机械制造技术基础：第四章 机械制造技术基础（4—1）

1、,4-1 机械加工精度概述 4-2 工艺系统的几何误差对加工精度的影响 4-3 工艺系统的受力变形对加工精度的影响 4-4 工艺系统的热变形对加工精度的影响 4-5 加工误差的综合分析 4-6 机械加工表面质量,第四章 机械加工质量分析与控制,主要内容,一、 机械加工精度 1. 机械加工精度：零件加工以后的实际几何参数与理想几何参数的接近程度。（宏观几何特征）,4-1 概述,机械加工质量,机械加工精度,加工表面质量,尺寸精度、形状精度、位置精度,理想零件 尺 寸：零件尺寸的公差带中心（平均尺寸）。 表面形状：绝对准确的圆柱面、圆锥面、平面等。 表面位置：绝对的平行、垂直、同轴等。,2. 加工误

2、差 所谓加工误差是指实际零件与理想零件在几何参数上的偏离程度。 由此可见：加工精度和加工误差这两个概念是从两个观点来评定零件几何参数这个同一事物的。, 目前，还没有加工手段可以将零件的几何参数制作成百分百的准确存在误差。 只要能保证零件在机器中的功能，把零件的加工精度保持在一定的范围之内是完全允许的合理规定公差。,尺寸精度的高低用尺寸公差来体现： 国家标准分为20级,IT1、 IT2、 IT3、 IT4、 IT5、 IT6、 IT7、 IT8、 IT9 、IT10、,IT01、 IT02 （备用）,IT11、 IT12 、IT13、 IT14、 IT15、 IT16、 IT17、 IT18,（

3、1）数字越小、精度越高； （2）同一尺寸，精度等级越高，公差越小； （3）同一精度等级，尺寸越大，公差越大。,形状精度（国家标准，用公差来规定）,平行度,垂直度,同轴度,圆度,直线度,平面度,位置精度（国家标准，用公差来规定）,圆柱度,倾斜度,对称度,二、 获得机械加工精度的方法,1. 获得尺寸精度的方法,（1）试切法,特点：效率低、劳动强度大、技术水平要求高,适应单件小批量,通过试切测量调整再试切反复进行直到被加工零件尺寸达到要求为止的加工方法。,尺寸精度、形状精度、位置精度,对刀块,工件,支承块,连接键,连接键,固定V型块,调整法加工拨叉零件端面,辅助支承,支承块,（2）调整法,预先调整好

4、刀具和工件在机床上的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持此位置不变，以保证被加工零件尺寸的加工方法。,加工效率高、加工精度稳定可靠。工人技术水平要求低、劳动强度小，广泛用于成批、大批量生产中。,（3）定尺寸刀具法,用刀具的相应尺寸来保证工件被加工部位的尺寸的加工方法。,（4）自动控制法,在加工过程中，通过由尺寸测量装置、动力进给装置和控制机构等组成的自动控制系统，自动完成工件尺寸的测量、刀具的补偿调整和切削加工等一系列动作，当工件达到要求的尺寸时，发出指令停止进给，从而自动获得尺寸精度的一种加工方法。,例 数控机床就是通过数控装置、测量装置及伺服驱动机构来控制刀具或工作台按设定的规律运动，从

5、而保证零件的尺寸精度。,2. 获得形状精度的方法,（1）轨迹法,工件旋转运动，刀具直线运动，刀尖的运动轨迹为螺旋线锥面。,依靠刀具与工件的相对运动轨迹获得加工表面形状的加工方法。,（2）成形法,利用成形刀具对工件进行加工而获得表面形状的加工方法。,（3）展成法,利用刀具和工件作展成切削运动来获得加工表面形状的加工方法。,作展成运动必须保持刀具与工件确定的速比关系。,3. 获得位置精度的方法,（1）找正装夹法,直接找正法,划线找正法,利用量具或辅助工具找正工件相对于刀具的正确位置。,（2）夹具装夹法,通过夹具确定工件相对于刀具的正确位置。,三、 影响机械加工精度的主要因素,在机械加工中，零件的尺

6、寸、形状和表面间的相对位置的形成，归结到一点，就是取决于工件和刀具在切削过程中的相互位置关系，而工件和刀具又安装在夹具和机床上，并受到机床和夹具的约束。,在机械加工中，由机床、刀具、工件、夹具构成的系统，被称之为工艺系统。,因此，加工精度问题也就牵涉到整个工艺系统的精度问题。,镗杆,滑台,1. 机床、刀具、夹具的制造误差及磨损,2. 机床、刀具、夹具、工件的受力变形、热变形,3. 安装误差、测量误差、调整误差,4. 原理误差,工艺系统中的种种误差，在不同的具体条件下，以不同的程度反映为加工误差。工艺系统的误差是“因”，是根源；加工误差是“果”，是表现。因此，把工艺系统本身的误差称之为原始误差。

