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CNC加工中刀具的选择与切削用量的确定简介

点击次数:   更新时间:17/04/10 14:11:04     来源:www.bigidearegistry.com关闭分    享:

 选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容,它不仅影响数控机窗的加工效率,而且直接影响加工质量。CAD/CAM技术的发展,使得在数控加工中直接利用CAD的设计数据成为可能,特别是微机与数控机窗的联接,使得设计、工艺规划及编程的整个过程全部愉捌算机上完成,一般不需要输出专门的工艺文件。现在,许多CAD/CAM软件包选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容,它不仅影响数控机窗的加工效率,而且直接影响加工质量。CAD/CAM技术的发展,使得在数控加工中直接利用CAD的设计数据成为可能,特别是微机与数控机窗的联接,使得设计、工艺规划及编程的整个过程全部愉捌算机上完成,一般不需要输出专门的工艺文件。现在,许多CAD/CAM软件包都提供自动编程功能,这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题,比如,刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等,编程人员只要设置了有关的参数,就可以自动生成NC程序并传输至数控机窗完成加工。因此,数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的,这与普通机窗加工形成鲜明的对比,同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则,在编程时充分考虑数控加工的特点。本文对数控编程中必须面对的刀具选择和切削用量确定问题进行了探讨,给出了若干原则和建议,并对应该注意的问题进行了讨论。一、数控加工常用刀具的种类及特点数控加工刀具必须适应数控机窗高速、高效和自动化程度高的特点,一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要联接刀具并装在机窗动力头上,因此已逐渐标准化和系列化。数控刀具的分类有多种方法。根据刀具结构可分为:①整体式;②镶嵌式,采用焊接或机夹式连接,机夹式又可分为不转位和可转位两种;③特殊型式,如复合式刀具,减震式刀具等。根据制造刀具所用的材料可分为:①高速钢刀具;②硬质合金刀具;③金刚石刀具;④其他材料刀具,如立方氮化硼刀具,陶瓷刀具等。从切削工艺上可分为:①车削刀具,分外圆、内孔、螺纹、切割刀具等多种;②钻削刀具,包括钻头、铰刀、丝锥等;③镗削刀具;④铣削刀具等。为了适应数控机窗对刀具耐用、稳定、易调、可换等的要求,近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用,在数量上达到整个数控刀具的30%~40%,金属切除量占总数的80%~90%。数控刀具与普通机窗上所用的刀具相比,有许多不同的要求,主要有以下特点: ⑴刚性好(尤其是粗加工刀具),精度高,抗振及热变形小; ⑵互换性好,便于快速换刀; ⑶寿命高,切削性能稳定、可靠; ⑷刀具的尺寸便于调整,以减少换刀调整时间; ⑸刀具应能可靠地断屑或卷屑,以利于切屑的排除; ⑹系列化,标准化,以利于编程和刀具管理。二、数控加工刀具的选择刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机窗的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是:安装调整方便,刚性好,耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下,尽量选择较短的刀柄,以提高刀具加工的刚性。选取刀具时,要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中,平面零件周边轮廓的加工,常采用立铣刀;铣削平面时,应选硬质合金刀片铣刀;加工凸台、凹槽时,选高速钢立铣刀;加工毛坯表面或粗加工孔时,可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀;对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工,常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。在进行自由曲面加工时,由于球头刀具的端部切削速度为零,因此,为保证加工精度,切削行距一般取得很能密,故球头常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀,因此,只要在保证不过切的前提下,无论是曲面的粗加工还是精加工,都应优先选择平头刀。另外,刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大,必须引起注意的是,在大多数情况下,选择好的刀具虽然增加了刀具成本,但由此带来的加工质量和加工效率的提高,则可以使整个加工成本大大降低。