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探討影響機(jī)械加工精度的主要因素
摘要:文章介紹了影響機(jī)械加工精度的幾個(gè)重要因素。在諸多誤差因素中,機(jī)床的幾何誤差、工藝系統(tǒng)的受力變形和受熱變形占有突出的位置,通過(guò)了解這些誤差因素是如何影響加工誤差的,可以使工件的加工達(dá)到質(zhì)量要求。
關(guān)鍵詞:加工精度;誤差;工藝系統(tǒng)
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的提高,社會(huì)要求提高產(chǎn)品的質(zhì)量。而加工精度是衡量零件加工質(zhì)量的重要指標(biāo),所以保證零件的加工精度很重要。這就要求我們來(lái)了解影響機(jī)械加工精度的因素,從而提高加工精度。在加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生各種誤差,這些誤差與工藝系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和切削過(guò)程有關(guān),產(chǎn)生加工誤差的主要因素有:
1 加工原理誤差
加工過(guò)程由于采用了近似的加工方法,近似的傳動(dòng)或近似的刀具輪廓而產(chǎn)生的加工誤差。
1.1 采用近似的加工運(yùn)動(dòng)造成的誤差
在許多場(chǎng)合,為了得到要求的工件表面,必須在工件或刀具的運(yùn)動(dòng)之間建立一定的聯(lián)系。從理論上講,應(yīng)采用完全準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系。但是采用理論上完全準(zhǔn)確的加工原理有時(shí)使機(jī)床或夾具極為復(fù)雜,致使制造困難,反而難以達(dá)到較高的加工精度,有時(shí)甚至是不可能做到。如在車削或磨削模數(shù)螺紋時(shí),由于其導(dǎo)程t=πm,式中有π這個(gè)無(wú)理因子,在用配換齒輪來(lái)得到導(dǎo)程數(shù)值時(shí),就存在原理誤差。
1.2 采用近似的刀具輪廓造成的誤差
用成形刀具加工復(fù)雜的曲面時(shí),要使刀具刃口做得完全符合理論曲線的輪廓,有時(shí)非常困難,往往采用圓弧、直線等簡(jiǎn)單近似的線型代替理論曲線。如用滾刀滾切漸開線齒輪時(shí),為了滾刀的制造方便,多用阿基米德基本蝸桿或法向直廓基本蝸桿來(lái)代替漸開線基本蝸桿,從而產(chǎn)生了加工原理誤差。
2 機(jī)床幾何誤差及磨損其對(duì)加工精度的影響
加工中刀具相對(duì)于工件的成形運(yùn)動(dòng)一般都是通過(guò)機(jī)床完成的,因此工件的加工精度在很大程度上取決于機(jī)床的精度。機(jī)床制造誤差對(duì)工件加工精度影響較大的有:主軸回轉(zhuǎn)誤差、導(dǎo)軌誤差和傳動(dòng)鏈誤差。
2.1 主軸回轉(zhuǎn)誤差
主軸的回轉(zhuǎn)誤差直接影響被加工工件的形狀和位置精度,可分解為徑向跳動(dòng)、軸向跳動(dòng)和角度擺動(dòng)。由于存在誤差敏感方向,加工不同表面時(shí),主軸的徑向跳動(dòng)所引起的加工誤差也不同。例如,在車床上加工外圓或內(nèi)孔時(shí),主軸的徑向跳動(dòng)將引起工件的圓度誤差,但對(duì)于端面加工沒有直接影響。車端面時(shí),主軸的軸向跳動(dòng)將造成工件端面的平面度誤差,以及端面相對(duì)于內(nèi)、外圓的垂直度誤差;車螺紋時(shí),會(huì)造成螺距誤差。主軸的軸向跳動(dòng)對(duì)加工外圓或內(nèi)孔的影響不大。主軸的角度擺動(dòng)對(duì)加工誤差的影響與主軸徑向跳動(dòng)對(duì)加工誤差的影響相似,主要區(qū)別在于主軸的角度擺動(dòng)不僅影響工件加工表面的圓度誤差,而且影響工件加工表面的圓柱度誤差。
2.2 導(dǎo)軌誤差
導(dǎo)軌在機(jī)床中起導(dǎo)向和承載作用,它既是確定機(jī)床主要部件相對(duì)位置的基準(zhǔn),也是運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)。它的各項(xiàng)誤差直接對(duì)形狀精度產(chǎn)生影響。導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差將直接反映在被加工工件表面的法線方向(誤差敏感方向)上,對(duì)加工精度的影響最大。導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度誤差對(duì)加工精度影響很小,一般可忽略不計(jì)。前后導(dǎo)軌的平行度誤差會(huì)使工作臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生擺動(dòng),刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條空間曲線,使工件產(chǎn)生形狀誤差。
2.3 傳動(dòng)鏈誤差
