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机械制造工艺与机床夹具第二章第二章 机械加工精度机械加工精度第一节第一节 概述概述第二节第二节 影响加工精度的因素及其分析影响加工精度的因素及其分析第三节第三节 加工误差的综合分析加工误差的综合分析第四节第四节 提高加工精度的工艺措施提高加工精度的工艺措施第一节 概述 机械加工精度（简称加工精度）是指零件在机械加工后的几何参数（尺寸、刚体形状和表面间相互位置）的实际值和理论值相符合的程度。加工后零件的实际几何参数与理想零件的几何参数总有所不同，其差值称为加工误差加工误差。第二节 影响加工精度的因素及其分析 工艺系统中的误差是产生零件加工误差的根源，因此把工艺系统的误差叫做原始误差原始误差。一、加工原理误差一、加工原理误差 例如，在车床上车削模数蜗杆，传动关系如图，传动比i可用下式表示式中由于P1=m，为无限不循环小数。在选用挂轮时只能近似取值计算，因此蜗杆的螺距必然存在误差。即是在加工中采用了近似的加工运动、近似的刀具轮廓和近似的加工方法而产生的原始误差。二、机床、刀具、夹具的制造误差与磨损二、机床、刀具、夹具的制造误差与磨损机床误差机床误差包括机床本身各部件的制造误差、安装误差和使用过程中的磨损。主轴误差主轴误差 对主轴的精度要求最主要的就是在运转时能保持轴心线在空间的位置稳定不变，即回转精度回转精度。主轴运动误差表现为三种形式：纯径向跳动误差、轴向窜动误差、线角度摆动误差。主轴纯径向跳动误差对精度的影响主轴纯径向跳动误差对精度的影响 如图所示，设由于主轴的纯径向跳动而使轴心线在Y坐标方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，其幅值为A；再设主轴中心偏移最大时，镗刀尖正好通过水平位置1，当镗刀转过角时，刀尖轨迹的水平分量与垂直分量分别计算得整理后得即镗出的孔为椭圆形镗出的孔为椭圆形。右图所示，设主轴轴心仍沿Y轴坐标作简谐直线运动，在工件1处切出的半径比2和4处小一个振幅A，而在工件3处切出的半径则相反，这样，上述四点的工件直径都相等，其它各点的直径误差也很小，所以车削出的工件表面接近一个真圆，但中心偏离。主轴轴向窜动误差对精度主轴轴向窜动误差对精度的影响的影响 主轴纯轴向窜动使加工的端面与内外圆轴线不垂直。（如图所示）纯角度摆动误差对加工精纯角度摆动误差对加工精度的影响度的影响 主轴的纯角度摆动会使外圆产生圆柱度误差，镗孔将成椭圆形。主轴工作时，其回转轴线的运动误差是以上三种运动方式的综合。主轴工作时，其回转轴线的运动误差是以上三种运动方式的综合。影响主轴回转精度的因素及提高回转精度的措施影响主轴回转精度的因素及提高回转精度的措施 主轴回转精度不仅和主轴的制造精度有关，而且还与切削过程中主轴切削过程中主轴受力受力、受热后的变形受热后的变形有关。主轴部件制造误差是主轴回转精度的基础，包含轴承误差轴承间隔与轴承配合零件的误差滑动轴承滑动轴承：主轴是以轴颈在轴承内回转的，对于车床类机床，主轴的受力方向一定，这时主轴轴颈被压向轴套表面某一位置，因此，主轴轴颈的圆度误差将直接传给工件。（下左图）对于镗类机床，主轴所受切削力的方向随着镗刀的旋转而旋转，因此轴套孔的圆度误差将传给工件。(右图)滚动轴承滚动轴承：主轴回转精度还和轴承的配合件有关。取决于内、外环滚道的圆度误差、内座圈的壁厚误差及滚动体的尺寸误差和圆度误差等。主轴回转精度的测量主轴回转精度的测量 生产现场通常采用将精密心棒插入主轴锥孔，在其圆周表面和端部分别用千分表测量。此法简单，但不能反映主轴在工作转速下的回转精度，也不能把性质不同的误差区分开来。