凿坝工中心上,各种刀具分别装在刀库上,按程序规定随时进行选刀和换刀动作。因此必须采用标准刀柄,以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具,迅速、准确地装到机窗主轴或刀库上去。编程人员应了解机窗上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围,以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。目前我国的加工中心采用TSG工具系统,其刀柄有直柄(三种规格)和锥柄(四种规格)两种,共包括16种不同用途的刀柄。在经济型数控加工中,由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行,占用辅助时间较长,因此,必须合理安排刀具的排列顺序。一般应遵循以下原则:①尽量减少刀具数量;②一把刀具装夹后,应完成其所能进行的所有加工部位;③粗精加工的刀具应分开使用,即使是相同尺寸规格的刀具;④先铣后钻;⑤先进行曲面精加工,后进行二维轮廓精加工;⑥在可能的情况下,应尽可能利用数控机窗的自动换刀功能,以提高生产效率等。三、数控加工切削用量的确定合理选择切削用量的原则是,粗加工时,一般以提高生产率为主,但也应考虑经济性和加工成本;半精加工和精加工时,应在保证加工质量的前提下,兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机窗说明书、切削用量手册,并结合经验而定。 ⑴切削深度t。在机窗、工件和刀具刚度允许的情况下,t就等愉坝工余量,这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表面粗糙度,一般应留一定的余量进行精加工。数控机窗的精加工余量可略小于普通机窗。 ⑵切削宽度L。一般L与刀具直径d成正比,与切削深度成反比。经济型数控加工中,一般L的取值范围为:L=(0.6~0.9)d。提高v也是提高生产率的一个措施,但v与刀具耐用度的关系比较密切。随着v的增大,刀具耐用度急剧下降,故v的选择主要取决于刀具耐用度。另外,切削速度与加工材料也有很大关系,例如用立铣刀铣削合金刚30CrNi2MoVA时,v可采用8m/min左右;而用同样的立铣刀铣削铝合金时,v可选200m/min以上。 ⑷主轴转速n(r/min)。主轴转速一般根据切削速度v来选定。计算公式为:式中,d为刀具或工件直径(mm)。数控机窗的控制面板上一般备有主轴转速修调(倍率)开关,可凿坝工过程中对主轴转速进行整倍数调整。 ⑸进给速度vF 。vF应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。vF的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时,vF可选择得大些。凿坝工过程中,vF也可通过机窗控制面板上的修调开关进行人工调整,但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。随着数控机窗在生产实际中的广泛应用,数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。在数控程序的编制过程中,要在人机交互状态下即时选择刀具和确定切削用量。因此,编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则,从而保证零件的加工质量和加工效率,充分发挥数控机窗的优点,提高企业的经济效益和生产水平。 高速铣削冷却方式的合理选择新闻摘要:随着绿色制造技术在切削加工中的应用,在高速铣削加工中采用压缩空气冷却取代切削液冷却已成为一种不错的选择。但是,对于具体的高速铣削加工任务,选用何种冷却方式更为恰当,则应根据不同的加工目的和被加工材料仔细加以权衡,以获得最佳的加工效果。以下是选择冷却方式时需要考虑的四个主要工艺因素。 (1)工件材料的硬随着绿色制造技术在切削加工中的应用,在高速铣削加工中采用压缩空气冷却取代切削液冷却已成为一种不错的选择。但是,对于具体的高速铣削加工任务,选用何种冷却方式更为恰当,则应根据不同的加工目的和被加工材料仔细加以权衡,以获得最佳的加工效果。以下是选择冷却方式时需要考虑的四个主要工艺因素。(1)工件材料的硬度如果工件材料的硬度≥42HRC,选择压缩空气冷却通常可获得更佳的效果。高速铣削高硬度材料的加工特点为:①切削温度很高;②切屑在冷作硬化作用下会变得比母体材料更硬。切削此类材料时,如果采用切削液冷却,可能会使刀具承受间歇性升温-冷却造成的热冲击,温度的剧烈变化容易引起硬质合金切削刃碎裂。反之,如果采用压缩空气冷却,不仅可使刀具温度保持恒定,而且可将切屑吹离切削区,避免因高硬度切屑的二次切削(re-cutting)作用对刀具造成损坏。(2)工件材料的种类如果工件材料的硬度<42HRC,则应根据工件材料的种类确定选用何种冷却方式。在高速铣削粘性材料(如铝、软性不锈钢等)时,通常需要选用切削液冷却。切削液可对刀具起到润滑作用,且可使切屑易于向上滑出容屑槽并与刀具后角分离。而在高速铣削大多数模具钢(如P20,H13,S7,NAK55,D2等)时,压缩空气冷却可能是正确的选择。如果凿坝工中发现工件材料与刀具发生粘连现象,则可能提示需要采用切削液;但也可能提示需要选用不同的刀具涂层。