游标卡尺测量精度度的因素有哪些 2,简述所测机构的运动特点

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影响加工精度的主要因素
在机械加工中,由机床、夹具、刀具和工件组成工艺系统,零件在实际加工中,除了受工艺系统中机床、夹具、刀具制造精度影响外
第二节 影响加工精度的主要因素
在机械加工中,由机床、夹具、刀具和工件组成工艺系统,零件在实际加工中,除了受工艺系统中机床、夹具、刀具制造精度影响外,工艺系统还受到力和热的作用而产生加工误差。另外在加工方法上还可能有原理上的误差,所以,影响加工精度的因素主要有以下几个方面:加工原理误差;工艺系统的几何误差;工艺系统的受力变形;工艺系统的受热变形;加工过程中的其他误差。
一、加工原理误差
加工原理误差是指采用了近似的表面成形运动或者近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。例如,滚齿加工常常存在两种原理误差:一是刀刃轮廓近似造成误差,由于制造上的困难,常采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆滚刀代替渐开线蜗杆滚刀;二是由于滚刀刀齿数有限,所切成的齿轮的齿形实际上是一条折线,与理论上的渐开线比较,存在&齿形误差&。
在实际生产中,采用近似的表面成形运动或近似的刀刃轮廓进行加工,可以简化机床的结构和刀具的形状,降低生产成本,提高生产率,因此,将原理误差控制在允许的范围内是完全可行的。
一、工艺系统的几何误差
1.机床误差
机床误差包括机床制造误差、安装误差和磨损等。机床误差中的主轴回转误差、导轨误差和传动链误差对加工精庋影响较大。
(1)主轴回转误差主轴回转精度是机床的主要运动精度之一,主轴回转误差直接影响到工件的圆度以及端面对轴线的垂直度。在理想状态下,主轴回转轴线的空间位置是固定不变的。但由于各种误差因素的影响,实际上主轴回转轴线在每一瞬时的空间位置都是变化的。所谓主轴回转误差,就是主轴的实际回转轴线与理论回转轴线的变动量。
主轴回转误差可分解为图7-1所示的三种基本形式。
图7-1主轴回转误差的基本形式
a)轴向窜动b)径向跳动 e)角度摆动
1)轴向窜动(轴向漂移) 轴向窜动是指回转轴线在轴向的位置变化,如图7-la所示。加工端面时,轴向窜动会产生工件端面与内、外圆的垂直度误差。加工螺纹时,轴向窜动会使螺纹导程产生周期误差。
2)径向跳动(径向漂移) 径向跳动是指回转轴线绕平均轴线作平行的公转运动,所谓平均轴线是回转中心线不正确时的平均中心线,如图7-lb所示。车削外圆时,会产生圆柱度误差。
3)角度摆动(角度漂移) 角度摆动是指回转轴线绕平均轴线作不平行的公转运动,如图7-lc所示。它主要影响工件的形状精度,如车削外圆时的圆度和圆柱度误差。
应该指出:实际上的主轴回转误差是上述三种漂移运动的合成。
主轴回转误差产生的原因主要有主轴的制造误差、轴承的误差与轴承配合件的误差及配合间隙、主轴系统的径向不等刚度和热变形等。
为提高主轴的回转精度,可提高主轴部件的制造精度;采用高精度的滚动轴承或高精度的多油楔动压轴承和静压轴承,或对轴承进行预紧,以消除间隙;提高箱体支承孔、主轴轴颈的加工精度;使主轴的回转误差不反映到工件上去,如在外圆磨床上,采用定位与回转运动分开,即前后顶尖都不转动只起定位作用,这样就可避免头架主轴回转误差对加工精度的影响。
在生产现场,对于一般精度的主轴是用检验棒及千分表来测量主轴径向跳动和轴向窜动的,如图7-2所示。对于精度比较高的主轴,则多用位移传感器和高圆度的圆球来进行测量。
