 工件----避免薄壁，空心等易受热变形的结构 刀具----热变形避开误差敏感方向 ?3-5加工误差的统计分析 单因素分析法 统计数理----误差规律 一( 加工误差的性质 系统性误差 常值系统性误差(加工误差的大小，方向保持不变，与加工时 间，加工顺序无关) 加工原理误差 工艺系统的制造与调整误差 工艺系统的静力变形 机床，夹具，量具的磨损 变值系统性误差(加工误差按一定规律变化) 机床，夹具，刀具的热变形 刀具磨损 随机误差(误差的大小，方向不规律变化) 毛坯误差的复映 装夹误差 多次调整误差 残余应力引起的变形 二( 分布图分析法 (一) 实验分布图 1) 成批加工(调整法)--取样本--样本容量n(样本尺寸或偏差x) ( (2) 样本极差 R,x,xmaxmin (3)样本分组(按大小顺序)(k组表3-2，组距d) Rd,k,1 组内零件数量:频数m i mif频率:,in d，，:1组界x，j,d,min2 ，，组中值:x，j,1dmin 式中 j为组序数，正号为组上界，负号为组下界 频数mi频率密度,样本容量，组距(3) 该批工件的实验分布图 (4) 样本的数字特征 n,1x,x平均值:,in,1i 2 ,,n1,,,标准差:,xx,,i,1n,1,,i ,, 例: (1) 6σ>T 加工精度不足 , (2)x,A调整误差小(常值)M (二) 理论分布曲线 相互独立的随机误差综合作用调整加工法正态没有一个起决定作用 1( 正态分布(相互独立的大量微小随机变量总和分布为正态分布) 正态分布的概率密度 正态分布函数: 2,,x,,1,,,x12,2,,,,x,,()1Fx,edx,,,,,,22,,1,,,,ye,,,曲线位置参数(不变形状) 2,, (,,,x,，,,,,0),,,曲线形状参数(刻画x取值的分散程度) ,x,坐标变换:z,, 2z 1,z2()Fz,edz ,02, 6σ(?3σ)----代表某种加工方法在一定条件下(如毛坯余量、切削用量、 正常的机床、夹具、刀具等)所能达到的加工精度。 2z,z12:()标准正态分布Fz,edz,02, 6σ?T 2( 非正态分布 两次调整件混:双凸峰，常值,2.2,? ?两机床加工件混:(1)常值(2)精度不一 ?刀具磨损显著: ?工艺系统热变形显著:曲线不对称 ?试切法“宁修不废”: 6,分散范围:,Tk k,,相对分布系数表3,6 e,,相对不对称系数 T分布中心的偏心量,,e2 (三) 分布图分析法的应用 1( 辨别加工误差性质 正态分布---无变值系统性误差 常值系统性误差 2( 确定工序能力及其等级 ,正态分布时，工序能力6 工序能力系数c,,代表工序能满足加工精度要求的程度p Tc,p,6 一般c,1，工序能力足够不出废品的必要条件p 如:c,1,,,,,,,6,,T,,,,,,必出废品p 工序能力----工序在稳定状态时，误差波动幅度 (表3-7) 3、计算合格品率或不合格品率 例:3-4 (1) 作分布图 , x,11.974............6,,0.03 (2) 计算 cp C=0.9 p (3)计算废品率 Q,0.5,F(z) x,x11.984,11.974z,,,2,0.005 F(z),0.4772 Q,0.5,0.4772,0.0228 ,0.0035进刀,22 分布图分析法的缺点 (1) 没考虑先后顺序，不能反映误差变化趋势。 (2) 不能区别变值与随机误差 (3) 加工后绘制，不能及时提供绘制精度的信息 三、点图分析法 分布图—当工艺过程稳定时(μ、σ保持不变) 点图------分析工艺过程的稳定性 (一)单值点图(反映了每个工件尺寸或误差与加工时间的关系) 按加工顺序测量工件-- 平均值曲线oo----------每一瞬时的分散中心 起始点o -----------------常值系统性误差 / /AABB------------------每一瞬时的分散范围(随机误差的影响) / /CCDD------------------控制界线 //------------------公差带极限尺寸 EE FF (二) —R图 (小样本) X 平均值(控制工艺过程质量指标的分布中心)控制图和极差R(控 X 制工艺过程质量指标的分散程度)控制图联合使用的统称 总体正态分布:,,2,, x也服从正态分布，且x~N(，) n,,, x的分散范围(,3n),, 总体均值.....总体标准差 ,,,,n,10R非正态分布,,,,正态，分散范围R,3,,dRR ,,,, 可用小样本均值x的均值来估计:,x k1x,xi,ki,1 上控制线x,x，ARs2 下控制线x,x,ARx2 ,,可用aR来估计:,aRnn k1R,R,iki,1 ,上控制线R,R，3,(1，3da)R,DRsRn1 ,,下控制线R,R,3,(1,3da)R,DRxRn2,, ,,,,,,,表示，的估计值 x,,各小样本的均值i R,,各小样本的极差i AD,D,a,d,,常数表3-82,12n ?3-6保证和提高加工精度的途径 一、 误差预防技术 (一)合理采用先进工艺装备 工艺规程，每道工序能力评价 设备 (二)直接减少原始误差法 提高工艺系统几何精度，提高刚度，减少变形 (三)误差转移 转移的误差非敏感方向(图3-65) (四)均分原始误差 按毛坯误差大小分组，按各组调刀 (五)均化原始误差 让误差重新分布达到整个表面 ---------研磨 二、误差补偿技术 第五章:机械加工表面质量 5-1概述 一、机械加工表面质量含义 包括:微观几何形状 表层物理力学性能 (一)加工表面的几何形状特征 表面几何误差包括: 形状误差:波长/ 波幅>1000 表面轮廓曲线经低通滤波获得 波纹度:50< 波长/ 波幅<1000 表面轮廓曲线经带通滤波获得 一般与刃口形状，进给，刀瘤等有关。 表面微观不平度误差:波长/ 波幅<50 表面轮廓曲线经高通滤波获得 一般与工艺系统的振动有关。 (二)加工表面层的物理力学性能变化 受加工中力、热等因素的作用，表面金属力学性能将发生变化: 1、表层因塑性变形而产生的冷作硬化 2、表层因受热而发生金相组织变化 3、表层因力，热等作用而产生残余应力 表面完整性包括:微观几何不平度、力学性能变化、摩擦反射性能等 二、表面质量对零件使用性能的影响 (一)表面质量对工作精度及其保持性的影响 零件的工作精度主要与微观几何不平度有关;精度保持性主要与表面耐磨性有关;耐磨性则与表面几何质量、表面力学性能有关。 一般的磨损过程分为三个阶段: 初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段 初期磨损阶段结束时的磨损量称为初期磨损量。 初期磨损量与表面几何质量有关，一定载荷、润滑条件下初期磨损量与表面粗糙度之间的关系如下图所示: 当载荷增大、润滑条件 恶化时，曲线向右上方 移动，即:载荷增大、 润滑条件恶化时，最佳 粗糙度增大。 (二)表面质量对耐腐蚀性的影响 表面质量越差，存在裂纹时，耐腐蚀性降低 (三)表面质量对零件疲劳强度的影响 表面缺陷会引起应力集中，降低疲劳强度。若 表面存在残余压应力，疲劳强度 将会提高。 (四)表面质量对零件配合性质的影响 表面比较粗糙时，轮廓峰在工作中被逐渐磨掉，零件尺寸发生变化，进而影响到 配合性质。 一般来说，表面粗糙度应与加工精度相适应。 