(3)刀具涂层氮碳化钛(TiCN)涂层和氮铝钛(TiAlN)涂层是高速铣削模具钢时最常用的两种刀具涂层。球头铣刀在低于800sfm的切削速度下铣削硬度小于42HRC的工件材料(或圆铣刀在低于600sfm的切削速度下铣削相同材料)时,刀具采用TiCN涂层较为合适。如果被加工材料的硬度或切削速度高于上述切削参数范围,则最好选用TiAlN涂层。 TiCN涂层对切削液冷却具有很好的适应性。虽然切削温度的剧烈变化仍有可能引起硬质合金切削刃碎裂,但在上述切削参数范围内进行加工,一般不会产生足以引起热冲击危险的切削高温。反之,高温切削性能较好的TiAlN涂层不太适合切削液冷却。这种涂层在进行高温切削时,可在涂层外表面形成一层坚硬而光滑的氧化铝层,有助于提高刀具的切削性能。(事实上,美国Millstar公司开发的“Exalon”TiAlN涂层的高温切削性能更为先进,这种TiAlN涂层的外面又增加了一层固体润滑层,可使切屑更易于沿着刀究?削刃滑离。)石墨电极工件的铣削加工对刀具涂层的要求一般不太严格,选用TiAlN涂层或金刚石涂层均可。虽然这两种涂层采用压缩空气冷却即可获得很好的切削效果,但许多加工车间仍然愿意使用切削液,这是因为切削液有助于清除加工中产生的粉尘。(4)表面光洁度要求用球头铣刀进行高速铣削时,为了获得较高的工件表面光洁度,可能需要采用切削液冷却。由于球头铣刀端部的切削速度为零,采用切削液可起到很好的润滑作用。当用典型的球头铣刀进行微进给精铣加工时,位于铣刀端部低速切削区域的工件材料可能会卡在“横刃(web)”内。处于红热状态的残留材料被刀具拖曳着划过工件,并可能熔焊在工件表面,从而破坏工件的表面光洁度。(为解决这一问题,某些具有球形轮廓的机夹刀片式铣刀,如美国Millstar公司的“Super Finisher”刀片,可通过改进刀片的设计消除这种“横刃”。)切削液通过对刀具和工件的润滑作用,可以减小切屑熔焊现象的影响,获得较高的表面光洁度。基于这种考虑,即使在使用TiAlN涂层刀具的加工场合,也应采用切削液冷却方式。虽然刀具寿命可能因此而缩短,但有时为了达到表面光洁度要求,有必要牺牲部分刀具寿命。摘自《工具展望》 机械加工表面质量机械零件的破坏,一般总是从表面层开始的。产品的性能,尤其是它的可靠性和耐久性,在很大程度上取决于零件表面层的质量。研究机械加工表面质量的目的就是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律,以便运用这些规律来控制加工过程,最终达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。一、机械加工表面质量对机器使用性能的影响(一)表面质量对耐磨性的影响表面粗糙度对耐磨性的影响一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间,最初阶段只在表面粗糙的的峰部接触,实际接触面积远小于理论接触面积,在相互接触的峰部有非常大的单位应力,使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏,引起严重磨损。零件磨损一般可分为三个阶段,初期磨损阶段、正常磨损阶段和剧烈磨损阶段。表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小,其磨损性愈好。但表面粗糙度值太小,润滑油不易储存,接触面之间容易发生分子粘接,磨损反而增加。因此,接触面的粗糙度有一个最佳值,其值与零件的工作情况有关,工作载荷加大时,初期磨损量遇大,表面粗糙度最佳值也加大。表面冷作硬化对耐磨性的影响加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高,故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高,耐磨性就愈高,这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松,甚至出现裂纹和表层金属的剥落,使耐磨性下降。(二)表面质量对疲劳强度的影响金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面和表面冷硬层下面,因此零件的表面质量对疲劳强度影响很大。表面粗糙度对疲劳强度的影响在交变载荷作用下,表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中,产生疲劳裂纹。表面粗糙度值愈大,表面的纹痕愈深,纹底半径愈小,抗疲劳破坏底能力就愈差。残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响余应力对零件疲劳强度的影响很大。表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大,加速疲劳破坏;而表面层残余应力能够阻止疲劳裂纹的扩展,延缓疲劳破坏的产生表面冷硬一般伴有残余应力的产生,可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展,对提高疲劳强度有利。