图7-2主轴回转精度的表测法
l-主轴2心棒3-钢球4-千分表
(2)导轨误差导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准,也是运动的基准,它的各项误差直接影响被加工工件的精度。导轨精度主要包括三个方面:
1)导轨在垂直平面内的直线度如图7-3所示。由于导轨在垂直穷向上存在误差,使刀尖位置下降了△z,工件在半径上的尺寸增大了△R,造成工件半径方向的误差△R。会雾,对零件的形状精度影响甚小。但对平面磨床、龙门刨床及铣床等,导轨在垂直面的直线度误差,会引起工件相对砂轮(刀具)的法向位移,其误差将直接反映到被加工零件上,造成形状误差。
图7-3导轨在垂直平面内的直线度对车削外圆的影响
2)导轨在水平面内的直线度 如图7-4所示,车床导轨在水平面内的直线度误差,将使刀尖在水平面内产生位移△y,造成工件在该处半径方向上产生误差AR',AR&:△y。当导轨向后凸出时,工件就产生鞍形加工误差。而当导轨向前凸出时,就产生鼓形加工误差。
图7-4导轨在水平面内的直线度误差对车削外圆的影响
3)导轨面间平行度 车床两导轨平行度产生误差(扭吐),使大溜板产生横向倾斜,刀具产生位移,因而引起工件的形状误差。
4)导轨对主轴轴心线平行度在车床类或磨床类机床上加工工件时,如果导轨与主轴轴心线不平行,则会引起工件的几何形状误差。例如车床导轨与主轴轴心线在水平面内不平行,会使工件的外圆柱表面产生锥度;在垂直平面内不平行时会产生马鞍形。
机床导轨精度与机床制造、安装、使用有关。机床安装时,若水平调整不好,会使床身产生扭曲,破坏导轨原有制造精度。使用过程中,由于导轨磨损不均匀,会使导轨产生直线度、扭曲度误差。因此,在设计时应从结构、材料、润滑方式、保护装置等方面采取相应的措施。在制造中应对床身毛坯充分时效处理,采取先进的加工工艺。在使用中要保证安装质量,细心维护,注意润滑,严格遵守操作规程。
(3)传动链误差对于某些加工方式,例如车螺纹(磨螺纹)、滚齿(磨齿)等,为了保证工件的加工精度,除了前述的因素外,还要求刀具和工件之间具有准确的传动比关系。
例如车削螺纹时,要求工件每转一转刀具走一个导程;在用单头滚刀滚齿时,要求漆刀每转一转工件转过一个齿等。这些成形运动间的传动比关系,是由机床本身的传动链来保证的。若传动链存在误差,在上述情况下,它是影响加工精度的主要因素。
2.刀具误差
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、单刃镗刀和平面铣刀等)的制造误差,对加工精度没有直接影响。
定尺寸刀具(如钻头、铰刀、拉刀等)的尺寸误差直接影响工件的尺寸精度。刀具的安装和使用不当,产生跳动,也将影响加工精度;成形刀具(如成形车刀、成形铣刀及齿轮刀具等)的制造和磨损误差主要影响工件的形状精度。
3.夹具误差
夹具误差主要包括:定位元件、刀具引导元件、分度机构、夹具体等的制造误差;夹具装配后,以上各种元件工作面间的位置误差;夹具在使用过程中工作表面的磨损;夹具使用中工件定位基面与定位元件工作表面间的位置误差。
夹具误差将直接影响加工表面的位置精度和尺寸精度。例如各定位支承板或支承钉的等高度误差将直接影响加工表面的位置精度;钻模上各钻套间的尺寸误差和平行度(或垂直度)误差将直接影响所加工孔系的尺寸精度和位置精度;镗模导向套的形状误差直接影响所加工孔的形状精度等。
夹具误差引起的加工误差在设计夹具耐可以进行分析计算。对已制成的夹具可以进行检测误差的大小。一般来说,夹具误差对加工表面的位置误差影响最大。
4.测量误差
