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第七章 机械加工精度 机械加工精度 一、加工精度的基本概念 产品质量是企业的生命线 按现代质量观它包括设计质量、制造质量和服务质量
零件制造质量是保证产品质量的基础 一、加工精度的基本概念 加工质量指标分加工精度和加工表面质量 加工精度指零件加工后实际几何参数(尺寸、形状和位 置)与理想几何参数相符的程度。符合程度愈高,加工精 度愈高。实际值与理想值之差称为加工误差。
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零件的加工精度包括 尺寸精度、形状精度、位置精度 通常尺寸精度要求高形位精度要求也越高 获得加工精度的方法
常用加工误差的大小来评价加工精度的高低 加工误差越小,加工精度越高 零件的加工精度包括 尺寸精度、形状精度、位置精度 通常尺寸精度要求高形位精度要求也越高 获得加工精度的方法 (1)获得尺寸精度的方法 1)试切法 用于单件小批生产 2)调整法 用于成批大量生产 3)定尺寸刀具法 生产率高,刀具制造复杂 4)自动控制法 切削测量补偿调整
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提高加工精度的途径,以保证零件的加工质量。
(2)获得形状精度的方法 1)轨迹法 利用刀尖运动轨迹形成工件表面形状 2)成形刀具法 由刀刃的形状形成工件表面形状 3)展成法 由切削刃包络面形成工件表面形状 (3)获得相互位置精度的方法 主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证 本章学习目的: 了解各种因素对加工精度的影响规律,找出 提高加工精度的途径,以保证零件的加工质量。
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中相互位置发生变动而造成。工件和刀具安装在 夹具和机床上,工件、刀具、夹具、机床构成了 一个完整的工艺系统。工艺系统的种种误差,是
二、影响加工精度的因素 1. 原始误差 零件加工的误差是由于工件与刀具在切削过程 中相互位置发生变动而造成。工件和刀具安装在 夹具和机床上,工件、刀具、夹具、机床构成了 一个完整的工艺系统。工艺系统的种种误差,是 造成零件加工误差的根源,故称之为原始误差。
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加工原理误差 调整误差 机床误差 加工前误差 夹具误差 工件装夹误差 刀具制造误差 工艺系统受力变形 加工中误差 工艺系统热变形 刀具磨损
原始误差 刀具制造误差 工艺系统受力变形 加工中误差 工艺系统热变形 刀具磨损 残余应力引起变形 加工后误差 测量误差
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2.工艺系统的几何误差 (1)加工原理误差 (2)机床的误差 a. 纯径向跳动 b.纯角度摆动 c.轴向窜动
近似的成形运动或刃形所产生的误差,多为形状误差 (2)机床的误差 1)主轴回转误差 ① 主轴回转误差概念 主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量 三种基本形式: a. 纯径向跳动 b.纯角度摆动 c.轴向窜动
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轴承本身误差、轴承间隙、轴承间同轴度误差,各段轴
② 影响主轴回转精度的主要因素 轴承本身误差、轴承间隙、轴承间同轴度误差,各段轴 颈、轴孔的同轴度误差主轴系统的刚度和热变形等。 但它们对主轴回转精度的影响大小随加工方式而不同
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主轴采用滑动轴承的车床类,主轴受力方向一定,主轴颈
圆度误差影响较大,轴承内径圆度误差没影响 镗床主轴受力随镗刀旋转方向不断变化轴承孔误差影响大
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滚动轴承结构复杂,影响主轴精度因素也较复杂
除轴承本身精度外,与配合件精度有很大关系如主轴轴 颈、支承座孔等精度
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主轴不同形式的回转误差引起的加工误差不同
产生轴向窜动主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面 对主轴回转轴线有垂直度误差。 主轴不同形式的回转误差引起的加工误差不同 车床上加工外圆内孔时,主轴径向跳动引起工件圆度和 圆柱度误差,对工件端面无影响; 轴向窜动对圆柱表面影响不大,对端面垂直度平面度影 响大,车削螺纹时会造成导程的周期性误差; 纯角度摆动会造成车削外圆或内孔的锥度误差;在镗孔 时,会使镗出的孔为椭圆形。
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纯角度摆动会造成车削外圆或内孔的锥度误差;在镗孔
时,若工件进给会使镗出的孔为椭圆形。 提高主轴及支承座孔的加工精度,选用高精度轴承,提高 主轴部件装配精度、预紧和平衡等,提高主轴回转精度。
