機械加工精度(文件)

　

【正文】 126 五、工藝系統熱變形引起的加工誤差 （一）概 述 20233 127 1. 工藝系統的熱源 ?電機、軸承、齒輪、油泵等 ?工件、刀具、切屑、切削液 ?氣溫、室溫變化、熱、冷風等 熱源 切削熱 摩擦熱 外部熱源 內部熱源 環境溫度 熱輻射 ?日光、照明、暖氣、體溫等 20233 128 2. 工藝系統的熱平衡 熱 平 衡 ? 當單位時間內傳入和散發的熱量相等時，工藝系統達到了熱平衡狀態。 這種溫度場稱為 穩態溫度場 20233 131 20233 132 機床在開始工作的一段時間內，其溫度場處于不穩定狀態，其精度也是很不穩定的，工作一定時間后，溫度才逐漸趨于穩定，其精度也比較穩定。 （ 圖 ） （二）機床熱變形對加工精度的影響 20233 134 圖 車床的熱變形 20233 135 、牛頭刨床、立式車床類機床 導軌副的摩擦熱 種 磨 床 砂輪主軸軸承的發熱和液壓系統的發熱 （ 圖例 ） （ 圖例 ） 20233 136 牛頭刨床滑枕熱變形及結構改進示意圖 a) 原滑枕截面圖 b)原滑枕熱變形示意圖 c) 滑枕熱對稱結構 20233 137 外園磨床的熱變形示意圖 1－床身 2－導軌 3－工件 4－砂輪 5－砂輪架 6－螺母 20233 138 20233 139 1. 工件均勻受熱 △ L=αL△ t 式中 α—— 工件材料的熱膨脹系數，單位為 1/℃ ； L—— 工件在熱變形方向的尺寸，單位為 mm； △ t—— 工件溫升，單位為 ℃ 。 因此， 熱變形對工件加工精度影響很大。 車外圓時，車刀熱變形會使工件產生圓柱度誤差（喇叭口）。 1) 采用熱對稱結構 2) 合理選擇機床零部件的 安裝基準 (圖 535) 尋求各部件熱變形的規 律建立熱變形位移數字 模型并存入計算機中進 行實時補償 加工前使機床高速空轉， 達到熱平衡時再切削加工 1）減小溫差； 2）均衡關鍵件的溫升，避免 彎曲變形（如 圖 所示） 恒溫車間、使用門簾、取暖裝置均勻布置； 恒溫精度一般控制在177。 產生原 因 殘余應力是由金屬內部的相鄰宏觀或微觀組織發生了不均勻的體積變化而產生的，促使這種變化的因素主要來自熱加工或冷加工。 20233 151 毛坯制造中產生的殘余應力 20233 152 圖 5－ 30 鑄件殘余應力引起的變形 圖 736所示為一個內外壁厚相差較大的鑄件，在澆鑄后的冷卻過程中產生殘余應力的情況。 20233 154 影 響 措 施 ?當外力 F去除后，彈性變形本可完全恢復，但因塑性變形部分的阻止而恢復不了，使殘余應力重新分布而達到平衡，如 圖 531c所示。 ?對質量和體積均很大的笨重零件，即使在同一臺重型機床進行粗精加工也應該在粗加工后將被夾緊的工作松開，使之有充足時間重新分布內應力，在使其充分變形后，然后重新夾緊進行精加工。 然后按各組的誤差范圍分別調整刀具位置，使整批工 件的尺寸分散范圍大大縮小。 五、就地加工法 全部零件按經濟精度制造，然后裝配成部件或產品，且 各零部件之間具有工作時要求的相對位置，最后以一個 表面為基準加工另一個有位置精度要求的表面，實現最 終精加工，這就是“就地加工”法，也稱自身加工修配法 。 ?在順序加工一批工件時，誤差的大小和方向呈有規律變化者，稱為變值系統性誤差。 對于變值系統性誤差，在查明其大小和方向隨時間變化的規律后，可采用自動連續補償或自動周期補償的方法消除。 二、加工誤差的統計分析方法 20233 168 （一）分布曲線法 A. 