在加工过程中,要使用各种量具、量仪进行检验测量,再根据测量结果对工件进行试切和调整机床。量具本身的制造误差、测量时的接触力、温度、目测正确程度等都直接影响加工精度。因此,要正确地选择和使用量具,以保证测量精度。
5.调整误差
在机械加工的每一工序中,应对机床、夹具和刀具进行调整。调整误差的来源,视不同的加工方法而定。
(1)试切法加工单件小批生产中,通常采用试切法加工。方法为:试切一测量一调整一再试切,直到加工合格为止。引起调整误差的因素有:
1)测量误差。
2)进给机构的位移误差。在试切中,总要微量调整进给量。在低速微量进给中,常出现&爬行&现象,从而造成加工误差。
3)试切与正式切削时,切削层厚度不同而产生误差。精加工时,试切的最后一刀很薄,切削刃只起挤压作用。但正式切削时的深度较大,切削刃不打滑,就会多切下一点,产生尺寸误差。
(2)调整法加工影响调整法加工精度的因素有:测量精度、调整精度、重复定位精度等。用定程机构调整时,调整精度取决于行程挡块、靠模及凸轮等机构的制造精度、刚度及其配合使用离合器、控制阀等的灵敏度。用样件或样板调整时,调整精度取决于样件或样板的制造、安装和对刀精度。
三、工艺泵统的受力变形
机械加工中,工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、惯性力等外力的作用下,会发生变形(弹性和塑性变形),破坏了刀具与工件间已调整好的相对位置,从而产生加工误差。
1.切削力作用点位置变化引起的加工误差
切削过程中,工艺系统的刚度随切削力作用点位置的变化而变化,引起系统变形的差异,使零件产生加工误差。
1)在两顶尖间车削粗而短的光轴时,由于工件刚度较大,其变形比机床、夹具和刀具的变形小得多,可忽略不计。此时,工艺系统的总变形完全取决于机床头、尾架(包括顶尖)和刀架(包括刀具)的变形,加工中工件将产生马鞍形圆柱度误差。
2)在两顶尖间车削细长轴时,工件的变形大大超过机床夹具和刀具的受力变形,此时工艺系统的变形完全取决于工件的变形,加工出的工件将产生腰鼓形圆柱度误差,如图7-5所示。
图7-5在车床顶尖间加工
3)工件装夹在卡盘上加工,这种装夹方式近似悬臂梁,工件末端变形最大,加工后的形状如图7-6所示。
4)工件装夹在卡盘上并用后顶尖支承,加工后的形状如图7-7所示。
2.切削力变化引起的加工误差
工件的毛坯外形虽然具有粗略的零件形状,但它的尺寸、形状以及表面层材料硬度均匀性都有较大的误差。毛坯的这堂误差在加工时使切削深度不断发生变化,从而导致切削力的变化,进而引起工艺系统产生相应的变形,使得零件在加工后还保留与毛坯表面类似的形状或尺寸误差。当然工件表面残留的误差比毛坯表面误差小得多,这种现象称为&误差复映规律&,所引起的加工误差称为&复映误差&。
图7-6在车床卡盘上加工
图7-7前端夹在卡盘上,后端用顶尖支承
3.惯性力和传动力引起的加工误差
高速旋转切削质量不平衡工件时,离心力Fo和背向力F,的方向,有时相同,有时相反,使工件产生圆度误差p,如图7―8所示。
在车床或磨床上加工轴类零件时,常采用单爪拨盘带动工件旋转。传动力F在拨盘的每一转中,经常改变方向,与背向力有时相同,有时相反,造成工件的圆度误差,如图7-9所示。
图7-8惯性力引起的加工误差
图7-9单爪拨盘传动力的影响
4.夹紧力和重力引起的加工误差
刚性较差的工件安装时,由于夹紧力方向和作用点不当,都会引起工件的相应变形,从而造成加工误差,如图7-10所示。图7-lOa中,连杆的夹紧变形将使钻出的孔与端面不垂直;图7-lOb中,夹紧力作用点处的变形较大,造成&多切&,松开后因工件弹性恢复而使镗出的孔不圆;图7-lOc中,夹紧力使工件底面抬起,造成加工后的顶面与底面不平行。