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Δ1将直接反映在工件加工表面法线方向(误差敏感方向)
2)机床导轨误差 导轨精度要求主要有以下三方面: ① 在水平面内的直线度(以卧式车床为例) Δ1将直接反映在工件加工表面法线方向(误差敏感方向) 上,误差ΔR =Δ1 ,对加工精度影响最大。 刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。
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ΔR =0.00025mm,影响可忽略不计。 而对平面磨床、龙
② 在垂直面内的直线度 Δ2对工件的尺寸和形状误差影响比Δ1小得多 对卧式车床ΔR ≈Δ22/D 若设Δ2= 0.1mm,D=40mm,则 ΔR = mm,影响可忽略不计。 而对平面磨床、龙 门刨床误差将直接反映在工件上。
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导轨在垂直面内的直线度的特殊情况为斜坡状,
加工的工件轴向形状为鞍形。
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若扭曲误差为Δ3,工件误差ΔR≈(H/B)Δ3 ,一般车床
③ 前后导轨的平行度(扭曲) 卧式车床或外圆磨床若前后导轨存在平行度误差时, 刀具和工件之间相对位置发生变化,刀尖运动轨迹是一 条空间曲线,使工件产生形状误差。 若扭曲误差为Δ3,工件误差ΔR≈(H/B)Δ3 ,一般车床 H/B≈2/3,外圆磨床H/B≈1,误差对加工精度影响很大 除导轨制造误差外,导轨的不均匀磨损和安装质量,也 是造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降 的主要原因之一。可采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴 塑导轨、滚动导轨导轨表面淬火等措施。
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3)机床传动链误差 指机床内传动链始末两端的传动元件间相对运动的误差, 一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。产生的原因
是传动链中各传动元件的制造误差、装配误差及磨损等。 若传动齿轮 i 在某一时刻产生转角误差为Δφi,则它所 造成传动链末端元件的转角误差:Δφwi =Ki Δφi Ki 为该轴到末端元件的总传动比,称为误差传递系数, 若Ki大于1则误差被扩大;反之,若Ki小于1误差被缩小。 各传动件对工件精度影响的总和为: Δφ∑= ∑Δφwi= ∑Ki Δφi
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减少传动链误差的措施: ① 尽可能缩短传动链,减少传动元件数目; ② 尽量采用降速传动,误差被缩小;
③ 提高传动元件、特别是末端元件的制造和 装配精度; ④ 消除传动间隙; ⑤采用误差补偿机构或自动补偿装置。
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(3)刀具的几何误差 ① 定尺寸刀具 刀具尺寸精度直接影响工件尺寸精度 ② 成形刀具 刀具形状精度直接影响工件形状精度
包括刀具切削部、装夹部的制造误差及刀具安装误差 ① 定尺寸刀具 刀具尺寸精度直接影响工件尺寸精度 ② 成形刀具 刀具形状精度直接影响工件形状精度 ③ 展成刀具 刀刃形状精度会影响工件加工精度 ④ 一般刀具 制造精度对工件加工精度无直接影响
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(4)夹具的几何误差 (5)定位误差 包括夹具制造误差、安装误差及磨损 对工件尺寸精度和位置精度影响很大
包括基准不重合误差、定位副制造不准确误差 直接影响工件的尺寸精度和位置精度
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(6)调整误差 在工序的调整工作中所存在的误差即调整误差 加工中不产生废品的 条件:Δfb+Δt≤T
一次调整后存在的误差对这一批零件的影响是不变的。 但大批量加工中存在多次调 整,不可能每次完全相同。 对全部零件来说,每次调整 误差为偶然性误差。机床调 整误差可理解为零件尺寸分 布曲线中心的最大偏移量。 加工中不产生废品的 条件:Δfb+Δt≤T
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3.工艺系统的受力变形 (1)基本概念
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k系= Fy / y y = yFx+ yFy+ yFz 柔度 w= 1/ k
(1)工艺系统刚度 工艺系统抵抗变形的能力可用工艺系统刚度 k系来描述。 垂直作用于工件加工表面的径向切削分力Fy与工艺系统在 该方向上的变形y之间的比值,称为工艺系统刚度 k系 k系= Fy / y y = yFx+ yFy+ yFz 柔度 w= 1/ k (2)零件刚度 若零件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低,其变形 对加工精度影响比较大,最大变形量按材料力学公式估算。 长轴两顶尖装夹按简支梁计算,三爪卡盘装夹按悬臂梁计算