5-2表面粗糙度及其降低的工艺措施 一、切削加工 (一)几何因素 1、刀尖半径较小时理论粗糙度的计算 平行四边形为切削层理论横截面 三角形为残留面积 H为理论粗糙度 f为进给量 k为主偏角 k为副rr’ 偏角 则: f=Hctgk+ Hctgkrr’ 得:H=f/(ctgk+ ctg k) rr ’ 2、刀尖半径较大时理论粗糙度的计算 (二)物理因素 加工表面实际廓形与理论廓形差别较大，原因是加工中存在积屑瘤鳞刺，振动 等物理现象。 1、切削用量的影响 (1)进给量f的影响 当:f>0.15mm时 f ? ?Rz ? f<0.15mm时 f ? ?Rz ? f<0.02mm时 f ? ?Rz ? (2)切削速度的影响 加工脆性材料时，切削速度对于粗糙度影响不大;加工塑性材料时，积屑瘤对粗 糙度影响很大。 (3)切削深度a的影响 p 一般切削深度a对于粗糙度影响不大，但太小时，有可能吃不住刀，摩擦严重。 p 2、工件材质的影响 工件材质韧性、塑性增大，Ra增大;工件材质晶粒越均匀，颗粒越细小，Ra减小 3、刀具材料的影响 刀具越硬，越耐磨，加工Ra越低 硬质合金刀具加工后的Ra<高速钢加工后的Ra 金刚石刀具的性能: 二、磨削加工 砂轮上的磨粒因几何角度，位置不同起三种不同的作用 锋利、位置靠前的起切削作用 较锋利、位置较靠前的起刻划作用 较钝、位置靠后的起抛光作用 磨削表面粗糙度与砂轮、工件材质、磨削用量有关。 1、砂轮: 砂轮粒度? ?表面粗糙度Ra? * 一般磨料的粒度用粒度号表示，每英寸长度上的网眼个数为粒度号，例80#， 60#; • 微粉用最大 • 颗粒的最大 • 尺寸的微米 • 数表示，例 • W28、W14。 2、磨削用量 砂轮速度v??表面粗糙度Ra ?砂 工件速度v??表面粗糙度Ra ? 工 砂轮相对于工件的进给量f??表面粗糙度Ra? 磨削深度a??表面粗糙度Ra? p 根据上述实验关系，可以得到经验公式: 3、砂轮修整 砂轮修整质量越高，磨削表面质量越好。 三、超精研、研磨、珩磨、抛光 超精研、研磨、珩磨、抛光加工的共同特点是: 1、不选择切削用量，只限定压强和加工时间 2、无需精密机床 3、降低表面粗糙度效果明显，提高精度不明显 4、加工余量小 (一)超精研 1、工作原理:采用细粒度的磨条在一定压力和切削速度下往复运动，对表面进行光整加工。 加工运动:A、工件低速回转运动;B、磨条轴向进给运动:C、磨条高速往复振动。 2、切削过程:可分为四个阶段 (1)强烈切削阶段:少数波峰上压强很大，切削作用剧烈。 (2)正常切削阶段:接触面积增大，接触压强减小，切削作用减弱。 (3)微弱切削阶段:接触面积进一步增大，接触压强进一步减小，磨条起抛光作用。 (4)停止切削阶段:工件被研平，接触压强很小，磨条与工件之间形成油膜，切削停止。 (二)研磨 研磨可以达到很高的精度和表面质量。 基本原理:通过介于工件和硬质研具之间的磨料或研磨液的流动产生机械摩擦和化学作用去除微小加工余量。 1、研磨特点: (1)研具较软，以铸铁、塑料、硬木制成。 (2)磨料中混有化学物质，机械与化学作用同时进行，磨粒运动轨迹复杂，保证均匀性。 (3)加工表面质量高。 2、研具:磨具应软硬适当,组织均匀。粗研采用铜、铝，精研采用铸铁。 3、研磨剂:研磨剂为磨料与油脂的混合剂。 磨料种类:金刚石微粉,碳化硅,氧化铝等。 油脂起调和磨料.化学腐蚀作用。 油脂种类:油酸,凡士林,变压汽油。 4、研磨参数 (1)磨料粒度:粒度?，则粗糙度? ，效率?。 (2)研磨速度:一般研磨速度<0.5m/s，精研速度<0.16m/s。 (3)研磨余量:手工研磨余量<10μm，机械研磨余量<15μm。 (4)研磨压强:粗研0.1~0.3MPa，精研0.01~0.1MPa 。 (三)珩磨:采用精密油石相对于工件作螺旋线运动，油石弹性压在工件表面上。 珩磨后表面粗糙度可达Rz0.4~Rz3.2，有时可达Rz0.1以下。 (四)抛光:原理与 研磨相似，只是研具 采用无纺布等软质材 料。抛光可用于自由 曲面加工。 5-3 表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施 一、表面层的冷作硬化 1、定义:加工层材料因塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格扭曲、晶粒拉长、破碎和纤维化，材料的强度、硬度都提高的现象称为冷作硬化。 2、衡量指标:硬化层深度:h 表层显微硬度:H 硬化程度:N=(H-H)/H00 3、物理因素对于冷作硬化的影响 切削力?，则塑性变形?，冷作硬化?。 变形速度?，则塑性变形? ，冷作硬化? 。 变形温度>(0.25~0.3)倍的金属熔化温度时，变形金相组织会有所恢复，冷作硬化?。 (一)影响表面层冷作硬化的因素 1、刀具:刀刃钝圆半径?，冷作硬化?;后刀面磨损?，冷作硬化?。 2、切削用量:切削速度?，切削温度?，则冷作硬化?;进给量?，冷作硬化?。 3、被加工材料:硬度?，冷作硬化?;塑性?，冷作硬化?。 (二)减少表面层冷作硬化的措施 1、合理选择刀具几何参数 前角?，冷作硬化?;后角?，冷作硬化?;钝圆半径? ，冷作硬化?。 2、限制后刀面磨损 3、合理选择切削用量 切削速度?，冷作硬化?;进给量? ，冷作硬化? 。 二、表面层的金相组织变化 切削一般不会导致金相组织变化，磨削因单位切削截面消耗的功率较大，常常导致金相组织变化。 磨削淬火钢时容易出现的烧伤: 回火烧伤:磨削区温度超过马氏体转变温度，而未达相变温度，产生回火组织(索氏体或屈氏体)。 淬火烧伤:磨削区温度超过相变温度，由于冷却液急冷，表层出现二次淬火马氏体。 退火烧伤:磨削区温度超过相变温度，不用冷却液，工件缓慢冷却，发生退火。 三、表面层残余应力 定义:去除外力和热源作用后,零件内部自身平衡的应力，称残余应力。 残余应力的成因: (一)局部温升过高引起的热应力 *材料在高温下，处于塑性状态，因温度升高体积膨胀而发生塑性流动; *材料在低温下，处于弹性状态，因温度降低体积减小而发生收缩，受下层材料的限制，发生弹性变形，形成残余应力。 设材料从20ºC升至800ºC，然后回到20ºC，这层金属长度l的相对伸长量为: 所产生的残余拉应力为: (二)局部金相组织变化引起的相变应力 残余奥氏体?回火马氏体:体积膨胀，表层为残余压应力; 马氏体?屈(索)氏体:体积收缩，表层为残余拉应力。 (三)表面局部冷塑变形引起的塑变应力 在切削方向上存在拉应力，与其垂直的方向上存在压应力。 (四)金属冷塑变形，比容积增大导致的表面残余应力 金属发生冷塑变形，比重下降，体积增大， 使:表层存在压应力 下层存在拉应力 四、减小残余拉应力、防止表面烧伤和裂纹的工艺措施 (一)合理选择磨削用量 磨削传热分析模型: *磨削区温度与磨削用量之间的关系为: 磨削深度?，磨削温度? ;砂轮速度?，磨削温度? ; 工件速度?，磨削温度? ; 进给量?，磨削温度?。 *磨削区温度剃度分布规律:工件速度?，温度剃度? ，高温层厚度?; 可以同时提高砂轮和工件速度，既减小高温层厚度，又控制表面粗糙度。较薄的烧伤层可在清磨时去掉。 磨削18CrNiWA钢时的无烧伤临界比值曲线: (二)提高冷却效果 1、采用高压大流量冷却，冲刷砂轮，加强冷却; 2、在砂轮上安装空气挡板，消除附着气流; 3、利用砂轮孔隙实现内冷却。 (三)提高砂轮磨削性能 1、锐化磨粒，减小摩擦; 2、砂轮硬度不宜过高，保持自锐性; 3、砂轮应具一定弹性，避免过载; 4、使用开槽砂轮; 5、使用螺旋槽砂轮。 五、表面强化工艺 主要指冷压工艺，使表面层发生冷塑变形，硬度提高，产生残余压应力。 常用冷压工艺有:(一)喷丸强化 (二)滚柱滚压强化 5-4 机械加工中的振动及控制 一、机械加工中的振动及分类 自由振动:由切削力突然变化、冲击引起，一般可迅速衰减，危害较小; 强迫振动:在外界周期力作用下产生，维持一定振幅，危害大; 自激振动:由系统内部激发反馈产生的周期振动，危害大。 二、机械加工中的强迫振动及其控制措施 (一)强迫振动的数学描述 物体受力分析:外力Px=Po sinωt 弹性力kx 阻尼力cx’ 运动方程: 其中第一项代表有阻尼自由振动，振幅衰减，为一瞬态过程;第二项代表等幅强 迫振动，为一稳态过程: 最终得: (二)强迫振动的特征 1、为等幅周期振动; 2、振动频率与干扰力频率相等; 3、当频率比接近1时，λ=ω/ω?1，产生共振; 0 4、振幅与各参数之间的关系: 干扰力幅值Po??A ? 2 弹簧系数k ? ? A ? 2 阻尼系数c ? ? A ? 2 (三)强迫振动产生的原因及诊断 1、机加工中强迫振动振源 机内振源:电机、回转件、齿轮啮合冲击 机外振源:可通过隔振地基消除 2、强迫振动诊断 比较振动频率与振源频率 (四)消除强迫振动的措施 1、减小Po，消除振源激振力 2、隔振，尤其是外界振源 3、提高阻尼系数c，变化频率比λ，使其远离1。 三、机械加工中的自激振动及控制 (一)自激振动的产生:无周期外力，由系统内部激发反馈产生的周期振动，其 振动频率与系统固有频率接近。只开机不切削，工艺系统无自激振动。 自激振动系统包含四个环节:?不变(非振)的能源机构;?控制进入振动系统 能量的调节系统;?振动系统;?振动系统对于调节系统的反馈，控制进入 系统能量的大小。 例:皮带匀速运动，物体受摩擦力和弹簧力作用。 1、物体在A点时，运动速度v弹簧力等于摩擦力:F=Fo 0 2、物体与皮带的摩擦特性:v??Fv ?, v ? ?Fv ? 3、当物体受偶然力作用，在BC间运动时，有: B ?C 时 v< vF >Fo ?0 B C C ?B 时 v>vF v v ? Fμ ? 0 A ? B区间，反向减速 v>v v ? Fμ ? 0 B ?C:摩擦力作正功，为B1C下的面积。C ?B:摩擦力作负功，为B2C下的 面积。 物体运动一个周期，摩擦力作的功为正。 (二)自激振动的特点: 1、自激振动为不衰减的振动，外部干扰只起初始作用; 2、自激振动的频率等于或接近于系统固有频率; 3、自激振动能否产生、振动大小，取决于每一振动周期内输入与消耗能量的对比情况。 (三)产生自激振动的几种学说 1、负摩擦自振原理 刀具?物体，切屑?皮带，机床、刀架?弹簧 径向切削分力Fy随切削速度的增大先增后减，在曲线下降区域容易出现自激振动。 2、再生效应自振原理 外圆磨削:砂轮宽度B，每转进给量f，重叠系数定义为:μ=(B-f)/B 0< μ<1 纵车纵磨时:μ<1 ; 切槽、切断、横磨钻削等μ=1;一般情况下 0<μ<1 重叠系数越大，越容易产生自激振动。 , 切削再生自振产生过程: 3、振型耦合自振原理 将工艺系统的振动限制于平面振动，在偶然干扰力作用下刀架将沿 X、X两个12 刚度方向振 动。刀尖运动轨迹为封闭椭圆，相位差不同，运动轨迹不同。 当刀具从A经C到B做振入运动时，切削厚度较薄，切削力较小;而刀具从B 经D到A做振出运动时，切削厚度较大，切削力较大。在一个振动周期中，切削力对系统做正功大于做负功，有多余能量输入，系统将自振。 