(三)表面质量对耐蚀性的影响零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大,则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂,降低零件的耐磨性,而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。(四)表面质量对配合质量的影响表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对愉颁隙配合,粗糙度值大会使磨损加大,间隙增大,破坏了要求的配合性质。对于过盈配合,装配过程中一部分表面凸峰被挤平,实际过盈量减小,降低了配合件间的连接强度。二、影响表面粗糙度的因素(一)切削加工影响表面粗糙度的因素刀具几何形状的复映刀具相对于工件作进给运动时,凿坝工表面留下了切削层残留面积,其形状时刀具几何形状的复映。减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径,均可减小残留面积的高度。此外,适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度,合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成,也是减小表面粗糙度值的有效措施。工件材料的性质加工塑性材料时,由刀具对金属的挤压产生了塑性变形,加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用,使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好,金属的塑性变形愈大,加工表面就愈粗糙。加工脆性材料时,其切屑呈碎粒状,由于切屑的崩碎而凿坝工表面留下许多麻点,使表面粗糙。切削用量(二)磨削加工影响表面粗糙度的因素正像切削加工时表面粗糙度的形成过程一样,磨削加工表面粗糙度的形成也时由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。影响磨削表面粗糙的主要因素有:砂轮的粒度砂轮的硬度砂轮的修整磨削速度冷却润滑液磨削径向进给量与光磨次数工件圆周进给速度与轴向进给量三、影响加工表面层物理机械性能的因素在切削加工中,工件由于受到切削力和切削热的作用,使表面层金属的物理机械性能产生变化,最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重,因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。(一)表面层冷作硬化冷作硬化及其评定参数机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形,使晶格扭曲、畸变,晶粒间产生剪切滑移晶粒被拉长和纤维化,甚至破碎,这些都会使表面层金属的硬度和强度提高,这种现象称为冷作硬化(或称为强化)。表面层金属强化的结果,会增大金属变形的阻力,减小金属的塑性,金属的物理性质也会发生变化。被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态,只有一有可能,金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化,这种现象称为弱化。弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用,因此,加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。评定冷作硬化的指标有三项,即表层金属的显微硬度HV、硬化层深度h和硬化程度N。影响冷作硬化的主要因素切削刃钝圆半径增大,对表层金属的挤压作用增强,塑性变形加剧,导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大,后刀面与被加工表面的摩擦加剧,塑性变形增大,导致冷硬增强。切削速度增大,刀具与工件的作用时间缩短,使塑性变形扩展深度减小,冷硬层深度减小。切削速度增大后,切削热在工件表面层上的作用时间也缩短乐,将使冷硬程度增加。进给量遇大,切削力也增大,表层金属的塑性变形加剧,冷硬作用加强。工件材料的塑性愈大,冷硬现象就愈严重。(二)表面层材料金相组织变化当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后,表层金属的金相组织将会发生变化。磨削烧伤当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时,表层金属发生金相组织的变化,使表层金属强度和硬度降低,并伴有残余应力产生,甚至出现微观裂纹,这种现象称为磨削烧伤。在磨削淬火钢时,可能产生以下三种烧伤:回火烧伤如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度,但已超过马氏体的转变温度,工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织(索氏体或托氏体),这种烧伤称为回火烧伤。淬火烧伤如果磨削区温度超过了相变温度,再加上冷却液的急冷作用,表层金属发生二次淬火,使表层金属出现二次淬火马氏体组织,其硬度比原来的回火马氏体的高,在它的下层,因冷却较慢,出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织(索氏体或托氏体),这种烧伤称为淬火烧伤。