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(3)刀具刚度 (4)机床部件刚度 外圆刀具在加工表面法线方向上的刚度很大变形可忽略; 镗小孔刀杆刚度很差,变形对加工精度影响很大,刀杆变
形按材料力学公式估算。 (4)机床部件刚度 1)机床部件刚度 机床结构形状复杂,刚度计算主要通过实验方法来测定。 变形与载荷不成线性关系; 加载与卸载曲线不重合; 有残余变形存在;实际刚度比估算的小
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2)影响机床部件刚度的因素 ①结合面接触变形 接触表面间的名义压强的增量与接触变形的增量之比称为
接触刚度。零件表面越粗糙,形状误差越大,材料硬度低, 接触刚度越小。
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② 低刚度零件本身的变形 ③ 连接表面间的间隙 ④ 接触表面间的摩擦 变形滞后现象 ⑤ 受力方向及作用力矩 y 是Fx、Fy、Fz 综合结果
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k系= Fy / y系,k机= Fy / y机 , k夹= Fy / y夹 , k刀= Fy / y刀 , k工= Fy / y工
(5)工艺系统受力变形及其对加工精度的影响 1)工艺系统的变形 总变形 y系 = y机+ y夹+ y刀+ y工 k系= Fy / y系,k机= Fy / y机 , k夹= Fy / y夹 , k刀= Fy / y刀 , k工= Fy / y工 所以, k系= 1/(1/ k机+ 1/ k夹+ 1/ k刀+ 1/ k工) 工艺系统刚度比刚度最小环节的刚度还要差
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2)工艺系统受力变形对加工精度的影响 ①切削力位置的变化对加工精度的影响 设刀具工件刚度很大 总变形 y系= y刀架+ yx
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y主=FA/k主=Fy(l-x) /(l k主),y尾=FB /k尾=Fyx /(l k尾)
设刀具工件刚度很大 总变形 y系= y刀架+ yx y主=FA/k主=Fy(l-x) /(l k主),y尾=FB /k尾=Fyx /(l k尾) y系= y刀架+ yx=Fy 当x = 0时, y系= ?;当 x = l 时, y系= ? 当 x = k尾l /(k主+ k尾)时,y系min= Fy l y尾- y主 x yx- y主 = yx = y尾 x l l-x + y主 1 k刀架 + k主 k尾 x l 2 l-x 1 k刀架 + k主+ k尾 若工件刚性较差应考虑其变形,按简支梁计算 y工= y系= y刀架+yx+y工 Fy 3EI (l-x)2x2 l
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讨论: 1. 在 x 处工件半径 Rx=R+ y刀架+yx+y工 半径误差ΔR= Rx-R= y刀架+yx+y工= y系
误差和尺寸不一 3.若工件刚性大l/D≤5,可不考虑 y工, y系是 x 的二次函数 圆柱度误差 Δ= ymax- ymin 4. 若工件为细长轴刚性很差,系统变形主要是工 件变形,当 x=l/2时, y工max=Fyl3/(48EI)
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ε=Δ工 /Δ毛= C(ap1 –ap2) /(k系(ap1 – ap2))= C /k系
② 切削力大小变化对加工精度的影响 Δ毛 = ap1 – ap2 Δ工 = y1 – y2 误差复映系数ε=Δ工 /Δ毛 Fy=Cy f yapxHBSn =C apx ≈C ap Fy1= C (ap1 – y1 )≈ C ap1 Fy2= C (ap2 – y2 )≈ C ap2 Δ工 = y1 – y2=(Fy1- Fy2)/k系 = (C ap1 – C ap2) /k系 ε=Δ工 /Δ毛= C(ap1 –ap2) /(k系(ap1 – ap2))= C /k系
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讨论: ε=Δ工 /Δ毛= C /k系 ε总是小于1,有修正误差的能力 多次进给ε=ε1ε2ε3…
3. C减小, ε就越小,应采取减小Fy的措施
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③ 夹紧变形对加工精度的影响 工件刚性差(薄件、圆环)装夹不当会产生受力变形
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④机床部件、工件重量对加工精度的影响 ⑤其它作用力对加工精度的影响 统产生相应变形 3)减少工艺系统受力变形的途径 ① 减小切削力及其变化;
