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加工中心精度和表面質量的基本概念

日期：2009年12月14　來源：沈陽第一機床廠　關鍵字：加工中心
    機械產品的工作性能和使用壽命總是與組成產品的零件的加工質量和產品的裝配精度直接相關，而零件的加工質量又是整個產品質量的基礎。零件的加工質量包括加工精度和表面質量兩個方面內容。
    (一)加工精度
    所謂加工中心精度是指零件加工后的幾何參數(shù)(尺寸、幾何形狀和相互位置)與理想零件幾何參數(shù)相符合的程度，搖臂鉆床它們之間的偏離程度則為加工誤差。加工誤差的大小反映了加工精度的高低。加工精度包括以下三方面。
    (1)尺寸精度。限制加工表面與其基準間尺寸誤差不超過一定的范圍。
    (2)幾何形狀精度。限制加工表面的宏觀幾何形狀誤差，如圓度、圓柱度、平面度、直線度等。
    (3)相互位置精度。限制加工表面與其基準間的相互位置誤差，如平行度、垂直度、同軸度、位置度等。
    (二)表面質量
    機械加工表面質量包括以下兩方面的內容。
    1．表面層的幾何形狀偏差
    (1)表面粗糙度。指零件表面的微觀幾何形狀誤差。
    (2)表面波紋度。加工中心指零件表面周期性的幾何形狀誤差。
    2．表面層的物理、力學性能
    (1)冷作硬化。表面層因加工中塑性變形而引起的表面層硬度提高的現(xiàn)象。
    (2)殘余應力。表面層因機械加工產生強烈的塑性變形和金相組織的可能變化而產生的內應力。搖臂鉆床按應力性質分為拉應力和壓應力。
    (3)表面層金相組織變化。表面層因切削加工時切削熱而引起的金相組織的變化。
    二、表面質量對零件使用性能的影響    ．
    (一)對零件耐磨性的影響
零件的耐磨性不僅和材料及熱處理有關，而且還與零件接觸表面的表面粗糙度有關。當兩個零件相互接觸時，實質上只是兩加工中心個零件接觸表面上的一些凸峰相互接觸，因此，實際接觸面積比理論接觸面積要小得多，從而使單位面積上的壓力很大。當其超過材料的屈服點時，就會使凸峰部分產生塑性變形甚至被折斷或因接觸面的滑移而迅速磨損。以后隨著接觸面積的增大，單位面積上的壓力減小，搖臂鉆床磨損減慢。零件表面粗糙度越大，磨損越快，但這不等于說零件表面粗糙度越小越好。如果零件表面的粗糙度小于合理值，則由于摩擦面之間潤滑油被擠出而形成千摩擦，從而使磨損加快。實驗表明，最佳表面粗糙度及。值大約為0．3～1．2，Lm。另外，零件表面有冷作硬化層或經淬硬，也可提高零件的耐磨性。
    (二)對零件疲勞強度的影響
    零件表面層的殘余應力性質對疲勞強度的影響很大。當殘余應力為拉應力時，在拉應力作用下，會使表面的裂紋擴大，而降低零件的疲勞強度，減少了產品的使用壽命。相反，殘余壓應力可以延緩疲勞裂紋的擴展，可提高零件的疲勞強度。
同時表面冷作硬化層的存在以及加工紋路方向與載荷方向的一致，都可以提高零件的疲勞強度。
    (三)對零件配合性質的影響
    在間隙配合中，加工中心如果配合表面粗糙，搖臂鉆床磨損后會使配合間隙增大，改變了原配合性質。在過盈配合中，如果配合表面粗糙，則裝配后表面的凸峰將被擠平，而使有效過盈量減小，降低了配合的可靠性。所以，對有配合要求的表面，也應標注有對應的表面粗糙度。
    三、影響加工精度的因素及提高精度的主要措施
    由機床、夾具、工件和刀具所組成的一個完整的系統(tǒng)稱之為工藝系統(tǒng)。加工過程中，工件與刀具的相對位置就決定了零件加工的尺寸、形狀和位置，因此，加工精度的問題也就涉及到整個工藝系統(tǒng)的精度問題。在加工過程中，工藝系統(tǒng)的種種誤差會在不同的情況下，以不同的方式和程度反映為加工誤差。搖臂鉆床根據工藝系統(tǒng)誤差的性質可將其歸納為工藝系統(tǒng)的幾何誤差、工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差、加工中心工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差及工件內應力所引起的誤差。