實際分布圖 —— 直方圖 20233 169 20233 170 1） 收集數據 在一定的加工條件下，按一定的抽樣方式抽取一個樣本（即抽取一批零件），樣本容量（抽取零件的個數）一般取 100件左右，測量各零件的尺寸，并找出其中的最大值 xmin和最小值 xmin。 3） 確定組距組界及分組 h= (xmax xmin)/(k1) 第一組上界值： s1=xmin+h/2 第一組下界值： x1=xminh/2 20233 172 ? 例如磨削一批軸徑為 mm的工件，實測后的尺寸如表 4l所示。 ? （ 2）把 100個樣本數據分成若干組，分組數可用表 42確定。 20233 174 ? （ 3）計算組距 h，即組與組間的間隔 ? h = = = μ m ≈ 5μ m ? （ 4）計算第一組的上、下界限值 Sm177。第二組的下界限值加上組距就是第二組的上界限值，其余類推。 ? （ 9）按表列數據以頻率密度為縱坐標；組距（尺寸間隔）為橫坐標就可以畫出直方圖，如圖 432所示 20233 177 ? 由圖 432可知，該批工件的尺寸分散范圍大部分居中，偏大、偏小者較少。 1）尺寸分散范圍小于允許公差 T， 且分布中心與公差帶中心重合，則兩邊都有余地，不會出廢品。 （ 2）直方圖的觀察與分析 20233 182 2. 理論分布圖 —— 正態分布曲線 20233 183 當采用該曲線代表加工尺寸的實際分布曲線時 ， 上式各參數的意義為： y —— 分布曲線的縱坐標 ， 表示工件的分布密度 （ 頻率密度 ） ； x—— 分布曲線的橫坐標 ， 表示工件的尺寸或誤差； n—— 一批工件的數目 （ 樣本數 ） 。它決定一批工 件尺寸分散中心的坐標位置。 在 177。 3ζ ，工藝上稱該原則為 6ζ準則。 所以在一般情況下，應使所選擇的加工方法的標準偏差 ζ與公差帶寬度 T之間具有下列關系： 6ζ≤T 但考慮到系統誤差及其它因素的影響，應當使6ζ小于公差帶寬度 T， 才能可靠地保證加工精度。 該圖形屬正常圖形。 3. 非正態分布曲線 20233 189 4）孤島形 在遠離分布中心的地方又出現小直方，見 圖例 d。 6）平頂形 靠近中間的幾個直方高度相近，呈平頂狀，見 圖例 f。 2） 判斷加工誤差的性質 ?如果實際分布曲線基本符合正態分。 20233 190 圖 5－ 44 常見的幾種非正態分布圖形 a) 鋸齒形 b) 對稱形 c) 偏向形 d) 孤島形 e) 雙峰形 f) 平頂形 20233 191 1） 確定給定加工方法的精度 對于給定的加工方法，服從正態分布，其分散范圍為177。 5）雙峰形 分布圖具有兩個頂峰，見 圖例 e。 出現該圖形的主要原因可能是工藝系統產生顯著的熱變形，如刀具受熱伸長會使加工的孔偏大，圖形右偏；使加工的軸偏小，圖形左偏，或因為操作者加工習慣所致。出現該圖形的主要原因可能是測量方法不當或讀數不準，也可能是數據分組不當所致。 3ζ（ 或 6ζ） 的概念在研究加工誤差時應用很廣。 實際生產中常常認為加工一批工件尺寸全部在 177。 ?使 x產生變化的主要原因是常值系統誤差的影響。1ζ—— 一批零件的均方根差， 。 3）若工件尺寸分散范圍恰好等于其公差帶 T， 這種情況下稍有不慎就會產生廢品，故應采取適當措施減小分散范圍。 20233 179 抽取工件 100個，經測量： φmax=，φmin=， 取 ，統計每組的工件數，將所得的結果列表 71。 ? 中心值是每組中間的數值。 