退火烧伤如果磨削区温度超过了相变温度,而磨削区域又无冷却液进入,表层金属将产生退火组织,表面硬度将急剧下降,这种烧伤称为退火烧伤。改善磨削烧伤的途径磨削热是造成磨削烧伤的根源,故改善磨削烧伤由两个途径:一是尽可能地减少磨削热地产生;二是改善冷却条件,尽量使产生地热量少传入工件。正确选择砂轮合理选择切削用量改善冷却条件(三)表面层残余应力产生残余应力的原因切削时凿坝工表面金属层内有塑性变形发生,使表面金属的比容加大由于塑性变形只在表层金属中产生,而表层金属的比容增大,体积膨胀,不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止,因此就在表面金属层产生了残余应力,而在里层金属中产生残余拉应力。切削加工中,切削区会有大量的切削热产生不同金相组织具有不同的密度,亦具有不同的比容如果表面层金属产生了金相组织的变化,表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍,因而就有残余应力产生。零件主要工作表面最终工序加工方法的选择零件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要,因为最终工序在该工作表面留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。选择零件主要工作表面最终工序加工方法,须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式。在交变载荷作用下,机器零件表面上的局部微观裂纹,会因拉应力的作用使原生裂纹扩大,最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑,该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。机械加工精度的概念概述 1. 加工精度与加工误差加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。实际加工不可能做得与理想零件完全一致,总会有大小不同的偏差,零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度,称为加工误差。 2.加工经济精度由于凿坝工过程中有很多因素影响加工精度,所以同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的。任何一种加工方法,只要精心操作,细心调整,并选用合适的切削参数进行加工,都能使加工精度得到较大的提高,但这样会降低生产率,增加加工成本。加工误差δ与加工成本C成反比关系。某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个确定值,而应理解为一个范围,在这个范围内都可以说是经济的。 3. 原始误差由机窗、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统(简称工艺系统)会有各种各样的误差产生,这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式(或扩大、或缩小)反映为工件的加工误差。工艺系统的原始误差主要有工艺系统的几何误差、定位误差、工艺系统的受力变形引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的加工误差、工件内应力重新分布引起的变形以及原理误差、调整误差、测量误差等。 4.研究机械加工精度的方法 a) 研究机械加工精度的方法分析计算法和统计分析法。 b) 采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动 二、工艺系统集合误差 1.机窗的几何误差加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机窗完成的,因此,工件的加工精度在很大程度上取决于机窗的精度。机窗制造误差对工件加工精度影响较大的有:主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。机窗的磨损将使机窗工作精度下降。主轴回转误差机窗主轴是装夹工件或刀具的基准,并将运动和动力传给工件或刀具,主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度。主轴回转误差是指主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。它可分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种基本形式。产生主轴径向回转误差的主要原因有:主轴几段轴颈的同轴度误差、轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴绕度等。但它们对主轴径向回转精度的影响大小随加工方式的不同而不同。