传动力(拨杆)、离心力改变方向会使工艺系 统产生相应变形 3)减少工艺系统受力变形的途径 ① 减小切削力及其变化; ② 提高系统中零件的配合质量; 缩短切削力作用点和支撑点的距离,设置辅 助支承提高部件刚度
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4.工艺系统的热变形 (1)工艺系统的热源 1)内部热源 包括切削热、摩擦热和派生热源 2)外部热源 包括环境温度、辐射热
工艺系统在各种热源的影响下会产生很复杂的变形, 导致工件产生加工误差 (1)工艺系统的热源 1)内部热源 包括切削热、摩擦热和派生热源 2)外部热源 包括环境温度、辐射热
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车镗轴套类零件圆柱面,长度及径向受热变形。
(2)工件热变形对加工精度的影响 1)工件均匀受热 车镗轴套类零件圆柱面,长度及径向受热变形。 若在受热时测量达到规定尺寸,冷却后尺寸变小, 可能出现尺寸超差。 2)工件不均匀受热 铣、刨、磨平面等,工件单面受热产生弯曲变形 磨削细长轴时工件温生逐渐增加
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(3)刀具热变形对加工精度的影响
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(4)机床热变形对加工精度的影响 主要是主轴部件、床身导轨及两者相对位置的热变形
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(5)热变形的控制 (1)减少发热和采取隔热; (2)强制冷却,均衡温度场; (3)从结构上采取措施减少热变形; (4)控制环境温度。
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5.工件内应力引起的变形 内应力产生的原因及消除措施 工件若产生内应力处于不稳定状态会逐渐变形
1、铸锻焊、热处理等因工件壁厚不均热胀冷缩不均及 金相组织变化等导致体积变化,毛坯产生内应力, 处于暂时平衡状态,切削时平衡状态被打破。 2、冷校直产生的内应力 可在热处理后进行时效 处理来消除残余应力。 常用人工时效、振动时 效和天然时效等方法。
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三、加工误差的统计分析 1. (1)加工误差的分类 1)系统误差 常值系统误差:原理机床刀夹量具制造调整误差
变值系统误差:机床刀具热变形、刀具磨损 2)随机误差: 误差复映定位夹紧操作误差内应力变形 对系统误差可循其规律加以调整或补偿来消除 对随机误差只能缩小其变动范围无法完全消除
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(2)正态分布 1)正态分布的数学模型、特征参数和特殊点 正态分布曲线方程 两个特征参数: 算术平均值 x 和标准偏差σ
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正态分布的特殊点 x 2) 标准正态分布 = 0,σ= 1 x x ① 处概率密度 函数有最大值 ② x= x±σ处 为拐点
① 处概率密度 函数有最大值 ② x= x±σ处 为拐点 x 2) 标准正态分布 = 0,σ= 1 实际生产中为非标准 正态分布需转换 令 z =(x- )/σ x x
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3) 工件尺寸在某区间内的概率 x 即图中阴影面积 可利用概率密度 积分表计算 工件尺寸落在 ±3σ范围内的概 率为 99.73%
若尺寸分布中心与 公差中心重合,不 产生废品的条件是:T ≥6σ Q废= 0.5 –φ(x) 若中心不重合存在常值系统误差Δ系,T ≥6σ+Δ系 x
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例:轴Φ20-0.1,σ= 0.025,xT = -ε(0.03) x 解:① 公差带中心 xT = 19.95 x x
求常值系统误差、随机误差,合格率、不合格率 x 解:① 公差带中心 xT = 19.95 ② 尺寸分布中心 = xT +ε= = 19.98 ③ 常值系统误差Δ系 = - xT =ε= 0.03 ④ 随机误差 6σ= 6× = 或±3σ=±0.075 x ⑤ 计算合格率、不合格率 6σ= 0. 15> T = 0.1, Cp=T /6σ= 0.1/0. 15 =0.67 工件极限尺寸 xmin= xA= 19.9 , xmax= xB= 20 zA =( - xA)/σ= ( )/0.025=3.2 ψ(zA)= zB =( xB - )/σ= ( )/0.025 = ψ(zB)= 合格率=ψ(zA)+ψ(zB)= = =78.741% 废品率 =0.069% =21.19% 可修复 x
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2. 工艺过程的分布图分析 (1)工艺过程的稳定性 (2)工艺过程分布图分析 1)样本容量的确定 通常取 n =50~200