下述测量法主要用于镗铣类机床，在主轴端部粘结一个精密测量圆盘3，球的中心和主轴的回转轴心线略有偏心e，由摆动盘5进行调整，在球的周围相互垂直地安装两个位移传感器1、2，传感器和测量球之间保持一定间隙。导轨误差导轨误差 床身导轨是确定机床主要部件的相对位置和运动的基准。其误差分为：导轨在水平面内误差；导轨在垂直平面内误差导轨在垂直平面内误差；两导轨间的平行度误差导轨在水平面内有直线度误差导轨在水平面内有直线度误差 将直接反映在被加工工件表面的法向方向，对加工精度影响极大，使工件产生圆柱度误差(鞍形或鼓形)。导轨在垂直平面内有直线度误差导轨在垂直平面内有直线度误差 如图，使刀尖产生Z的位移，造成工件在半径方向上产生误差R。对于龙门刨床、龙门铣床及导轨磨床来说，导轨的垂直面内的直线度误差将直接反映到工件上。两导轨间有平行度误差两导轨间有平行度误差 导轨发生扭曲，刀尖相对于工件在水平和垂直两方向上发生偏移，从而影响加工精度。设垂直于纵向走刀的任意截面内前、后导轨的平行度误差为，则工件半径变化量R近似等于刀尖的水平位移，即 机床导轨的几何精度还与使用时的磨损及机床的安装状况有关。传动链误差传动链误差 特定情况下，要求刀具和工件之间具有准确的传动比。若控制这些成形运动间的传动链存在误差，会成为影响精度的主要因素。减少传动误差可采取下列措施：减少传动链中的元件数目，缩短传动链，以减少误差来源减少传动链中的元件数目，缩短传动链，以减少误差来源提高传动元件，特别是末端传动元件的制造精度和装配精度提高传动元件，特别是末端传动元件的制造精度和装配精度传动链齿轮间存在间隙，同样会产生传动链误差，因此要消除间隙。传动链齿轮间存在间隙，同样会产生传动链误差，因此要消除间隙。采用误差校正机构来提高传动精度。采用误差校正机构来提高传动精度。刀具的制造误差刀具的制造误差刀具的制造误差成形刀具成形刀具加工时，刀具切削基面上的投影就是加工表面的母线形状，因此刀刃的 形状误差以及刃磨、安装、调整不正确都会直接影响加工表面精度。展成刀具展成刀具加工时，刀具与工件要作具有严格运动关系的啮合运动，加工表面是刀 刃在相对啮合中的包络线，刀刃的形状必须是加工表面的共轭曲线。定径刀具定径刀具加工时，刀具的尺寸误差直接影响加工表面的尺寸精度，一些多刃的孔 加工刀具会使加工表面尺寸扩大。一般刀具一般刀具加工时，加工表面形状由机床运动精度保证，尺寸由调整决定，刀具的 制造精度对加工精度无直接影响。刀具的磨损刀具的磨损刀具在加工表面法向的磨损量，直接反映出刀具磨损对加工精度的影响。刀具在加工表面法向的磨损量，直接反映出刀具磨损对加工精度的影响。分为三个阶段：初期磨损阶段(LL0)正常磨损阶段(L0LL1)急剧磨损阶段(L1L)刀具的磨损量可用下式计算式中，刀具磨损量（m）0刀具初始磨损量（m）k单位磨损量（m/1000m）L切削路程（m）为减少刀具制造误差和磨损误差对加工精度的影响，除合理规定定尺寸刀具和成形刀具的制造公差外，还应根据工件的本材料和加工要求，准确选择刀具材料、切削用量、冷却润滑、并准确刃磨，以减少磨损。必要必要时还可对刀具的尺寸磨损进行补偿时还可对刀具的尺寸磨损进行补偿。夹具的制造误差与磨损 夹具误差包括工件的定位误差和夹紧变形误差、夹具的安装误差、分夹具误差包括工件的定位误差和夹紧变形误差、夹具的安装误差、分度误差以及夹具的磨损等。度误差以及夹具的磨损等。夹具误差首先影响工件被加工表面的位置精度，其次影响尺寸精度和形状精度。夹具的磨损主要是定位元件定位元件和导向元件导向元件的磨损。定位定位元件元件的磨损会使孔与基准面间的位置误差增大。为减少夹具误差所造成的加工误差，夹具的制造误差必须小于工件的公差，对于容易磨损的定位元件、导向元件等，除应采用耐磨的材料外，应做成可拆卸、以方便更换。