    一)工藝系統(tǒng)的幾何誤差及改善措施
    工藝系統(tǒng)的幾何誤差包括加工方法的原理誤差、機床的幾何誤差、調整誤差、刀具和夾具的制造誤差、工件的裝夾誤差以及工藝系統(tǒng)磨損所引起的誤差。現(xiàn)僅就機床幾何誤差中的主軸誤差和導軌誤差對加工精度的影響進行簡略分析。
    (1)主軸誤差。機床主軸是裝夾刀具或工件的位置基準，它的誤差也將直接影響工件的加工質量。
    機床主軸的回轉精度是機床主要精度指標之一，搖臂鉆床其在很大程度上決定著工件加工表面的形狀精度。主軸的回轉誤差主要包括主軸的徑向圓跳動、竄動和擺動。
    造成主軸徑向圓跳動的主要原因有軸徑與軸孔圓度不高、軸承滾道的形狀誤差、軸與孔安裝后不同心以及滾動體誤差等。使用該主軸裝夾工件將造成形狀誤差。
    造成主軸軸向竄動的主要原因有推力軸承端面滾道的跳動，以及軸承間隙等。以車床為例，造成的加工誤差主要表現(xiàn)為車削端面與軸心線的垂直度誤差。
    由于前后軸承、加工中心前后軸承孔或前后軸徑的不同心造成主軸在轉動過程中出現(xiàn)擺動現(xiàn)象。擺動不僅給工件造成工件尺寸誤差，而且還造成形狀誤差。
    提高主軸旋轉精度的方法主要有通過提高主軸組件的設計、搖臂鉆床制造和安裝精度，采用高精度的軸承等方法，這無疑將加大制造成本。再有就是通過工件的定位基準或被加工面本身與夾具定位元件之間組成的回轉副來實現(xiàn)工件相對于刀具的轉動，如外圓磨床頭架上的死頂尖。這樣機床主軸組件的誤差就不會對工件的加工質量構成影響。
    (2)導軌誤差。導軌是機床的重要基準，它的各項誤差將直接影響被加工零件的精度。以數(shù)控車床為例，當床身導軌在水平面內出現(xiàn)彎曲(前凸)時，加工中心工件上產生腰鼓形；當床身導軌與主軸軸心在水平面內不平行時，工件上會產生錐形；而當床身導軌與主軸軸心在垂直面內不平行時，工件上會產生鞍形。
    事實上，數(shù)控車床導軌在水平面和垂直面內的幾何誤差對加工精度的影響程度是不一樣的。影響最大的是導軌在水平面內的彎曲或與主軸軸心線的平行度，而導軌在垂直面內的彎曲或與主軸軸心線的平行度對加工精度的影響則小到可以忽略的程度。當導軌在水平面和垂直面內都有一個誤差厶時，搖臂鉆床前者造成的半徑方向加工誤差厶只二厶，而后者造成的加工誤差A及cA2÷可以忽略不計。加工中心因此稱數(shù)控車床導軌的水平方向為誤差敏感方向，而稱垂直方向為誤差非敏感方向。推廣來看，原始誤差所引起的刀具與工件間的相對位移，如果該誤差產生在加工表面的法線方向，則對加工精度構成直接影響，即為誤差敏感方向；若位移產生在加工表面的切線方向，則不會對加工精度構成直接影響，即為誤差非敏感方向。
    因此，減小導軌誤差對加工精度的影響有：①可以通過提高導軌的制造、安裝和調整精度來實現(xiàn)；②可以利用誤差非敏感方向來設計安排定位加工。如轉塔車床的轉塔刀架設計就充分注意到了這一點，其轉塔定位選在了誤差非敏感方向上，既沒有把制造精度定得很高，又保證了實際加工的精度。
    (二)工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差及改善措施
    工藝系統(tǒng)在切削力、加工中心傳動力、慣性力、搖臂鉆床夾緊力以及重力等的作用下，會產生相應的變形，從而破壞已調好的刀具與工件之間的正確位置，使工件產生幾何形狀誤差和尺寸誤差。
