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加工中心精度和表面质量的基本概念

日期：2009年12月14　来源：沈阳第一机床厂　关键字：加工中心
    机械产品的工作性能和使用寿命总是与组成产品的零件的加工质量和产品的装配精度直接相关，而零件的加工质量又是整个产品质量的基础。零件的加工质量包括加工精度和表面质量两个方面内容。
    (一)加工精度
    所谓加工中心精度是指零件加工后的几何参数(尺寸、几何形状和相互位置)与理想零件几何参数相符合的程度，摇臂钻床它们之间的偏离程度则为加工误差。加工误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。限制加工表面与其基准间尺寸误差不超过一定的范围。
    (2)几何形状精度。限制加工表面的宏观几何形状误差，如圆度、圆柱度、平面度、直线度等。
    (3)相互位置精度。限制加工表面与其基准间的相互位置误差，如平行度、垂直度、同轴度、位置度等。
    (二)表面质量
    机械加工表面质量包括以下两方面的内容。
    1．表面层的几何形状偏差
    (1)表面粗糙度。指零件表面的微观几何形状误差。
    (2)表面波纹度。加工中心指零件表面周期性的几何形状误差。
    2．表面层的物理、力学性能
    (1)冷作硬化。表面层因加工中塑性变形而引起的表面层硬度提高的现象。
    (2)残余应力。表面层因机械加工产生强烈的塑性变形和金相组织的可能变化而产生的内应力。摇臂钻床按应力性质分为拉应力和压应力。
    (3)表面层金相组织变化。表面层因切削加工时切削热而引起的金相组织的变化。
    二、表面质量对零件使用性能的影响    ．
    (一)对零件耐磨性的影响
零件的耐磨性不仅和材料及热处理有关，而且还与零件接触表面的表面粗糙度有关。当两个零件相互接触时，实质上只是两加工中心个零件接触表面上的一些凸峰相互接触，因此，实际接触面积比理论接触面积要小得多，从而使单位面积上的压力很大。当其超过材料的屈服点时，就会使凸峰部分产生塑性变形甚至被折断或因接触面的滑移而迅速磨损。以后随着接触面积的增大，单位面积上的压力减小，摇臂钻床磨损减慢。零件表面粗糙度越大，磨损越快，但这不等于说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，则由于摩擦面之间润滑油被挤出而形成千摩擦，从而使磨损加快。实验表明，最佳表面粗糙度及。值大约为0．3～1．2，Lm。另外，零件表面有冷作硬化层或经淬硬，也可提高零件的耐磨性。
    (二)对零件疲劳强度的影响
    零件表面层的残余应力性质对疲劳强度的影响很大。当残余应力为拉应力时，在拉应力作用下，会使表面的裂纹扩大，而降低零件的疲劳强度，减少了产品的使用寿命。相反，残余压应力可以延缓疲劳裂纹的扩展，可提高零件的疲劳强度。
同时表面冷作硬化层的存在以及加工纹路方向与载荷方向的一致，都可以提高零件的疲劳强度。
    (三)对零件配合性质的影响
    在间隙配合中，加工中心如果配合表面粗糙，摇臂钻床磨损后会使配合间隙增大，改变了原配合性质。在过盈配合中，如果配合表面粗糙，则装配后表面的凸峰将被挤平，而使有效过盈量减小，降低了配合的可靠性。所以，对有配合要求的表面，也应标注有对应的表面粗糙度。
    三、影响加工精度的因素及提高精度的主要措施
    由机床、夹具、工件和刀具所组成的一个完整的系统称之为工艺系统。加工过程中，工件与刀具的相对位置就决定了零件加工的尺寸、形状和位置，因此，加工精度的问题也就涉及到整个工艺系统的精度问题。在加工过程中，工艺系统的种种误差会在不同的情况下，以不同的方式和程度反映为加工误差。摇臂钻床根据工艺系统误差的性质可将其归纳为工艺系统的几何误差、工艺系统受力变形引起的误差、加工中心工艺系统受热变形引起的误差及工件内应力所引起的误差。
    一)工艺系统的几何误差及改善措施
    工艺系统的几何误差包括加工方法的原理误差、机床的几何误差、调整误差、刀具和夹具的制造误差、工件的装夹误差以及工艺系统磨损所引起的误差。现仅就机床几何误差中的主轴误差和导轨误差对加工精度的影响进行简略分析。
    (1)主轴误差。机床主轴是装夹刀具或工件的位置基准，它的误差也将直接影响工件的加工质量。
    机床主轴的回转精度是机床主要精度指标之一，摇臂钻床其在很大程度上决定着工件加工表面的形状精度。主轴的回转误差主要包括主轴的径向圆跳动、窜动和摆动。
    造成主轴径向圆跳动的主要原因有轴径与轴孔圆度不高、轴承滚道的形状误差、轴与孔安装后不同心以及滚动体误差等。使用该主轴装夹工件将造成形状误差。
    造成主轴轴向窜动的主要原因有推力轴承端面滚道的跳动，以及轴承间隙等。以车床为例，造成的加工误差主要表现为车削端面与轴心线的垂直度误差。
    由于前后轴承、加工中心前后轴承孔或前后轴径的不同心造成主轴在转动过程中出现摆动现象。摆动不仅给工件造成工件尺寸误差，而且还造成形状误差。
    提高主轴旋转精度的方法主要有通过提高主轴组件的设计、摇臂钻床制造和安装精度，采用高精度的轴承等方法，这无疑将加大制造成本。再有就是通过工件的定位基准或被加工面本身与夹具定位元件之间组成的回转副来实现工件相对于刀具的转动，如外圆磨床头架上的死顶尖。这样机床主轴组件的误差就不会对工件的加工质量构成影响。