三、工艺系统受力变形及其对加工精度的影响三、工艺系统受力变形及其对加工精度的影响工艺系统刚度 由机床、夹具、工件、刀具所组成的工艺系统是一个弹性系统，在加工过程中由于切削力、夹紧力、重力、传动力、惯性力等外力的作用，将引起工艺系统各环节产生弹性变形，此变形造成位移。同时系统中各元件因其接触处的间隙也会产生位移和接触变形，从而破坏了刀具与工件间已获得的准确位置，产生加工误差。工艺系统受力变形不但影响加工精度加工精度，还影响表面质量表面质量。弹性系统抵抗外力使其变形的能力称为刚度刚度。工艺系统的刚度是以外切削力和在该力方向上所引起的刀具和工件间相对变形位移的比值表示，即 由于切削力F有三个分力Fx、Fy、Fz，所以刚度也有相应的三个方向的刚度，计算工艺系统刚度就只考虑此方向上的切削分力FY和变形位移量Y，即 工艺系统由机床、夹具、刀具及工件组成，因此工艺系统受力变形总位移是各组成部分变形位移的叠加，即由此可得即当知道工艺系统的各组成部分的刚度后，就可求得整个工艺系统的刚度工件的刚度工件的刚度 当用卡盘装夹棒料时，工件的变形可按悬臂梁计算。如图式中，E棒料的弹性模量，I棒料截面惯性矩。当用两顶尖装夹棒料时，工件的变形可按简支梁计算，即工件的刚度为 当刀尖处于工作中间位置时，工件的刚度最小，变形最大。刀具的刚度刀具的刚度 对于车刀，因变形甚微可忽略不计。对于镗内孔和磨内圆可按悬臂梁计算。夹具的刚度夹具的刚度 机床夹具按机床部件处理，不再单独计算。机床刚度机床刚度 机床总变形位移量将是机床主轴箱、尾座及刀架等部件变形位移量的综合反映。如图，在切削力作用下，主轴箱等都有一定位移，此时工件的轴心线移动，刀尖也移位。则工件在切削变形点处的位移为由于所以 设定引起主轴箱、尾座处的作用力，整理后有则刀具在X处相对于工件法向总位移为故得机床的刚度 由此可知，工艺系统的刚度在沿工件轴向的各个位置是不同的，所以加工后工件各个横截面的直径尺寸也不相同，造成了加工后工件的形状误差。误差复映规律 以加工过程中，由于工件毛坯加工余量或材料硬度的变化，引起切削力和工艺系统受力变形的变化，因而产生工件的尺寸误差和形状误差。如图，切削力切削力F FY Y随背吃刀量随背吃刀量a ap p的变化而变化，引起工艺系统中机床的相应变形，的变化而变化，引起工艺系统中机床的相应变形，这样就使毛坯的圆度误差复映到加工后的工件表面，这种现象称为这样就使毛坯的圆度误差复映到加工后的工件表面，这种现象称为“误差复映误差复映”。根据切削原理公式有 F FY Y=C Cp pa ap pF F0.750.75 毛坯上的最大误差为 ，工件上的最大误差为 工件在一次走刀后的加工误差为则，上式反映了加工误差与毛坯误差之间的比例关系，说明了“误差复映”规律。定量地反映了毛坯误差经过加工后减少的程度，称为“误差复映系数误差复映系数”。若加工分几次进给进行，总的复映系数将降的很小，加工误差也就降到允许范围以内了。惯性力、重力和夹紧力所引起的加工误差惯性力引起的加工误差惯性力引起的加工误差 在加工过程中，由于旋转零件、夹具或工件等的不平衡而产生的离心力，对加工精度的影响是很在的 为消除惯性力对加工精度的影响，生产中常采用“配重平衡”的方法必要时还可降低转速。夹紧力引起的加工误差夹紧力引起的加工误差 对于刚性较差的工件，夹紧力常会引起显著的加工误差。夹紧变形引起的工件形状误差不仅取决于平紧力的大小，而且与夹紧力的作用点有关。重力引起的加工误差重力引起的加工误差 工艺系统有关零部件自身的重量以及它们在加工中位置的移动，也可引起相应的变形，造成加工误差。（如右图）四、工艺系统热变形及其对加工精度的影响四、工艺系统热变形及其对加工精度的影响 机械加工中，工艺系统在各种热源作用下会产生一定的热变形。其对精加工影响较大。