譬如,在采用滑动轴承结构为主轴的车窗上车削外圆时,切削力F的作用方向可认为大体上时不变的,见右图,在切削力F的作用下,主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触,此时主轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大,而轴承内径的圆度误差对主轴径向回转精度的影响则不大;在镗窗上镗孔时,由于切削力F的作用方向随着主轴的回转而回转,在切削力F的作用下,主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触,因此,轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大,而主轴颈圆度误差的影响则不大。图中的δd表示径向跳动量。产生轴向窜动的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。不同的加工方法,主轴回转误差所引起的的加工误差也不同。在车窗上加工外圆和内孔时,主轴径向回转误差可以引起工件的圆度和圆柱度误差,但对加工工件端面则无直接影响。主轴轴向回转误差对加工外圆和内孔的影响不大,但对所加工端面的垂直度及平面度则有较大的影响。在车螺纹时,主轴向回转误差可使被加工螺纹的导程产生周期性误差。适当提高主轴及箱体的制造精度,选用高精度的轴承,提高主轴部件的装配精度,对高速主轴部件进行平衡,对滚动轴承进行预紧等,均可提高机窗主轴的回转精度。导轨误差导轨是机窗上确定竿氟窗部件相对位置关系的基准,也是机窗运动的基准。车窗导轨的精度要求主要有以下三个方面:在水平面内的直线度;在垂直面内的直线度;前后导轨的平行度(扭曲)。卧式车窗导轨在水平面内的直线度误差△1将直接反映在被加工工件表面的法线方向(加工误差的敏感方向)上,对加工精度的影响最大。卧式车窗导轨在垂直面内的直线度误差△2可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差。但△2对加工精度的影响要比△1小得多。由右图2可知,若因△2而使刀尖由a下降至b,不难推得工件半径R的变化量。当前后导轨存在平行度误差(扭曲)时,刀架运动时会产生摆动,刀尖的运动轨迹是一条空间曲线,使工件产生形状误差。由右图可见,当前后导轨有了扭曲误差△3之后,由几何关系可求得△y≈(H/B)△3。一般车窗的H/B≈2/3,车窗前后导轨的平行度误差对加工精度的影响很大。卧式车窗导轨直线度误差卧式车窗导轨垂直面内直线度误差对加工精度的影响卧式车窗导轨扭曲对加工精度的影响除了导轨本身的制造误差外,导轨的不均匀磨损和安装质量,也使造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机窗精度下降的主要原因之一。传动链误差传动链误差是指传动链始末两端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。工件凿靶具中装夹示意图 2.刀具的几何误差刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。采用定尺寸刀具成形刀具展成刀具加工时,刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度;而对一般刀具(如车刀等),其制造误差对工件加工精度无直接影响。任何刀具在切削过程中,都不可避免地要产生磨损,并由此引起工件尺寸和形状地改变。正确地选用刀具材料和选用新型耐磨地刀具材料,合理地选用刀具几何参数和切削用量,正确地刃磨刀具,正确地采用冷却液等,均可有效地减少刀具地尺寸磨损。必要时还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿。 3.夹具的几何误差夹具的作用时使工件相当于刀具和机窗具有正确的位置,因此夹具的制造误差对工件的加工精度(特别使位置精度)有很大影响。如右图钻窗夹具中,钻套轴心线f至夹具定位平面c间的距离误差,影响工件孔a至底面B尺寸L的精度;钻套轴心线f至夹具定位平面c间的平行度误差,影响工件孔轴心线a至底面B的平行度;夹具定位平面c与夹具体底面d底的垂直度误差,影响工件孔轴心线a与底面B间的尺寸精度和平行度;钻套孔的直径误差亦将影响工件孔a至底面B的尺寸精度和平行度。三、定位误差定位误差是指一批工件采用调整法加工时因定位不正确而引起的尺寸或位置的最大变动量。定位误差由基准不重合误差和定位副制造不准确误差造成。 a) 零件图 b) 加工f面 c) 加工g面方案Ⅰ d) 加工g面方案Ⅱ 基准不重合误差分析示例 1.基准不重合误差在零件图上用来确定某一表面尺寸、位置所依据的基准称为设计基准。在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依据的基准称为工序基准。一般情况下,工序基准应与设计基准重合。在机窗上对工件进行加工时,须选择工件上若干几何要素作为加工时的定位基准(或测量基准),如果所选用的定位基准(或测量基准)与设计基准不重合,就会产生基准不重合误差。基准不重合误差等于定位基准相对于设计基准在工序尺寸方向上的最大变动量。图示零件,设e面已加工好,今在铣窗上用调整法加工f面和g面。凿坝工f面时若选e面为定位基准,则f面的设计基准和定位基准都是e面,基准重合,没有基准不重合误差,尺寸A的制造公差为TA。