    例如車削細長軸時，在切削力的作用下，工件因彈性變形而出現(xiàn)“讓刀”現(xiàn)象使工件產生腰鼓形的圓柱度誤差又如，在內圓磨床上用橫向切人法磨孔時，由于內圓磨頭主軸的彎曲變形，磨出的孔會出現(xiàn)帶有錐度的圓柱度誤差。
    工藝系統(tǒng)受力變形通常是彈性變形。加工中心一般來說，工藝系統(tǒng)抵抗變形的能力越大，搖臂鉆床加工誤差就越小。生產實際中，常采取的有效措施有減小接觸面間的表面粗糙度，增大接觸面積，適當預緊，減小接觸變形，提高接觸剛度；合理地布置肋板，提高局部剛度；減少受力變形，提高工件剛度(如車削細長軸時利用中心架或跟刀架)；合理裝夾工件，減少夾緊變形(如加工薄壁套時，采用開口過渡環(huán)或專用卡爪夾緊)。
    (三)工藝系統(tǒng)熱變形產生的誤差及改善措施
    切削加工時，整個工藝系統(tǒng)由于受到切削熱、摩擦熱及外界輻射熱等因素的影響，常發(fā)生復雜的變形，導致工件與刀刃之間原先調整好的相對位置、加工中心運動及傳動的準確性都發(fā)生變化，從而產生加工誤差。由于這種原因而引起的工藝系統(tǒng)的變形現(xiàn)象稱為工藝系統(tǒng)的熱變形。
    實踐證明，影響工藝系統(tǒng)熱變形的因素主要有機床、刀具、工件，另外環(huán)境溫度的影響在某些情況下也是不容忽視的。
    (1)機床的熱變形。對機床的熱變形構成影響的因素主要有電動機、電器和機械動力源的能量損耗轉化發(fā)出的熱；傳動部件、運動部件在運動過程中加工中心發(fā)生的摩擦熱；切屑或切削液落在機床上搖臂鉆床所傳遞的切削熱；外界的輻射熱。這些熱都將或多或少地使機床床身、工作臺和主軸等部件發(fā)生變形。
    為了減小機床熱變形對加工精度的影響，通常在機床大件的結構設計上采取對稱結構或采用主動控制方式均衡關鍵件的溫度，以減小其因受熱而出現(xiàn)的彎曲或扭曲變形對加工的影響；在結構聯(lián)接設計上，其布局應使關鍵部件的熱變形方向對加工精度影響較小；對發(fā)熱量較大的部件，應采取足夠的冷卻措施或采取隔離熱源的方法。在工藝措施方面，可讓機床空運轉一段時間之后，當其達到或接近熱平衡時再調整機床，對零件進行加工；或將精密機床安裝在恒溫室中使用。
    (2)工件的熱變形。由于切削熱的作用，工件在加工過程中產生熱變形搖臂鉆床，因其熱膨脹影響了尺寸精度和形狀精度。
    為了減小熱變形對加工精度的影加工中心響，常采用切削液冷卻切削區(qū)的方法，也可通過選擇合適的刀具或改變切削參數(shù)的方法來減少切削熱或減少傳人工件的熱量。對大型或較長的工件，在夾緊狀態(tài)下應使其末端能自由伸縮。
    (四)工件內應力引起的誤差及改善措施
    所謂內應力，就是當外界載荷去掉后，仍殘留在工件內部的應力。內應力是工件在加工過程中其內部宏觀或微觀組織因發(fā)生了不均勻的體積變化而產生的。
    具有內應力的零件處于一種不穩(wěn)定的相對平衡狀態(tài)，可以保持形狀精度的暫時穩(wěn)定。但它的內部組織有強烈的傾向要恢復到一種穩(wěn)定的沒有內應力的狀態(tài)，一旦外界條件產生變化，如環(huán)境溫度的改變、繼續(xù)進行切削加工、受到撞擊等，內應力的暫時平衡就會被打破而進；加工中心分布，零件將產生相應的變形，從搖臂鉆床而破壞原有的精度。為減小或消除內應力對零件加工精度的影響，在零件的結構設計中，應盡量簡化結／慮壁厚均勻，以減少在鑄、鍛毛坯制造中產生的內應力；在毛坯制造之后，或粗加工后、工前，安排時效處理以加工中心消除內應力，切削加工時，應將粗、精加工分開在不同的工序進；粗加工后有一定的間隔時間讓內應力重新分布，搖臂鉆床以減少對精加工的影響。

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