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船舶机械制造工艺学

船舶机械制造工艺学. ( Section 2). 2013-02 刘正林. 第 2 章 机械加工精度. 重点： 加工精度、加工误差、经济精度等基本概念，影响加工精 度的因素，加工误差性质。 难点： 加工误差的统计分析，废品率计算和刀具调整。. §2-1 加工精度的基本概念 Basic conception of working accuracy 机械零件的 加工质量指标 有两大类 : 加工精度、加工表面质量 . 1. 加工精度

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  1. 船舶机械制造工艺学 (Section 2) 2013-02 刘正林

  2. 第2章 机械加工精度 重点：加工精度、加工误差、经济精度等基本概念，影响加工精 度的因素，加工误差性质。 难点：加工误差的统计分析，废品率计算和刀具调整。 • §2-1 加工精度的基本概念Basic conception of working accuracy • 机械零件的加工质量指标有两大类:加工精度、加工表面质量. 1. 加工精度 • 零件加工以后的几何参数(尺寸、形状和位置)与理想零件的几何参数相符合程度。 • 例:IT6、IT7。

  3. A 0.03 B 0.02 A 0.02 B 0.03 A 图2-1 零件的三种精度 • 如图2-1所示的零件为联轴器的某工序图：外圆、内孔和端面尺寸精度见图所示；外圆圆度属于几何形状精度≤0.02mm。外圆柱面对内孔的同轴度、外圆柱面的径向跳动以及两端面的平行度属于相互位置精度，分别≤0.03mm、≤0.02mm和≤O.03mm。

  4. 理想零件(ideal workpiece): • 对表面形状而言，就是绝对正确的圆柱面、平面、锥面等； • 对于表面位置而言，就是绝对平行、垂直、同轴和一定角度。 • 对尺寸而言，就是零件尺寸的公差带中心。

  5. 2. 加工误差(mismachining tolerance) • 零件加工后的几何参数与理想零件几何参数的偏差程度。 • Δ精度是对一定尺寸、形状、位置的精确程度。 • Δ误差是对一定尺寸、形状、位置的相差程度。

  6. 误差是精度的度量。加工精度高低是通过加工误差大小来反映。误差是精度的度量。加工精度高低是通过加工误差大小来反映。 • 所谓保证加工精度，实际上就是限制与减少加工误差问题。

  7. Æ Æ 100.033 100.0 For an example: Design diameters of parts are • ideal dimension : Ø100.0105 (±0.0105) • 如果加工出来尺寸为：dmax= dmin= • 偏差 : 0. 033 • 精度：IT8 0.033；IT7 0.021

  8. 3. 获得加工精度的方法 • 1) 试切法 • 在每一工步或走刀前进行对刀，然后切削一小段并测量其尺寸，看是否符合要求，如不合适，则调整刀具再试切。 • 试切法的生产率低，工人的技术水平要求较高，多用于单件、小批量生产。 • 2) 调整法 • 按规定尺寸调整好机床、夹具、刀具和工件的相对位置及进给行程，加工时自动获得尺寸。 • 这种方法生产率高，其加工精度主要决定于机床、夹具的精度和调整误差。 • 调整法可以分为静调整法和动调整法两类。

  9. (b) (a) 图2-1 试切法 图2-2 静调整法 (a) 镗孔对刀；(b) 铣削对刀 • (1) 静调整法 • 静调整法即样件法。在不切削的情况下，用对刀块或样件来调整刀具的位置。例如，在镗床上，用对刀块来调整镗刀的位置，以保证镗孔的直径尺寸（如图2-2所示）。 • 一般来说其调整精度较低。

  10. (2) 动凋整法 • 动凋整法（尺寸调整法）考虑了加工过程中的影响因素，其精度比静调整法高。它是按试切零件进行调整，如果所有试切零件合格，即调整结束。这种方法多用于大批和大量生产。 • 3) 定尺寸刀具法 • 定尺寸刀具法大多用定尺寸的钻头、镗刀块、拉刀及铰刀等刀具来加工孔。定尺寸刀具法生产率高，多用于大批、大量生产中，但成本较高。 • 4) 自动控制法 • 自动控制法或称主动测量法。在加工过程中，边加工边自动测量，达到加工尺寸要求时自动停止。这种方法精度高．质量稳定。生产率高，多用于大批量生产，但对前一工序的加工精度有一定的要求。

  11. 工艺系统静误差 工艺系统动误差 原理误差 影响加工精度的因素 调整误差 度量误差 工件安装误差 §2-2 影响加工精度的因素及其分析factors of influencing processing precession and analysis • 加工误差包括:原理误差、工艺系统静误差(机床、夹具、刀具)、工艺系统动误差(受力、高热、刀具磨损、内应力变形)、度量误差、调整误差、工件安装误差。

  12. 1. 加工原理误差 • （error of processing principle） • 即加工方法误差，在加工中采用近似的刀刃形状或成型运动代替理论的刀刃形状或成型运动而产生的。