指均值和标准差稳定不变的性能,取决于变值系统误差 (2)工艺过程分布图分析 制作分布图了解质量指标分布、加工能力、是否有废品 1)样本容量的确定 通常取 n =50~200 2)样本数据整理与计算 剔除异常数据,确定尺寸分散范围R、尺寸间隔数 j、 区间宽度Δx 3)绘制实际分布图 纵坐标为频数:同间隔尺寸工件数目
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x 5)工艺过程分布图分析 ① 判断加工误差性质 系统误差、随机误差 4)绘制理论分布图 纵坐标将概率密度转换成频数,分散范围±3σ
理论最大频数 f′max=ymaxn Δx 对应 x = 处 拐点处频数 f′σ= yσn Δx 对应 x = ±σ处 x 5)工艺过程分布图分析 ① 判断加工误差性质 系统误差、随机误差 ② 确定工序能力及等级 工序能力系数Cp指满足加工精度的程度 Cp=T /6σ ③ 确定不合格率
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(2)分布图分析法特点 1)采用大样本,较接近实际地反映工艺过程总体; 3)在全部样本加工后绘出曲线,不能反映先后顺
2)能将常值系统误差从误差中区分开; 3)在全部样本加工后绘出曲线,不能反映先后顺 序,不能将变值系统误差从误差中区分开; 4)不能及时提供工艺过程精度的信息,事后分析; 5)计算复杂,只适合工艺过程稳定的场合。 点图分析法 计算简单,能及时提供主动控制信息, 可用于稳定过程、也可用于不稳定过程。
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3. 工艺过程的点图分析 (1)逐点点图 (2)均值-极差点图 ③确定中心线 和 R 小样本组20 ~30 x x
依次测量每件尺寸记入横坐标为零件号纵为尺寸的图表中 (2)均值-极差点图 采用顺序小样本(4~6) ,由小样本均值点图和极差点 图组成,横坐标为小样本组序号。具体作法如下: ① 定期测小样本尺寸; ② 计算均值 和极差R: R =xmax- xmin ③确定中心线 和 R 小样本组20 ~30 ④确定上下控制线 ES 、EI 、UCL、LCL,定期描点 x x
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均值点图上下控制线的确定: 极差点图上下控制线的确定:
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均值点图反映了质量指标分布中心(系统误差)的变化
极差点图反映了质量指标分布范围(随机误差)的变化
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(3)均值-极差点图分析 生产过程不稳定的标志: 生产过程稳定的标志: ① 没有点子超出控制线;
② 大部分点在中线附近波动,小部分点在控制线附近; ③点子无明显规律性 生产过程不稳定的标志: ① 点子超出控制线或密集在控制线附近; ② 连续7点以上出现在中线一侧; ③ 明显规律性,如上升或下降倾向; ④ 点子有周期性波动
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根据点子分布情况及时查找原因采取措施 1.若极差R未超控制线,说明加工中瞬时尺寸分 布较稳定。 2.若均值有点超出控制线,甚至超出公差界限, 说明存在某种占优势的系统误差,过程不稳定。 若点图缓慢上升,可能是系统热变形;若点图 缓慢下降,可能是刀具磨损。 3.采取措施消除系统误差后,随机误差成主要因 素,分析其原因,控制尺寸分散范围。
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四、提高加工精度的途径 1. 消除或减小原始误差 如加工细长轴时易产生弯曲和振动,增大主偏角减小
背向力,使用跟刀架或中心架增加工件刚度。但在进给 力作用下,会因“压杆失稳”而被压弯;在切削热的作用 下,工件会变长,也将产生变形。 采取措施:采用反向进给的切削方法,使用弹性的 尾座顶尖。
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2. 转移原始误差 如镗孔时镗杆与主轴采用浮动连接,使用镗模将机床 误差转移到新装置上加以控制; 转塔刀架的转位误差转移到误差不敏感方向
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3. 误差分组法 4.误差补偿法 如精密孔轴配合将公差扩大加工再测量分组装配; 上道工序误差太大,将工件分组再分别调整加工
利用原有误差或制造误差来抵消原始误差。如龙门铣 床因铣削头自重产生下凹变形,刮研横梁导轨使上凸; 加工曲轴时前后刀架同时切削,径向力方向相反; 精磨磨床床身导轨预加载荷,用配重代替工作时的部件
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5. 就地加工(自干自) 6. 自动测量补偿、恒温控制等 机床零件装到工作位置上再精加工,消除误差影响。
如牛头刨、龙门刨工作台面装配在自身机床上进行 “自刨自”精加工,以保证对滑枕、横梁的平行度; 平面磨床工作台面在装配后作“自磨自”精加工; 在机床上修正卡盘平面的平直度,卡爪的同轴度 6. 自动测量补偿、恒温控制等
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