加工g面时,定位基准有两种不同的选择方案,一种方案(方案Ⅰ)加工时选用f面作为定位基准,定位基准与设计基准重合,没有基准不重合误差,尺寸B的制造公差为TB;但这种定位方式的夹具结构复杂,夹紧力的作用方向与铣削力方向相反,不够合理,操作也不方便。另一种方案(方案Ⅱ)是选用e面作为定位基准来加工g面,此时,工序尺寸C是直接得到的,尺寸B是间接得到的,由于定位基准e与设计基准f不重合而给g面加工带来的基准不重合误差等于设计基准f面相对于定位基准e面在尺寸B方向上的最大变动量TA。定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差,只有在采用调整法加工时才会产生,在试切法加工中不会产生。 a) 孔和定位心轴不存凿颁隙时 b) 孔和定位心轴存凿颁隙时由定位副制造不准确引起的误差 2.定位副制造不准确误差工件凿靶具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。夹具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得绝对准确,它们得实际尺寸(或位置)都允许在分别规定得公差范围内变动。同时,工件上的定位基准面也会有制造误差。工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副,由于定位副制造得不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量,称为定位副制造不准确误差。右图所示工件的孔装夹在水平放置的心轴上铣削平面,要求保证尺寸h,由于定位基准与设计基准重合,故无基准不重合误差;但由于工件的定位基面(内孔D)和夹具定位元件(心轴d1)皆有制造误差,如果心轴制造得刚好为d1min,而工件得内孔刚好为Dmax(如图示),当工件在水平放置得心轴上定位时,工件内孔与心轴在P点接触,工件实际内孔中心得最大下移量△ab=(Dmax-d1min)/2,△ab就是定位副制造不准确而引起的误差。基准不重合误差的方向和定位副制造不准确误差的方向可能不相同,定位误差取为基准不重合误差和定位副制造不准确误差的矢量和。四、工艺系统受力变形引起的误差 a) 车细长轴 b) 磨内圆受力变形对工件精度的影响 1.基本概念机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下,会产生相应的变形,从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置,使工件的加工精度下降。如右图a示,车细长轴时,工件在切削力的作用下会发生变形,使加工出的轴出现中间粗两头细的情况;又如在内圆磨窗上进行切入式磨孔时,右图b,由于内圆磨头轴比较细,磨削时因磨头轴受力变形,而使工件孔呈锥形。垂直作用于工件加工表面(加工误差敏感方向)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 式中的变形y不只是由径向切削分力Fy所引起,垂直切削分力Fz与走刀方向切削分力Fx也会使工艺系统在y方向产生变形,故 y=yFx+yFy+yFz 2.工件刚度工艺系统中如果工件刚度相对于机窗、刀具、夹具来说比较低,在切削力的作用下,工件由于刚度不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大,其最大变形量可按澳料力学有关公式估算。 3.刀具刚度外圆车刀凿坝工表面法线(y)方向上的刚度很大,其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔,刀杆刚度很差,刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。刀杆变形也可以按澳料力学有关公式估算。 4.机窗部件刚度机窗部件刚度机窗部件由许多零件组成,机窗部件刚度迄今尚无合适的简易计算方法,目前主要还是用实验方法来扳定机窗部件刚度。分析实验曲线可知,机窗部件刚度具有以下特点:变形与载荷不成线性关系;加载曲线和卸载曲线不重合,卸载曲线滞后愉坝载曲线。两曲线线间所包容的面积就是载加载和卸载循环中所损耗的能量,它消耗于摩擦力所作的功和接触变形功;第一次卸载后,变形恢复盎到第一次加载的起点,这说明有残余变形存在,经多次加载卸载后,加载曲线起点才和卸载曲线终点重合,残余变形才逐渐减小到零;机窗部件的实际刚度远比我们按实体估算的要小。影响机窗部件刚度的因素结合面接触变形的影响摩擦力的影响低刚度零件的影响间隙的影响 5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响在机械加工过程中,机窗、夹具、刀具和工件在切削力作用下,都将分别产生变形y机、y夹、y刀、y工,致使刀具和被加工表面的相对位置发生变化,使工件产生加工误差。工艺系统刚度的倒数等于其各组成部分刚度的倒数和。工艺系统刚度对加工精度的影响主要有以下几种情况:由于工艺系统刚度变化引起的误差由于切削力变化引起的误差毛坯形状误差的复映加工过程中,由于工件的加工余量发生变化工件材质不均等因素引起的切削力变化,使工艺系统变形发生变化,从而产生加工误差。若毛坯A有椭圆形状误差(如右图)。让刀具调整到图上双点划线位置,由图可知,在毛坯椭圆长轴方向上的背吃刀量为ap1,短轴方向沙国内的背吃刀量为ap2。