切削過(guò)程中,工件表面的成形運(yùn)動(dòng),是通過(guò)一系列的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)元件有齒輪、絲桿、螺母、蝸輪及蝸桿等。這些傳動(dòng)元件由于其加工、裝配和使用過(guò)程中磨損而產(chǎn)生誤差,這些誤差就構(gòu)成了傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)越多,傳動(dòng)路線越長(zhǎng),則傳動(dòng)誤差越大。機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差是影響表面加工精度的主要原因之一。
3 刀具、夾具的制造誤差及磨損
刀具誤差對(duì)加工精度的影響隨刀具的種類不同而不同。一般刀具(如車刀、鏜刀及銑刀等)的制造誤差,對(duì)加工精度沒有直接的影響;定尺寸刀具(如鉆頭、鉸刀、拉刀及槽銑刀等)的尺寸誤差,直接影響被加工零件的尺寸精度;成形刀具(成形刀、成形銑刀以及齒輪滾刀等)的誤差,主要影響被加工面的形狀精度。而刀具的磨損會(huì)直接影響刀具相對(duì)被加工表面的位置,造成被加工零件的尺寸誤差,夾具的作用是使工件相對(duì)于刀具和機(jī)床具有正確的位置,因此夾具的制造誤差對(duì)工件的加工精度(特別是位置精度)有很大影響。夾具的制造誤差由定位誤差、夾緊誤差、夾具的安裝誤差、導(dǎo)引誤差、分度誤差以及夾具的磨損組成。夾具的磨損會(huì)引起工件的定位誤差。
4 工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差
工藝系統(tǒng)是一彈性系統(tǒng),在加工時(shí)由于切削力、夾緊力和傳動(dòng)力等作用會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變形破壞了刀具和工件間的正確位置,從而產(chǎn)生加工誤差。
4.1 切削過(guò)程中受力點(diǎn)位置變化引起的加工誤差
切削過(guò)程中,工藝系統(tǒng)的剛度隨切削力著力點(diǎn)位置的變化而變化,引起系統(tǒng)變形的差異,使被加工表面產(chǎn)生形狀誤差。
4.2 切削力大小變化引起的加工誤差——誤差復(fù)映
工件的毛坯外形雖然具有粗略的零件形狀,但它在尺寸、形狀以及表面層材料硬度上都有較大的誤差。毛坯的這些誤差在加工時(shí)使切削深度不斷發(fā)生變化,從而導(dǎo)致切削力的變化,進(jìn)而引起工藝系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的變形,使得零件在加工后還保留與毛坯表面類似的形狀或尺寸誤差。當(dāng)然工件表面殘留的誤差比毛坯表面誤差要小得多。這種現(xiàn)象稱為“誤差復(fù)映規(guī)律”,所引起的加工誤差稱為“誤差復(fù)映”。除切削力外,傳動(dòng)力、慣性重力、夾緊力等其它作用力也會(huì)使工藝系統(tǒng)的變形發(fā)生變化,從而引起加工誤差,影響加工精度。
5 工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差
機(jī)械加工中,工藝系統(tǒng)在各種熱源的作用下產(chǎn)生一定的熱變形。由于工藝系統(tǒng)熱源分布的不均勻性及各環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)、材料的不同,使工藝系統(tǒng)各部分的變形產(chǎn)生差異,從而破壞了刀具與工件的準(zhǔn)確位置及運(yùn)動(dòng)關(guān)系,產(chǎn)生加工誤差。尤其對(duì)于精密加工,熱變形引起的加工誤差占總加工誤差的40%～70%。
5.1 機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的影響
機(jī)床受熱源的影響,各部分溫度將發(fā)生變化,由于熱源分布的不均勻和機(jī)床機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性,機(jī)床的各部件發(fā)生不同程度的熱變形,破壞了機(jī)床各部件原有的相互位置關(guān)系,影響加工精度。不同類型的機(jī)床由于熱源不同,對(duì)加工精度影響也不同。
5.2 刀具熱變形對(duì)加工精度的影響
盡管在切削加工中傳入刀具的熱量只有3%～5%,但由于刀具的尺寸和熱容量小,故仍有很高的溫升,從而引起刀具的熱伸長(zhǎng)并造成加工誤差。粗加工時(shí)刀具的熱變形對(duì)加工精度的影響可忽略不計(jì);對(duì)于加工要求較高的零件,刀具的熱變形對(duì)加工精度影響較大,使加工表面產(chǎn)生形狀誤差。例如用高速鋼刀具車削時(shí),刃部的溫度高達(dá)700℃～800℃,刀具熱伸長(zhǎng)量可達(dá)0.03 mm～
0.05 mm。
5.3 工件熱變形對(duì)加工精度的影響
工件的熱變形主要是由切削熱引起的,熱變形情況與加工方法和是否均勻受熱有關(guān)。
5.3.1 工件均勻受熱
對(duì)于一些簡(jiǎn)單的均勻受熱工件,如車、磨軸類件的外圓,
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