  13. 例:模数铣刀铣齿 • mz=d； m相同，d不同，则齿型不同。 • 每一种模数的齿轮设计一套模数铣刀，每把铣刀可加工某一齿数范围的齿轮(8～26)。 • 只要将加工误差控制在某一范围内，这种方法都可以认为是可行的。

  14. reamer gear key spindle modulus of in two gear groups same，but their gear numbers of not

  15. Cutting tool Turning speed piston r Turning plate o 例:活塞部椭圆弧加工采用偏心法

  16. 2.机床的制造误差和磨损(wear) • 一定精度的机床只能加工出相应精度的工件，影响加工精度的机床误差主要有以下几个方面: • 机床主轴误差(error of tool spindle) • 机床导轨的误差(error of guide rail ) • 主轴轴线与导轨的平行度误差（parallelism error） • 机床传动误差(transmission error)

  17. 机床主轴是工件、刀具的位置基础和运动基准。主轴回转精度与受力、受热、制造精度有关.机床主轴是工件、刀具的位置基础和运动基准。主轴回转精度与受力、受热、制造精度有关. • (1)主轴颈圆度误差(roundness error); • (2)轴颈同轴度误差(axiality); • (3)轴承本身的多种误差; • (4)轴承之间的同轴度误差; • (5)主轴磨损; • (6)支承端面对轴颈轴线的垂直度误差(error of perpendicularity)。

  18. 1 2 3 4 ω 5 1－轴承； 2－主轴； 3－卡盘； 4－工件； 5－刀具 FORCED DEFORMATION

  19. r/min 纯径向跳动（ radial runout ） 例:主轴存在回转误差表现形式 (纯径向跳动、纯角度摆动和轴向窜动) r/min 纯角度摆动（ angle oscillation ） r/min 纯轴向窜动（ axial drunkenness ）

  20. (A+R)cosα Acosα z R Rsinα α y A A r Boring, workpiece not moves, tool turns 主轴在y方向有径向跳动，假定为简谐跳动y=Acosα+ Rcosαz=Rsinαy2/(A+R)2 + z2/R2 =1

  21. Z R Y A A Z R Y A A 车削时主轴径向跳动(circular runout)对工件圆度(rundness)影响很小

  22. 轴向窜动对于孔与外圆无影响，对加工端面有影响。向前窜动，右旋面；向后窜动，左旋面。轴向窜动对于孔与外圆无影响，对加工端面有影响。向前窜动，右旋面；向后窜动，左旋面。 B A 左旋面 右旋面

  23. 车床切削加工时 spindle jig part A force A bearings tool 车床主轴与轴承安装示意图

  24. 车床切削加工时 jig spindle part A A — A Contacting point A P force A P W bearings tool W 车床主轴与轴承安装示意图 • 主轴部件制造误差对加工精度的影响. • 1) 滑动轴承（sliding bearing） • (1)车削 • P - cutting force • W - spindle weight (including part weight)

  25. 车削时： • Δ轴承孔误差对加工精度影响较小； • Δ工作时误差敏感方向固定不变，主轴上的载荷大小与方向可看作不变，轴承上承载区 位置也固定不变； • Δ主轴颈误差对加工精度影响较大。

  26. 镗床镗削加工时 spindle tool part force A A feed bearings 镗床主轴与轴承安装示意图

  27. (2)镗孔 考虑到刀具进给，轴承上的支反力大小，方向也有所变化，承载区也有变化。 Contacting point A Ａ P W Contacting point A Ａ 镗孔 W Ａ W P P

  28. Δ 轴承孔形状对主轴回转精度仍有一定影响；镗孔时，切削力的方向是变化的，也就是说轴颈与滑动轴承的接触点A是变化的。Δ 轴承孔误差对加工精度影响较大；Δ 主轴颈误差对加工精度影响较小。

  29. 3) 机床导轨误差 导轨是机床确定主要部件相对位置的基准，也是运动的基准(reference)。 • （1）水平内误差 • 　　床身导轨水平面内弯曲，在纵向切削过程内，刀尖的运动轨迹相对于工件轴线之间就不能保持平行。

  30. （1）水平内误差 　　床身导轨水平面内弯曲，在纵向切削过程内，刀尖的运动轨迹相对于工件轴线之间就不能保持平行。 导轨前凸(相对工人言)，工件出现鞍形。 velocity Protruding shape Saddle shape 导轨后凸(相对工人而 言)，工件出现“鼓形”。 velocity

  31. δR R o δZ 法向方向 δZ • 2)垂直面误差(error vertical plane) • 导轨在垂直平面内的弯曲对加工精度的影响小。

  32. ( R+δR)2 = δz2+R2 • R2 +2RδR+δR2=δz2+ R2 • ∴δR= δz2 / 2R • 误差敏感方向是工件的法线(normal)方向,在切线(tangent)方向上产生的误差可以忽略。 • 例:六角车床经常将刀具垂直安装，导轨水平面产生误差时，其误差发生在工件切线方向，可以略去。