L=Lt式中，为工件材料的热膨胀系数；L为工件在热变形方向上的尺寸；t为工件平均温升。工艺系统热源内部热源（切削热、磨擦热）和 外总热源。机床热变形不同类型机床因其结构与工作条件 的差异面使热源和变形形式各不相同。工件热变形切削热引起。热伸长量按下式计算 工件的热变形还会产生圆柱度误差。当工件单侧受热，上下表面温升不等，热变形引起的加工后的平面度误差可作如下近似计算，如图可见，控制热变形而引起的平面度误差就必须减小温差，即要减小切削热的传入。减少工件热变形可采取下列措施：减少工件热变形可采取下列措施：1)在切削区施加足够充足的切削液；在切削区施加足够充足的切削液；2)提高切削速度或进给量，以减少传入工件热量；提高切削速度或进给量，以减少传入工件热量；3)精、精加工分开，使组加工的余热不带到精、精加工分开，使组加工的余热不带到精加工工序精加工工序中；中；4)刀具和砂轮让过分的磨钝才进行刃磨和修正，刀具和砂轮让过分的磨钝才进行刃磨和修正，以减少以减少切削热和磨削热；切削热和磨削热；5)使工件在夹紧状态下有伸缩的自由。使工件在夹紧状态下有伸缩的自由。减少刀具热变形的措施有：减小刀具伸出长度、改善散热条件、减少刀具热变形的措施有：减小刀具伸出长度、改善散热条件、改进刀具角度减小切削热、合理选用切削用量以加冷却液。改进刀具角度减小切削热、合理选用切削用量以加冷却液。刀具热变形热源主要也是切削热，因刀具体积小，加热温度很高。五、工件的内应力引起的变形五、工件的内应力引起的变形 内应力是指当外部载荷去掉后，仍残存在工件内部的应力。内应力产生的原因内应力产生的原因毛坯制造中产生的内应力毛坯制造中产生的内应力冷校直产生的内应力冷校直产生的内应力切削加工产生的内应力切削加工产生的内应力减小或削除内应力的措施减小或削除内应力的措施采用适当的热处理工序采用适当的热处理工序 对于铸、锻、焊接件，常进行退火、正火或人工时效处理，以后再进行机械加工。对重要零件、在粗加工和半精加工还要进行时效处理，以消除毛坯制造及加工中的内应力。给工件足够的变形时间给工件足够的变形时间 对于精密零件粗精加工应分开。零件结构要合理零件结构要合理 结构要简单，壁厚要均匀。六、调整误差六、调整误差 调整误差与调整方法有关。试切法调整试切法调整 测量误差 微量进给的影响 切削厚度影响按定程机构调整按定程机构调整用样件或样板调整用样件或样板调整第三节 加工误差的综合分析一、调整误差一、调整误差 影响加工精度的一些误差因素，按其性质的不同，可分为两大类。系统性误差系统性误差 当顺次加工一批零件时，误差的大小和方向基本保持不变或误差随加工时间按一定的规律而变化，都称为系统性误差（常值、变值）。随机性误差随机性误差 在顺次加工一批工件时，误差出现的大小或方向作无规律变化的称为随机性误差。二、加工误差的数理统计方法二、加工误差的数理统计方法公布曲线法实际分布曲线实际分布曲线 用调整法加工出来的一批工件，尺寸总是在一定范围内变化，这种现象称为尺尺寸分散寸分散。直方图和分布折线图的作法直方图和分布折线图的作法收集数据一个工序加工的全部零件称为总体总体，从总体中抽出来进行研究的一批零件称为样本样本。分组将抽取的工件按尺寸大小分成k组。计算组距组距计算组界各组组界 各组的中值统计频数mi。计算频率mi/n绘制直方图和分布折线图。正态分布曲线正态分布曲线正态分布曲线方程式正态分布曲线方程式正态分布曲线的特点正态分布曲线的特点1)曲线呈钟形2)曲线以 为轴对称分布3)工序标准差是决定形状的重要 参数4)曲线分布中心改变时，整个曲线 将沿X轴平衡，曲线形状不变。5)以3为范围，取6为正态分 布曲线的尺寸分散范围。非正态分布非正态分布 工件实际尺寸的分布情况，有时并不近似于正态分布，非正态分布如图。正态分布曲线的应用正态分布曲线的应用1)计算合格率和废品率。