项目46机械加工精度.ppt
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1、机械加工精度及表面质量,教师:孙敏,开封大学机电工程学院,4 工艺系统热变形引起的加工误差5 工件残余应力引起的加工误差6 提高加工精度的工艺措施7 加工误差的综合分析,第四节、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
2、课题。,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,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。而工艺系统的热变形也就达到某种程度的稳定。,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,只是其坐标位置的函数。这种温度场称为稳态温度
3、场,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:,(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。,(图),图 车床的热变形,结果:如图所示为车床空运转时,主轴的温升和位移的测量结果
4、。,主轴在水平方向的位移仅10m,垂直方向的位移却高达180 200 m。,3.大型机床,如导轨磨床、外圆磨床、龙门铣床等的长床身部件,表面温度比床身底面温度高,形成温差,床身产生弯曲变形。,4.几种机床的热变形趋势,平面磨床,车床,铣床,双端面磨床,2.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,(图例),(图例),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,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,(三)工件热变形对加工精度的影响,1.工件均匀
5、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=Lt式中 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。,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=1.1710-54001mm=0.0047mm 而5级丝杠的螺距累积误差在400mm长度上不允许超过5m左右。因此,热变形对工件加工精度影响很大。,2.工件不均匀受热,在刨削、铣削、磨削
6、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,凸起部分被工具切去,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可按图例所示图形进行估算。由于中心角很小,其中性层的长度可近似认为等于原长L,则 f=L/2 tan(/4)L/8 且(R+H)-R=tL=tL/H 所以 f tL2/8H,图例 薄板磨削时的弯曲变形,(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。,图示为车削时车刀的
7、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)。加工内孔又如何?,图 车刀热变形曲线 1 刀具加热至热平衡时间 2 刀具加热至热平衡时间 0 刀具间断切削至热平衡时间,(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7-35),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
8、变形(如图所示),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设计,4保持工艺系统的热平衡,5控制环境温度,6.热位移补偿,采用强制冷却适合于机床,刀具和工件,图731 采用隔热罩减少热变形,图733 用热空气均衡立柱前后壁的温度场,图735 车床上主轴箱两种结构的热位移,第五节、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
9、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。,残余应力对零件的影响影响,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质量。,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。(图430),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,
10、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430 铸件残余应力引起的变形,图7-36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产生残余应力的情况。,工件变形方向判断:受压者不再受压伸长;受拉者不再受拉缩短 长者仍长;短者仍短,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4-31b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
11、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4-31a所示。,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4-31c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。,图431 冷校直引起的内应力,2、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
12、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作松开,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。,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
13、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),第六节、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弯曲变形,现采用反拉法切削工件受拉不受压不会因偏心压缩而产生弯曲变形,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。如图7-39、图7-40,三、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
14、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。,图738 反拉法切削细长轴 a)正向进给 b)反向进给,图739 通过导轨凸起补偿横梁变形,图740 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,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。例如图7-41,转塔车床的转位刀架采用“立刀”安装法;图7-42所示为利用镗模进行镗孔,主轴与镗杆浮动联接。,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
15、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。,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。,图741 立轴转塔车床刀架转位误差的转移,一、加工误差的性质及分类,第七节 加工误差的综合分析,发现孔直径比规定大0.02毫米,发现轴加工后有圆柱度误差中间粗腰鼓型,怎么判断的?是什么误差?,发现磨孔直径逐渐增大,磨削一批工件测量没有超差在规定的公差带范围波动,常值系统性误差,常值系统性误差,变值系统性误差,用批平均值评定,波动范围代表随机性误差是否有常值系统性误差看尺寸平均值与公差带中心重
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- 项目 46 机械 加工 精度
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