由于背吃刀量不同,切削力不同,工艺系统产生的让刀变形也不同,对应于ap1产生的让刀为y1,对应于ap2产生的让刀为y2故加工出来的工件B仍然存在椭圆形状误差。由于毛坯存在圆度误差△毛=ap1-ap2,因而引起了工件的圆度误差△工=y1-y2,且△毛愈大,△工愈大,这种现象称为加工过程中的毛坯误差复映现象。△工与△毛之比值ε称为误差复映系数,它是误差复映程度的度量。尺寸误差(包括尺寸分散)和形状误差都存在复映现象。如果我们知道了某加工工序的复映系数,就可以通过测量毛坯的误差值来估算加工后工件的误差值。由愉靶紧变形引起的误差工件在装夹过程中,如果工件刚度较低或夹紧力的方向和施力点选择不当,将引起工件变形,造成相应的加工误差。其它作用力的影响 6.减小工艺系统受力变形的途径由前面对工艺系统刚度的论述可知,若要减少工艺系统变形,就应提高工艺系统刚度,减少切削力并压缩它们的变动幅值。提高工艺系统刚度提高工件和刀具的刚度提高机窗刚度采用合理的装夹方式和加工方式减小切削力及其变化合理地选择刀具材料,增大前角和主偏角,对工件材料进行合理的热处理以改善材料地加工性能等,都可使切削力减小。五、工艺系统受热变形引起的误差工艺系统热变形对加工精度的影响比较大,特别是在精密加工和大件加工中,由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%~70%。机窗、刀具和工件受到各种热源的作用,温度会逐渐升高,同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时,工艺系统就达到了热平衡状态。 1.工艺系统的热源——内部热源和外部热源 2.减小工艺系统热变形的途径减少发热和隔热改善散热条件均衡温度场改进机窗结构加快温度场的平衡控制环境温度六、内应力重新分布引起的误差 1.基本概念没有外力作用而存在于零件内部的应力,称为内应力。工件上一旦产生内应力之后,就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态,它本能地要向低能位的稳定状态转化,并伴随有变形发生,从而使工件丧失原有的加工精度。 2.内应力的产生热加工中内应力的产生铸件因内应力而引起的变形在热处理工序中由于工件壁厚不均匀、冷却盎均、金相组织的转变等原因,使工件产生内应力。图示一个内外壁厚相差较大的铸件。浇铸后,铸件将逐渐冷却至室温。由于壁1和壁2比较薄,散热较易,所以冷却比较快。壁3比较厚,所以冷却比较慢。当壁1和壁2从塑性状态冷到弹性状态时,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,铸件内部不产生内应力。但当壁3也冷却到弹性状态时,壁1和壁2的温度已经降低很多,收缩速度变得很慢。但这时壁3收缩较快,就受到了壁1和壁2的阻碍。因此,壁3受拉应力的作用,壁1和2受压应力作用,形成了相互平衡的状态。如果在这个铸件的壁1上开一个口,则壁1的压应力消失,铸件在壁3和2的内应力作用下,壁3收缩,壁2伸长,铸件就发生弯曲变形,直至内应力重新分布达到新的平衡为止。推广到一般情况,各种铸件都难免产生冷却盎均匀而形成的内应力,铸件的外表面总比中心部分冷却得快。特别是有些铸件(如机窗窗身),为了提高导轨面的耐磨性,采用局部激冷的工艺使它冷却更快一些,以获得较高的硬度,这样在铸件内部形成的内应力也就更大些。若导轨表面经过粗加工剥去一些金属,这就象在图中的铸件壁1上开口一样,必将引起内应力的重新分布并朝着建立新的应力平衡的方向产生弯曲变形。为了克服这种内应力重新分布而引起的变形,特别是对大型和精度要求高的零件,一般在铸件粗加工后安排进行时效处理,然后再作精加工。冷校直产生的内应力校直引起的内应力丝杠一类的细长轴经过车削以后,棒料在轧制中产生的内应力要重新分布,产生弯曲,如右图示。冷校直就是在原有变形的相反方向加力F,使工件向反方向弯曲,产生塑性变形,以达到校直的目的。在F力作用下,工件内部的应力分布如图b所示。当外力F去除以后,弹性变形部分本来可以完成恢复而消失,但因素心变形部分恢复盎了,内外层金属就起了互相牵制的作用,产生了新的内应力平衡状态,如图c所示,所以说,冷校直后的工件虽然减少了弯曲,但是依然处于不稳定状态,还会产生新的弯曲变形。 3.减小内应力变形误差的途径改进零件结构——设计零件时,尽量做到壁厚均匀,结构对称,以减少内应力的产生。增设消除内应力的热处理工序合理安排工艺过程——粗加工和精加工宜分阶段进行,使工件在粗加工后有一定的时间来松弛内应力。七、提高加工精度的途径减小原始误差转移原始误差均分原始误差均化原始误差误差补偿如何对特殊材料零件进行深孔螺纹加工新闻摘要:对特殊材料零件进行深孔螺纹加工是比较困难的。例如,在一个钛合金零件上进行深孔攻丝是非常具有挑战性的。如果在一个接近完工的零件上,由于丝锥破损产生的刮削作用而导致零件报废,这是非常不经济的。而深孔攻丝意味着攻丝深度大于丝锥直径的1。对特殊材料零件进行深孔螺纹加工是比较困难的。例如,在一个钛合金零件上进行深孔攻丝是非常具有挑战性的。如果在一个接近完工的零件上,由于丝锥破损产生的刮削作用而导致零件报废,这是非常不经济的。因此,为避免刮削,要求使用正确的刀具和攻丝技术。

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