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机械加工误差分析

2023-10-13

机械加工误差是指零件加工后的实际几何参数(几何尺寸、几何形状和相互位置)与理想几何参数之间偏差的程度。零件加工后实际几何参数与理想几何参数之间的符合程度即为加工精度。

加工误差越小,符合程度越高,加工精度就越高。加工精度与加工误差是一个问题的两种提法。所以,加工误差的大小反映了加工精度的高低。

机械加工误差产生的主要原因有以下几个方面:

1、机床的制造误差

机床的制造误差主要包括主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。

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,它将直接影响被加工工件的精度,主要包括:径向跳动、轴向跳动及摆动,见图1。主轴回转误差产生的主要原因有主轴的同轴度误差、轴承本身的误差、轴承之间的同轴度误差、主轴绕度等,见图2。导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准,也是机床运动的基准。导轨本身的制造误差、导轨的不均匀磨损和安装质量是造成导轨误差的重要因素,见图3。传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。它是由传动链中各组成环节的制造和装配误差,以及使用过程中的磨损所引起的。

图1


图2


图3

2、刀具的几何误差

刀具误差主要指刀具的制造、磨损和安装误差等,刀具对加工精度的影响因刀具种类不同而定。机械加工中常用的刀具有:一般刀具、定尺寸刀具和成形刀具。一般刀具(如普通车刀、单刃镗刀、平面铣刀等)的制造误差,对加工精度没有直接的影响。但当刀具与工件的相对位置调整好以后,在加工过程中,刀具的磨损将会影响加工误差。

定尺寸刀具(如钻头、铰刀、拉刀、槽铣刀等)的制造误差及磨损误差,均直接影响工件的加工尺寸精度。

成形刀具(如成形车刀、成形铣刀、齿轮刀具等)的制造和磨损误差,主要影响被加工工件的形状精度。

3、夹具的几何误差

夹具的作用是使工件相当于刀具和机床具有正确的位置,因此夹具的几何误差对机械加工误差(特别是位置误差)有很大影响。

4、定位误差

定位误差主要包括基准不重合误差和定位副制造不准确误差。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时的定位基准,如果所选用的定位基准与设计基准(在零件图上用来确定某一表面尺寸、位置所依据的基准)不重合,就会产生基准不重合误差。

  工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副,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,称为定位副制造不准确误差。定位副制造不准确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。

5、工艺系统受力变形产生的误差

工件刚度:工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低,在切削力的作用下,工件由于刚度不足而引起的变形对机械加工误差的影响就比较大,见图4。

刀具刚度:外圆车刀在加工表面法线(y)方向上的刚度很大,其变形可以忽略不计。镗或磨削直径较小的内孔,刀杆及磨杆刚度很差,刀杆、磨杆受力变形对孔加工精度就有很大影响,见图5。

机床部件刚度:机床部件由许多零件组成,机床部件刚度迄今尚无合适的简易计算方法,目前主要还是用实验方法来测定机床部件刚度。影响机床部件刚度的因素有结合面接触变形的影响、个别薄弱环节、摩擦力的影响、低刚度零件的影响、间隙的影响,见图6。

图4                                                  图5



图6

6、工艺系统受热变形引起的误差

工艺系统热变形对加工误差的影响比较大,特别是在精密加工和大件加工中,由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的50%。

机床热变形引起的加工误差:

机床受热源的影响,各部分温度将发生变化,由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性,机床各部件将发生不同程度的热变形,破坏了机床原有的几何精度,从而引起了加工误差。

车床类机床的主要热源是主轴箱中的轴承、齿轮、离合器等传动副的摩擦使主轴箱和床身的温度上升,从而造成了机床主轴抬高和倾斜,见图7。

工件热变形引起的加工误差:

轴类零件在车削或磨削时,一般是均匀受热,温度逐渐升高,其直径也逐渐胀大,胀大部分将被刀具切去,待工件冷却后则形成圆柱度和直径尺寸的误差。

细长轴在顶尖间车削时,热变形将使工件伸长,导致工件的弯曲变形,加工后将产生圆柱度误差。

床身导轨面的磨削,由于单面受热,与底面产生温差而引起热变形,使磨出的导轨产生直线度误差。

薄圆环磨削,如图8所示,虽近似均匀受热,但磨削时磨削热量大,工件质量小,温升高,在夹压处散热条件较好,该处温度较其他部分低,加工完毕工件冷却后,会出现棱圆形的圆度误差。

刀具热变形引起的加工误差:

切削热虽然大部分被切屑带走或传入工件,传到刀具上的热量不多,但因刀具切削部分质量小(体积小),热容量小,所以刀具切削部的温升大。例如用高速钢刀具车削时,刃部的温度高达700~800℃,刀具热伸长量可达0.03~0.05mm。因此对加工精度的影响不容忽略。图9所示为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线。当车刀连续车削时,车刀变形情况如曲线1,经过约10~20min即达到热平衡,此时车刀变形的影很小;当车刀停止切削后,车刀冷却变形过程如曲线3;当车削一批短小轴类零件时,加工由于需要装卸工件而时断时续,车刀进行间断切削,热变形在△范围内变动,其变形过程如曲线2。

图7                                                                            图8                                                                       图9      

7、调整误差

在机械加工的每一工序中,总要对工艺系统进行这样或那样的调整工作。由于调整不可能绝对地准确,因而产生调整误差。在工艺系统中,工件、刀具在机床上的互相位置精度,是通过调整机床、刀具、夹具或工件等来保证的。当机床、刀具、夹具和工件毛坯等的原始精度都达到工艺要求而又不考虑动态因素时,调整误差对机械加工误差起到决定性的作用。

8、测量误差

零件在加工时或加工后进行测量时,由于测量方法、量具精度以及工件和主客观因素都直接影响测量精度。

9、内应力

没有外力作用而存在于零件内部的应力,称为内应力。工件上一旦产生内应力之后,就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态,它本能地要向低能位的稳定状态转化,并伴随有变形发生,从而使工件丧失原有的加工精度。

工件在铸造、锻造及切削加工后,内部会存在的各种内应力。零件内应力的重新分布不仅影响零件的加工精度,而且对装配精度也有很大的影响。内应力存在于工件的内部,而且其存在和分布情况相当复杂,下面只作一些定性的分析。

(1)毛坯的内应力

铸、锻、焊等毛坯在生产过程中,由于工件各部分的厚薄不均,冷却速度不均匀而产生内应力,见图10。

(2)冷校直引起的内应力

细长的轴类零件,如光杠、丝杠、曲轴、凸轮轴等在加工和运输中很容易产生弯曲变形,因此,大多数在加工中安排冷校直工序,这种方法简单方便,但会带来内应力,引起工件变形而影响加工精度,见图11。

(3)工件切削时的内应力

工件在进行切削加工时,在切削力和摩擦力的作用下,使表层金属产生塑性变形,体积膨胀,受到里层组织的阻碍,故表层产生压应力,里层产生拉应力;由于切削温度的影响,表层金属产生热塑性变形,表层温度下降快,冷却收缩也比里层大,当温度降至弹性变形范围内,表层收缩受到里层的阻碍,因而产生拉应力,里层将产生平衡的压应力。

在大多数情况下,热的作用大于力的作用。特别是高速切削、强力切削、磨削等,热的作用占主要地位。磨削加工中,表层拉力严重时会产生裂纹。

图10                                                            图11