    (2)导轨误差。导轨是机床的重要基准，它的各项误差将直接影响被加工零件的精度。以数控车床为例，当床身导轨在水平面内出现弯曲(前凸)时，加工中心工件上产生腰鼓形；当床身导轨与主轴轴心在水平面内不平行时，工件上会产生锥形；而当床身导轨与主轴轴心在垂直面内不平行时，工件上会产生鞍形。
    事实上，数控车床导轨在水平面和垂直面内的几何误差对加工精度的影响程度是不一样的。影响最大的是导轨在水平面内的弯曲或与主轴轴心线的平行度，而导轨在垂直面内的弯曲或与主轴轴心线的平行度对加工精度的影响则小到可以忽略的程度。当导轨在水平面和垂直面内都有一个误差厶时，摇臂钻床前者造成的半径方向加工误差厶只二厶，而后者造成的加工误差A及cA2÷可以忽略不计。加工中心因此称数控车床导轨的水平方向为误差敏感方向，而称垂直方向为误差非敏感方向。推广来看，原始误差所引起的刀具与工件间的相对位移，如果该误差产生在加工表面的法线方向，则对加工精度构成直接影响，即为误差敏感方向；若位移产生在加工表面的切线方向，则不会对加工精度构成直接影响，即为误差非敏感方向。
    因此，减小导轨误差对加工精度的影响有：①可以通过提高导轨的制造、安装和调整精度来实现；②可以利用误差非敏感方向来设计安排定位加工。如转塔车床的转塔刀架设计就充分注意到了这一点，其转塔定位选在了误差非敏感方向上，既没有把制造精度定得很高，又保证了实际加工的精度。
    (二)工艺系统受力变形引起的误差及改善措施
    工艺系统在切削力、加工中心传动力、惯性力、摇臂钻床夹紧力以及重力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏已调好的刀具与工件之间的正确位置，使工件产生几何形状误差和尺寸误差。
    例如车削细长轴时，在切削力的作用下，工件因弹性变形而出现“让刀”现象使工件产生腰鼓形的圆柱度误差又如，在内圆磨床上用横向切人法磨孔时，由于内圆磨头主轴的弯曲变形，磨出的孔会出现带有锥度的圆柱度误差。
    工艺系统受力变形通常是弹性变形。加工中心一般来说，工艺系统抵抗变形的能力越大，摇臂钻床加工误差就越小。生产实际中，常采取的有效措施有减小接触面间的表面粗糙度，增大接触面积，适当预紧，减小接触变形，提高接触刚度；合理地布置肋板，提高局部刚度；减少受力变形，提高工件刚度(如车削细长轴时利用中心架或跟刀架)；合理装夹工件，减少夹紧变形(如加工薄壁套时，采用开口过渡环或专用卡爪夹紧)。
    (三)工艺系统热变形产生的误差及改善措施
    切削加工时，整个工艺系统由于受到切削热、摩擦热及外界辐射热等因素的影响，常发生复杂的变形，导致工件与刀刃之间原先调整好的相对位置、加工中心运动及传动的准确性都发生变化，从而产生加工误差。由于这种原因而引起的工艺系统的变形现象称为工艺系统的热变形。
    实践证明，影响工艺系统热变形的因素主要有机床、刀具、工件，另外环境温度的影响在某些情况下也是不容忽视的。
    (1)机床的热变形。对机床的热变形构成影响的因素主要有电动机、电器和机械动力源的能量损耗转化发出的热；传动部件、运动部件在运动过程中加工中心发生的摩擦热；切屑或切削液落在机床上摇臂钻床所传递的切削热；外界的辐射热。这些热都将或多或少地使机床床身、工作台和主轴等部件发生变形。
    为了减小机床热变形对加工精度的影响，通常在机床大件的结构设计上采取对称结构或采用主动控制方式均衡关键件的温度，以减小其因受热而出现的弯曲或扭曲变形对加工的影响；在结构联接设计上，其布局应使关键部件的热变形方向对加工精度影响较小；对发热量较大的部件，应采取足够的冷却措施或采取隔离热源的方法。在工艺措施方面，可让机床空运转一段时间之后，当其达到或接近热平衡时再调整机床，对零件进行加工；或将精密机床安装在恒温室中使用。
    (2)工件的热变形。由于切削热的作用，工件在加工过程中产生热变形摇臂钻床，因其热膨胀影响了尺寸精度和形状精度。
    为了减小热变形对加工精度的影加工中心响，常采用切削液冷却切削区的方法，也可通过选择合适的刀具或改变切削参数的方法来减少切削热或减少传人工件的热量。对大型或较长的工件，在夹紧状态下应使其末端能自由伸缩。
    (四)工件内应力引起的误差及改善措施
    所谓内应力，就是当外界载荷去掉后，仍残留在工件内部的应力。内应力是工件在加工过程中其内部宏观或微观组织因发生了不均匀的体积变化而产生的。
    具有内应力的零件处于一种不稳定的相对平衡状态，可以保持形状精度的暂时稳定。但它的内部组织有强烈的倾向要恢复到一种稳定的没有内应力的状态，一旦外界条件产生变化，如环境温度的改变、继续进行切削加工、受到撞击等，内应力的暂时平衡就会被打破而进；加工中心分布，零件将产生相应的变形，从摇臂钻床而破坏原有的精度。为减小或消除内应力对零件加工精度的影响，在零件的结构设计中，应尽量简化结／虑壁厚均匀，以减少在铸、锻毛坯制造中产生的内应力；在毛坯制造之后，或粗加工后、工前，安排时效处理以加工中心消除内应力，切削加工时，应将粗、精加工分开在不同的工序进；粗加工后有一定的间隔时间让内应力重新分布，摇臂钻床以减少对精加工的影响。

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