2)判断加工误差的性质。3)判断工序能力能否满足加工精度的要求。工艺能力能否满足加工精度要求可用下式判断：式中，T为工件公差。Cp称为工艺能力系数。正态分布曲线的缺点正态分布曲线的缺点 加工中随机性误差和系统性误差同时存在，由于分析时没有考虑到工件加工的先后顺序，故不能反映误差的变化趋势，因此很难把随机性误差和变值系统性误差区分开来。由于必须要等一批工件加工完毕后才能得出分布情况，因此不能在加工过程中及时提供控制精度的资料。点图分析法点图的形式点图的形式个值点图个值点图如果按加工顺序逐个地测量一批工件的尺寸，并以横坐标代表工件的加工顺序，以纵坐标代表工件的尺寸（或误差）就可得下图。假设把点图的上下包络成两根平滑曲线内，并作出其平均值的曲线，就能较清楚地揭示加工过程中各种误差的性质及其变化趋势。点图点图 实际生产中常采用样组点图代替个值点图。在图中画上中心线（平均线）和控制线。中心线在图上用实线表示，界线用虚线表示，位置可用下式计算：X图中心线R图中心线点图法的应用点图法的应用 工艺验证：其目的是为了确定现行工艺或准备投产的新工艺能否稳定地满足产品质量的加工要求。工艺验证的方法和步骤：工艺验证的方法和步骤：抽样并测量；计算 和 ；画 ；计算工艺能力系数，确定工艺等级；分析总结。第四节 提高加工精度的工艺措施一、直接消除和减少原始误差一、直接消除和减少原始误差 采取措施直接消除和减少原始误差，可以提高加工精度。如加工长长径比较大径比较大的细长轴，可采取下列措施：采用反向进给的切削方式，进给方向由卡盘一端指向尾架。采用大进给量和较大主偏角的车刀，抑制振动的作用而切削平稳。在卡盘一端的工件上车出一个缩颈以增加工件柔性，减少了因坯料弯曲而在卡 盘强制夹持下产生轴线歪斜的影响。二、补偿或抵消原始误差二、补偿或抵消原始误差 误差补偿法就是人为地造出一种新的误差去抵消工艺系统中出现的关键性的原始误差。例例1 1 用人为的误差抵消装配后因自重面产生的变形。例例2 2 用原有的误差抵消另一种误差。三、转移变形或转移误差三、转移变形或转移误差 误差转移法就是把影响加工精度的原始误差转移到不影响（或少影响）加工精度的方向或其它零部件上去。工艺系统调整时，可以采用精确的量具来控制刀架的位移，以提高对刀精度，这也是生产中常用的误差转移的方法。四、均分与均化原始误差四、均分与均化原始误差 当上道工序来的“毛坯”误差变化较大时，由于本工序的定位误差或复映误差的影响，可能会使本工序超差。可采用分组调整，均分误差的方法。对于配合精度要求很高的表面，常常采用研磨的方法进行加工。在生产中，许多精密基准件的加工（平板、直尺、角规、端齿分度盘等）都是利用误差均化法加工出来的。五、五、“就地加工就地加工”保证精度保证精度 要求：要保证部件间什么样的位置关系，就在这样的位置上利用一个部件装上刀具加工另一个部件。六、加工过程的积极控制六、加工过程的积极控制 从原始误差的性质来看，常值系统性误差是比较容易解决，只要测量出误差值，对于变值系统误差在生产中采用了可变补偿的方法，在加工过程中采用积极控制的方法。三种形式：主动测量主动测量 偶件配合加工偶件配合加工 积极控制起决定作用的积极控制起决定作用的加工条件加工条件例例1 1 柴油机高压油泵柱塞自动配磨法例例2 2 S7450大型精密螺纹磨床恒温控制母丝杠采用空心结构，通入恒温油使其恒温。母丝杠采用空心结构，通入恒温油使其恒温。为了保证工件丝杠温度也相应地得到稳定，一方面采用沐浴的方法，另为了保证工件丝杠温度也相应地得到稳定，一方面采用沐浴的方法，另 一方面在砂轮磨削区域用低于室温的油作局部冷却。一方面在砂轮磨削区域用低于室温的油作局部冷却。采用下图所示的自动检测控制温度系统。采用下图所示的自动检测控制温度系统。