相位差与振动轨迹 (四)控制和减小自激振动的主要措施 首先，应区分是强迫振动还是自激振动。 1、消除、或减少产生自激振动的条件 (1)尽量减小重叠系数(抑制再生型自振) (2)尽量增加切削阻尼 减小刀具后角，可增大摩擦阻尼，切削稳定性提高，但太小也不好，以2~3度为好。也可在后刀面上磨出消振棱。 (3)考虑振型耦合影响，合理布置主切削力和小刚度主轴的位置 若振动系统的小刚度主轴X1位于切削力F与y轴之间时，容易产生自振(a)，(b)抗振。 车床上车刀装在水平面上稳定性最差;车刀装在60度的方位上，稳定性最好。 2、提高工艺系统的抗振性和稳定性 (1)提高工艺系统的刚度 A、提高机床结构系统的动刚度，主要是薄弱环节的动刚度 B、提高刀具和工件夹持系统的动刚度 (2)增大系统阻尼 A、材料的内阻尼 混凝土阻尼>铸铁阻尼>焊接钢件阻尼 机床床身常采用铸铁;也可在零件上加阻尼材料。 B、摩擦阻尼 对于活动结合面可施加预紧力，增大摩擦阻尼。 C、附加阻尼 可在振动系统上附加阻尼减振器。 3、采用各种消振、减振装置 A、阻尼减振器:利用固体或液体摩擦阻尼消耗振动能量 B、摩擦减振器:利用摩擦阻尼消耗振动能量 C、冲击减振器:利用质量反复冲击壳体消耗振动能量。 D、动力减振器:利用附加质量的动力作用抵消激振力。 第七章:现代制造技术 7-1 概述 一、制造技术的发展过程 在科技发展、市场需求的驱动下 生产规模发展趋势:小批量?少品种大批量? 多品种变批量 制造业资源配置:劳动密集?设备密集?信息密集?知识密集?智能密集 制造业生产方式:手工?机械化?单机自动化? 刚性流水线?柔性自动化?智能自动化 制造业资源配置的变化，制造技术发展过程: 1、劳动密集型生产:主要依靠人力大量投入，产量、品种少。 2、设备密集型生产:主要依靠大量专用设备投入，品种少，产量大。 3、信息密集型生产:人机信息交流，自动化程度高，多品种，变批量。 4、知识密集型生产:专家系统、数据库应用，生产更具柔性，例如FMS(柔性制造系统)。 5、智能密集型生产:整个企业的计算机管理，例如CIMS(计算机集成制造系统)。 二、现代制造技术的产生及其特点 1、新材料、难加工材料推动了制造技术的发展 2、超精密加工技术飞速发展 3、生产自动化程度空前提高 现代制造技术的特征: 1、各学科、专业之间不断交叉融合 加工技术、控制技术、测量技术等 2、强调产品全生命周期理念 设计、制造、销售、服务、回收等 全国生产企业开展清洁生产活动。 3、更加重视技术与管理的结合 4、强调优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产方式，可持续发展。 7-2 难加工材料的特种加工技术 一、基本概念 (一)难加工材料的概念 切削工艺性:指材料切削加工的难易程度。 切削工艺性差的材料称为难加工材料。 材料切削工艺性的衡量指标: 1、刀具耐用度 2、表面质量 3、切削力、切削功率 4、断屑性能 衡量切削加工性的指标——相对加工性Kv: 取刀具耐用度为一定值(一般为60分钟)时，所允许的切削速度计为V60， V60越大，材料的切削性能越好。 将某种材料的V60与45钢的(计为V060)相比，所得数值称为该材料的相对加工性Kv。即: Kv= V60/ V060 一般，有色金属Kv>3 难加工材料Kv<0.5 (二)特种加工的概念 除切削、磨削以外的冷加工方法称为特种加工。 特种加工以电、光、声等能量形式直接对工件进行加工。又称物理、化学加工。 二、电火花加工 包括电火花成型、线切割、电火花磨削等。 (一)电火花加工基本原理 以电火花放电时，通道内瞬时产生大量的热，使材料局部熔化、汽化而进行加工。 实现正常电火花加工的技术要求: 1、工具电极与工件之间应保持一定放电间隙，一般为几到几百微米。 间隙过大:极间电压不能击穿极间介质 间隙过小:易出现短路 2、火花放电必须是瞬间的脉冲性放电，放电延续时间一般为1微秒到1毫秒。 使放电点局限在较小范围，每次放电只去除很小的一点材料，保证加工精度。 3、工作液在高压时被击穿，放电间隙消电离，一般使用煤油。 (二)电火花加工的工艺特点和分类 1、可以使用石墨、紫铜等较软的材料加工难加工材料。 2、由于为非接触加工，无宏观力作用。 3、无复杂切削运动，便于完成复杂曲面加工 4、每次放电能量很小，热影响层很薄。 5、便于实现自动化加工。 6、加工中存在电极损耗，影响加工精度。 (三)电火花加工技术在难加工材料中的应用 三、电解加工 (一)电解加工的基本原理 电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原理，将工件加工成型的。 工件接直流电源正极，工具接直流电源负极。 两极之间保持0.05-1mm的间隙。 (二)电解加工的工艺特点 1、加工材料范围广。 2、生产效率高。 3、无宏观切削力和热效应，所以，加工表面无残余应力和应变层。 4、工具阴极理论上无损耗，可长期使用。 5、加工精度不高，一般为0.2mm左右。 6、设备投资较大，耗费能源。 (三)电解加工技术在难加工材料中的应用 整体涡轮转子 航空航天中钛合金的加工 四、超声加工 (一)超声加工原理 超声加工是利用工具端面作16-25kHz的超声频振动，通过工作液中的悬浮磨料对工件表面冲击抛磨来实现加工的。 超声加工系统主要由以下几个部分组成: 超声波发生器、换能器、变幅杆、工具头、磨料悬浮液 (二)超声加工的工艺特点 1、加工材料范围广，特别适合于硬脆材料加工。 2、加工精度高，表面质量好。粗糙度可达Ra0.1μm，加工精度可达0.1 mm。 3 、 加工设备简单，不需复杂运动即可加工出异型孔、花纹等。 4 、超声加工效率不高。 5 、适合于与其他加工方法进行复合加工，如超声电火花加工、超声电解加工、超声研磨加工等。 (三)超声加工技术在难加工材料加工中的应用 五、激光加工 (一)激光的特性和激光加工的基本原理 激光是由处于激发状态的原子、离子或分子受激辐射而发出的得到加强的光。 1、激光的特性 激光具有一般光的共性，如反射、折射、干涉等，还具有自身特性: 1)强度高:激光能量可实现时间和空间上的高度集中。 2)单色性好:其波长和频率为一个确定值。 3)相干性好: 4)方向性好:其发散角极小，可小于毫弧度。 2、激光加工的基本原理 (二)激光加工的工艺特点 1、适用范围广。可以加工几乎所有材料，透明材料需色化或毛化处理。 2、不需加工工具。 3、非接触加工，无宏观力作用，热变形小。 4、加工速度快，效率高。 5、易于实现自动化加工。 6、激光加工设备复杂，投入较大。 (三)激光加工技术在难加工材料加工中的应用 激光切割 钛合金加工 微小孔加工 六、电子束加工 (一)电子束加工的基本原理 电子束加工是在真空状态下，利用高速电子的冲击动能转化成局部 热能而对材料进行加工的。 (二)电子束加工的工艺特点 1、加工材料范围广，可加工金属、半导体和非导体材料。 2、可进行微细加工，用于微孔、半导体集成电路的加工 3、非接触加工，无宏观力作用。 4、可以运用磁场、电场对其强度、位置、聚焦进行控制。 5、可以分割成多条细束，实现多束同时加工。 6、在真空下加工，工件不会氧化。 7、设备投入较大。 (三)电子束加工技术在难加工材料加工中的应用 七、离子束加工 离子束是在真空状态下，将离子源产生的离子束经加速、聚焦，打到 工件表面实现加工的。 离子束是靠微观机械撞击能量来加工的。可以实现纳米甚至分子、原 子级加工，是目前特种加工中最精密、最微细的加工方法。 7-3 超精密加工技术 一、概述 (一)超精密加工加工的概念及发展方向 按加工精度和表面质量，可以将机械加工分: 一般加工:车、铣、刨等。 精密加工:金刚车、研磨、砂带磨削等。 超精密加工:金刚石刀具超精密切削、超精密磨料加工等。 纳米加工:原子、分子单位加工等。 超精密加工的范畴是随着时代变化的。 1.超精密加工的特征 (1)加工精度 各类加工的加工精度都在提高见图7-10 (2)物质由分子或原子组成，接近于加工极限的加工技术 称为超精密加工。 2.超精密加工研究概况 P312 (1)机床新型结构 (2)金刚石切削与磨削 (3)超精密研磨与抛光 (4)纳米技术与微机械 超精密加工研究现状 美国于1983年研制出的可加工2130mm的大型DTM-3超精车床， 加工黄铜件的表面粗糙度Ra为0.076微米。1984年研制成功大型光学金刚石车床，可加工重达1350kg、直径为1625mm的大型零件，工件的圆度和平面度可达0.025微米，表面粗糙度可达Ra0.042微米。 在测量技术方面，广泛采用激光干涉仪、电容式测微仪、莫尔条纹光学尺，扫描隧道显微镜技术实现精密测量。可实现纳米测量。 (二)影响超精密加工的主要因素 1.加工方法的原理及超微量加工机理 “母性”原则 “创新性”原则 材料微观缺陷对于微量加工的影响 2.加工设备及其基础元件 设备的高精度、高刚度、高稳定性、高自动化程度 机床及其基础零件，采用如空气轴承、微量进给机构、空气或液体静压导轨等。 被加工零件的加工精度主要取决于主轴的回转精度，目前普遍利用空气轴承来提高主轴的回转速度。微量进给是实现超精密加工的必要条件。在超精加 工条件下，一般的微量进给方式已远远不能满足要求，通常采用弹性变形、热变形或压电晶体变形等机构实现微量进给;通常采用空气静压或液体静压导轨，通过误差均化作用提高运动部件的移动精度。 3.测量技术 一定的加工精度应有相应的测量手段。 测量技术不仅用来检验零件的加工误差，也用于在线检测中实时测量零件的加工精度，给反馈控制提供数据。常用的精密检测技术都是基于光电原理上的。例如:电容式测微仪、光电子纤维光学测头、扫描隧道显微镜、X射线干涉仪、莫尔条纹光学尺、激光干涉仪等等。 4.加工环境 超精密加工有时要在恒温、防振、超净环境下方可完成。 (三)超精密加工的意义(P313) (四)超精密加工的分类 1.超精切削加工:金刚石切削。金刚石刀具的刀尖半径可做的极小。利用金刚石刀具实现精密切削加工的工艺比较成熟。 2.超精磨削加工:精细磨削、超精研磨。可用于高密度硬磁盘涂层表面的加工和大规模集成电路基片的加工。 3.超精特种加工:电子束、离子束、光刻加工。采用电子束或离子束刻蚀的方法进行加工，是一种精度极高的加工方法，用于大规模集成电路的芯片加工。线宽可达0.1 μm。 4.超精复合加工:超声研磨、机械化学抛光 二、金刚石刀具超精切削加工 金刚石切削加工切削层可小于1μm，尺寸误差小于0.1 μm，粗糙度Ra小于0.01~0.05 μm。 (一)金刚石刀具 1.超精密切削对刀具的要求 (1)高硬度、高耐磨性、高的弹性模量 (2)刃口锋利 (3)刀刃无缺陷，刀面超光滑镜面 (4)抗粘接性能好，摩擦因数低 2.金刚石刀具的刃磨 (1)晶面选择 单晶金刚石为各向异性材料，晶面需进行选择。 (2)刃口刃磨 (二)微量进给装置 1.超精切削对微量进给装置的要求 (1)粗进给与精进给分开 精进给有高精度、高分辨率和稳定性。 (2