  33. δy H Δ A (3)前后导轨的平行误差(扭曲) • 导轨产生扭曲后，刀架和工件之间相对位置也就发生了变化。

  34. guild velocity • 3)主轴轴线与床身导轨的平行度误差(parallel error) • (1)主轴回转轴线与导轨在水平面内不平行，圆柱工件加工成锥面。

  35. Y Y C C` rx b X bx A r0 α B B` x l • (2)主轴回转轴线与导轨在垂直平面内不平行时，工件成曲面。 • AC为刀尖运动轨迹。设 x=0; r0—半径；c’处半径为rx； • tgα=bx/x, tgα=b/l , bx=xtgα • rx2 = bx2 + r02 • rx2/ r02 - x2 b2 /( r02l2) = 1 (双曲线)

  36. 4）传动链误差(error of driving chain) • 机床传动链中多个传动元件(如齿轮、分度蜗轮副及螺杆螺母副等)的制造误差，装配误差以及使用中的磨损，对成形运动间速度关系有影响。 • 各元件在传动中的位置不同，其影响程度也不同。

  37. Z3 Z1 Z2 i1-2 = z2 / z1=n1/ n2 driving gearz1 减速传动 i1-2 >1，i1-n= i1-2•i2-3•i3-4••••••in-1-n 设传动比为i，在理想情况下，传动链始末二端的传动比一般为常数， φ1＝ iφ2。则当始端传动件产生Δφ1角时，终端传动链的转角为i(φ1 ＋Δφ1）即 φ1 +Δφ1＝ i(φ2十Δφ2) Δφ2＝Δφ1/i 一般，称Δφ为传动链误差。在传动过程中，它是时间的函数。单位为角秒或微弧度。

  38. S jig workpiece L 3. 夹具的制造误差和磨损processing error and wear of jigs • 由于定位元件、刀具导向装置、对刀装置，分度机构以及夹具体等零件制造误差。 • 例:刀具导向间距误差(钻套)，钻2孔。S<L

  39. S jig workpiece L • 措施: • ① 精加工时，尺寸精度规定为工件上相应尺寸公差的1/2～1/3; • ② 粗加工时，则可取1/5～1/10。 • L= 100.00 ～100.04 →100.02 ±0.02 • S精= 100.02 ±0.01 • S粗= 100.02 ±0.004

  40. 4.刀具的制造误差和磨损 • 1）定尺寸刀具(dimension tool)例:钻头、铰刀、板牙(screw die )的制造精度; • 2）成形刀具(forming tool)例:成形车刀、成形铣刀、成形砂轮(刀具形状直接决定工件被加工表面的形状,刀具刃口及有关尺寸). • 3）创成刀具( creation tool of vacuum) 例:齿轮铣刀、插齿刀、花键铣刀。刀刃形状及有关尺寸直接影响被加工工件的形状精度。 • 一般刀具,分普通车刀、镗刀、铣刀、砂轮等。刀具本身的制造误差对工件的加工精度没有直接影响,但刀具磨损对工件加工精度有影响。

  41. 磨损量 f f0 (m) 路程 • 刀具开始磨损快,到正常磨损时，磨损量与切削路程成正比，最后再增加。 • 砂轮磨损大，尤其在磨孔时，砂轮小，影响大，应修正；磨外圆，砂轮大，影响小。

  42. 铣刀 夹具 C A B 圆柱体（工件） 5. 工件安装误差fitting error of workpiece • 工件安装包括定位与夹紧整个过程 (在夹具章详讲)。

  43. 6.工艺系统受力变形所引起的误差 the error resulted from deformation in technology system • 工艺系统:由机床、夹具、工件所组成的系统。 • 它是一个弹性系统，变形由外力作用引起(切削刀、夹紧力、传动力、重力和惯性力)。

  44. 1) 工艺系统刚度概念 • 工艺系统静刚度：工艺系统在静载荷作用下，会产生静变形，静力与静力作用下产生变形的比值 • Jj=Fy/yj (N/mm) • Fy=N; yj = mm

  45. Jj=Fy/yj(N/mm) Fy=N; yj = mm F

  46. 工艺系统刚度: (rigidity of process system） • 工艺系统在切削力综合作用下，Y方向的切削分力Fy与Y方向的变形的比值。 J= Fy/Y

  47. Fz Z Y O y X y Fx Fy y • y值是Fx、Fy 、Fz共同作用下，产生的变形。 • 总变形有可能等于”0”或负值，所以刚度”无穷大”或”负刚度”。

  48. 2) 工艺系统的刚度(stiffness)及其对加工精度的影响 工艺系统刚度由多个环节(机床、刀具、工件)刚度计算求得。 • （1）机床刚度对加工精度的影响(stiffness of machine tool)

  49. B‘ K A‘ yx y尾 y头 B c A C’ y刀架 x Fy L Static stiffness calculation

  50. B‘ k A‘ yx y尾 y头 c B A C’ y刀 x L Fy • 在任意点”C” Fy作用下，工件 AB→A’B’ 处，刀尖由C移到C’。 这时机床总位移量： • y机=yx + y刀 • yx= y头+ k • k=(y头−y尾).x/L • y机=y刀 +y头 + (y头−y尾).x/L

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