20233 175 ? （ 5）計算其余各組的上、下界限值。 經驗證明，組數太少會掩蓋組內數據的變動情況，組數太多會使各組的高度參差不齊，從而看不出變化規律。 20233 173 作直方圖的步驟如下： ? （ 1）收集數據。 （ 1）直方圖的作法與步驟 20233 171 4） 統計頻數分布 將各組的尺寸頻數 、 頻率和頻率密度填入表中 。 20233 166 20233 167 加工誤差的統計分析法就是以生產現場對工件進行實際測量所得的數據為基礎，應用數理統計的方法，分析一批工件的情況，從而找出產生誤差的原因以及誤差性質，以便提出解決問題的方法。 加工誤差 隨機誤差 系統誤差 ?在順序加工一批工件時，誤差的大小和方向呈無規律變化者，稱為隨機性誤差。 20233 163 圖 5－ 41 立軸轉塔車床刀架轉位誤差的轉移 20233 164 常值誤差 變值誤差 ?在順序加工一批工件時，誤差的大小和方向保持不變者，稱為常值系統性誤差。 例如 圖 541 ，轉塔車床的轉位刀架采用 “立刀”安裝法 。 2．增加消除殘余應力的專門工序 對鑄、鍛、焊接件進行退火或回火； 工件淬火后進行回火；對精度要求 高的零件在粗加工或半精加工后進 行時效處理（自然、人工、振動時 效處理） 20233 158 查明產生加工誤差的主要因素后，設法對其直接進行 消除或減弱，如 細長軸加工 用跟刀架會導致工件彎曲 變形 ， 現采用反拉法切削 工件受拉不受壓不會因偏心 壓縮而產生彎曲變形 一、減少誤差法 二、誤差補償法 誤差補償法是人為地造出一種新的原始誤差，去抵消 原來工藝系統中存在的原始誤差，盡量使兩者大小相 等、方向相反而達到使誤差抵消得盡可能徹底的目的。 20233 155 圖 5－ 31 冷校直引起的內應力 20233 156 切削加工中引起的殘余應力 ?內部有殘余應力的工件在切去表面的一層金屬后，殘余應力要重新分布，從而引起工件的變形。在軸心線和兩條虛線之間，是彈性變形區域，在虛線以外是塑性變形區域。 ?在內應力變化的過程中，零件產生相應的變形，原有的加工精度受到破壞。 ℃ 。有時可采用強制冷卻法，吸收熱源熱量，控制機床溫升和熱變形。由于中心角 θ很小，其中性層的長度可近似認為等于原長 L， 則 f =L/2 tan(θ/4） ≈Lθ/8 且 （ R+H） θR θ=αΔtL θ= αΔtL/H 所以 f≈ αΔtL2/8H 20233 142 圖例 薄板磨削時的彎曲變形 20233 143 圖示 為車削時車刀的熱變形與切削時間的關系曲線。 ?在較長的軸類零件加工中，將出現錐度誤差。 在生產中，必須注意 : 20233 133 各類機床其結構、工作條件及熱源形式均不相同，因此機床各部件的溫升和熱變形情況是不一樣的。 20233 129 圖 523 車削切削熱的分配示意圖 20233 130 不穩態溫度場 溫度場 穩態溫度場 熱平衡 物體中各點的溫度 分布稱為溫度場 , T=f( x , y, z ,t ) 當物體未達熱平 衡時，各點溫度 不僅是坐標位置 的函數，也是時 間的函數。 對剛性較差 的工件選擇 合適的夾緊 方法，能減 小夾緊變形， 提高加工精度 采用塑料滑動導軌，其摩擦特性好，有效防止低速爬行，運行平穩，定位精度高，具有良好的耐磨性、減振性和工藝性。 若經過 n次走刀加工后 ， 則誤差復映為 △ w=ε1ε2… εn△ m 總的誤差復映系數 εz=ε1ε2… εn 20233 116 在粗加工時 ,