在工艺系统中,因零部件自重也会引起变形,造成加工误差。如图7-11所示为摇臂钻床的摇臂在主釉箱自重的作用下,所产生的变形。
5.减少工艺系统变形的途径
提高工艺系统刚度,减少受力变形,是保证加工质量的有效措施,一般有如下几个途径:
1)提高工艺系统中零件的配合质量,以提高接触刚度。
2)设置辅助支承以提高机床部件刚度。
3)缩小切削力作用点到支承面之间的距离,以提高工件刚度。
6.工件残余应力引起的变形
图7-10夹紧力引起的误差
a)钻连杆两头孔b)镗薄壁套孔 c)铣顶平面
残余应力是指当外部载荷去除后,仍残留在工件内部的应力。存在残余应力的工件处于一种不稳定的状态中,其内部组织在逐渐变化而使残余应力减小,在残余应力的变化过程中,会使零件发生变形,使原有的加工精度丧失,严重影响工件的精度。
残余应力的产生原因:铸、锻、焊等毛坯制造过程中及热处理时,由于工件各部分热胀冷缩不均匀以及金相组织变化时发生体积变化使工件毛坯产生很大的残余应力;切削加工中由于切削力和切削热的作用,使工件表面产生冷热塑性变形和金相组织的变化,从而使工件表面产生残余应力;工件在冷校直时产生残余应力。
为减少残余应力对加工精度的影响,可在毛坯制造及零件粗加工后进行时效处理来消除残余应力,常用的方法有人工时效、振动时效和自然时效等方法。
图7-11 自重引起的加工误差
四、工艺系统的热变形
在机械加工过程中,工艺系统因受热引起的变形称为热变形。工艺系统的热变形破坏了工件与刀具相对位置的准确性,造成加工误差。在精密加工中,热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%- 70%。
引起工艺系统热变形的热源有:切削热、机床运动部件的摩擦热和外界热泺的辐射和传导。
1.机床的热变形
在工作中,机床受各种热源的影响,各部件将产生不同程度的热变形,这样不仅破坏了机床的几何关系而且还影响各成形运动的位置关系和速比关系,从而降低了机床的加工精度。图7-12是几种机床在工作状态下热变形的趋势。
图7-12几种机床热变形的趋势
a)车床b)铣床c)平面磨床d)双端面磨床
对于车、铣、镗床类机床,其主要热源是主轴箱轴承和齿轮的摩擦热与主轴箱中油池的发热,使箱体和床身产生变形和翘曲,从而造成主轴的位移和倾斜;磨床类机床的主要热源为砂轮主轴轴承和液压系统的发热,引起砂轮架位移、工件头架位移和导轨的变形。
2.工件的热变形
工件受切削热的影响会产生热变形。有些大型精密零件还受环境温度的影响。在热膨胀下达到的加工尺寸,冷却收缩后会变小,甚至超差。工件受切削热影响,各部分温度不同,且随时间变化,切削区附近温度最高。开始切削时工件温度低,变形小;随着切削过程的进行,工件的温度逐渐升高,变形也就逐渐增大。
工件的热变形有两种情况:一种是均匀受热,如车、铣、镗、外圆磨等加工方法,它主要影响尺寸精度;另一种是不均匀受热,如平面铣、磨、刨等工序,工件单面受热,上下表面之间形成温差产生弯曲变形,这时主要影响几何形状精度。
3.刀具的热变形
切削时产生的切削热大部分被切屑带走,传给刀具的热量不多,但因刀具工作部分质量小、热容量小,所以热变形也较大,从而影响工件的加工精度。
刀具的热变形,一般影响工件的尺寸精度。但在加工某些工件时,也会影响工件的几何形状精度,如车削长轴外圆,或在立式车床上车削犬型平面。
一般情况下,在合理选择切削用量或刀具的几何角度、并给予充分冷却和润滑时,刀具的热变形对加工精度的影响并不明显。
五、工件内应力
1.毛坯制造中产生的内应力
在铸、锻、焊及热处理等热加工过程中,由于各部分热胀冷缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化,使毛坯内部产生了相当大的内应力。毛坯的结构越复杂、各部分的厚度越不均匀,散热的条件差别越大,毛坯内部产生的内应力也就越大。具有内应力的毛坯在短时间内还显示不出来,内应力暂时处于相对平衡状态。但当切去一层金属后,就打破了这种平衡,内应力重新分布,工件就明显地出现了变形。
图7-13a表示一个内外壁厚相差较大的铸件,在浇涛后的冷却过程中产生内应力的情况。当铸件冷却后,由于壁1和壁2比较薄,散热容易,所以冷却较快;壁3较厚,所以冷却较慢。当壁1和壁2由塑性状态冷却到弹性状态时(约在620℃),壁3的温度还比较高,尚处于塑性状态。所以壁1和壁2收缩时壁3不起阻挡变形的作用,铸件内部不产生应力。但当壁3也冷却到弹性状态时,壁1和壁2的温度已降低很多,收缩速度变得很慢,而这时壁3收缩较快,就受到壁l和壁2的阻碍。因此壁3就受到了拉应力。壁1和壁2受到压应力,形成了互相平衡的状态。如果在该铸件壁2上开一个缺口,如图所示,则壁2的压应力消失。铸件在壁3和壁l的作用下,3收缩,1伸长,发生弯曲变形,直到内应力重新分希达到新的平衡为止。推广到一般情况,各铸件都难免产生冷却不均匀而产生的内应力。铸件的外表面总比中心部分冷却得快。例如机床床身,为了提高导轨面的耐磨性,常采用局部激冷工艺,使它冷却更快一些,以获得较高的硬度,这样在床身内部所形成的内应力就更大,当粗加工刨去一层金属后,就像图7-13b中的铸件壁2上的开口一样,引起内应力的重新分布,产生弯曲变形,如图7-14所示。由于这个新的平衡过程需要较长的时间才能完成,因此尽管导轨经过精加工去除了这种变形的大部分,但床身内部组织还在继续转变,合格的导轨面渐渐地就失去了原有的精度。
图7-13铸件内应力引起的变化
图7-14床身内应力引起的变形
2.冷校直产生的内应力
丝杆一类的细长轴车削后,棒料在轧制中产生的内应力会重新分布,使轴产生弯曲变形。为了纠正这种弯曲变形,常采用冷校直。校直的方法是在弯曲的反方向加外力F(如图7-15a所示),在外力的作用下,工件内部的应力分布如图7-15b所示。在轴心线以上产生压应力(用负号表示),在轴心线以下产生拉应力(用正号表示)。在轴线和两条虚线之间,是弹性变形区域,在虚线以外是塑性变形区域。当外力F去除后,外层的塑性变形部分限止内部弹性变形的恢复,使内应力重新分布,如图7-15c所示。所以说,冷校直虽减少了弯曲,但工件仍处于不稳定状态,如再次加工,又将产生新的弯曲变形。因此高精度丝杆的加工,不允许校直,而是用多次人工时效来消除内应力。
3.切削(磨削)加工产生的内应力
切削(磨削)加工过程中,形成的力和热,可使被加工表面产生热塑性变形、冷塑性变形和金相组织发生变化,因而被加工工件的表面层便产生了内应力,进而影响工件的形状和尺寸精度。
4.减少或消除内应力的方法
在零件的结构设计中,应尽量减少零件各部分厚度尺寸间的差异,以减少铸、锻件毛坯在制造过程中产生的内应力。
为消除工件的内应力,应根据工件的精度要求,采用不同数量的消除内应力的专门工序,通常采用自然时效处理、人工时效处理和振动时效处理。
合理安排工艺过程也是消除和减少工件内应力的一种有效措施。例如粗精加工在不同的工序中进行,使粗加工后的工件有一定的时间让残余应力重新分布,以减少对加工精度的影响。对于精密零件,在加工过程中不允许进行冷校直等方法。
图7-15冷校直引起的内应力
(责任编辑: 佚名 )
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