7、,分析思路： 在机械加工中，由于工艺系统中各组成部分自身的误差，导致刀具相对于工件在切削过程中的位置关系发生变化，从而引起加工误差。,1. 零件产生加工误差的原因？ 2. 误差的大小？ 3. 误差的性质？,分析方法： 1. 单因素分析法 2. 统计分析法,工件齿轮,滚刀,包络线,如用范成法加工渐开线齿轮，滚刀的刀齿的轴剖面形状为直线，滚切成近似的渐开线齿面，即渐开线齿形为无数直线包络而成。,一、加工原理误差,2-2 工艺系统的几何误差对加工精度的影响,采用了近似的加工运动或近似的刀具轮廓而产生的几何轨迹误差。,例：车削螺纹,故采用了近似的成型运动。,二、机床误差,机床误差来之三个方面：机床本身

8、的制造、安装和磨损。 机床在出厂之前要通过精度检验。例如：导轨的直线度、主轴的回转精度等。这些都是在没有切削载荷的情况下进行的反映静误差。 合格的机床在使用了一段时间后，将会产生磨损，机床原有的精度也将会降低，并可能产生这样或那样的加工精度问题。 评价一台机床精度的高低，除了看它在静态下的情况，还需看它在切削载荷下的动态情况。,1. 导轨误差 导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是运动部件的基准，它的各项误差直接影响被加工工件的精度。例如车床的导轨：,（1）导轨在水平面内有直线度误差,导轨的直线度误差将导致刀具在水平内沿工件径向产生相应的位移，即： R =1,（2）导轨在垂直面内有直线度

9、误差,忽略高阶无穷小,例：被车削工件的直径：D=40mm，车床导轨在水平面内的直线度误差：1= 0.1mm、在垂直面内的直线度误差：2= 0.1mm，,非误差敏感方向,则：,注意：误差敏感方向加工表面的法线方向。 若原始误差发生在误差敏感方向，则对工件的加工精度影响较大。,例：刨床刨削平面,导轨在垂直面内的直线度误差对加工精度影响大。,（3） 前后导轨的平行度误差（扭曲）,卧式车床或外圆磨床若前后导轨存在平行度误差时，刀具和工件之间相对位置发生变化，刀尖运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。,H,B,H：机床主轴中心高 B：前后导轨的跨度,工件误差 R(H/B)3,一般：车床H/B2/3

10、 外圆磨床H/B1,（4）主轴旋转轴线与导轨的平行度误差,水平面内,垂直面内,（4）车床主轴旋转轴线与导轨的平行度误差,车削： 若主轴旋转轴线与导轨的平行度误差发生在水平面内，工件将产生形状误差（锥面）； 若平行度误差发生在垂直面内，工件将产生较小的形状误差（双曲面），可忽略。,镗削：,2. 主轴回转误差误差,（1）主轴回转误差的基本概念,所谓主轴回转误差，是指主轴实际回转轴线对理想回转轴线的漂移由于主轴部件中轴承、轴颈、轴承座的制造和安装及配合、主轴回转时的动力因素等，主轴轴线的空间位置会周期性地变化。, 径向圆跳动,是指瞬时回转轴线平行于平均回转轴线的径向运动量。,在实际应用中，用平均回转

11、轴线代替理想回转轴线。, 轴向圆跳动（轴向窜动）,是指瞬时回转轴线沿平均回转轴线的轴向运动量。, 角度摆动,是指瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度作公转。,（2）主轴回转误差对加工精度的影响, 径向跳动,对于镗削：,刀尖到实际回转轴线的距离为定值。,径向跳动,若坐标起点为：,对于车削，主轴的误差运动为：,车削出的表面为近似真圆。, 轴向窜动,无论是车削还是镗削，对圆柱面的加工精度没有影响。,车端面：,车螺纹：,将产生周期性螺距误差。, 角度摆动,若主轴几何轴线作偏心运动（运动频率与主轴转动频率一致），则镗削的孔为真圆，半径为刀尖到平均回转轴线间距离。,若主轴几何轴线作偏心运动的频率与主轴转

12、动频率不一致时，工件将产生圆柱度误差。,若主轴几何轴线作公转运动（非偏心运动），都可以按误差敏感方向投影为加工圆柱面时某一横截面内的径向跳动来分析。,主轴回转误差误差,主轴实际回转轴线对理想回转轴线的漂移。分别以： 径向跳动、 轴向窜动、 角度摆动 这三种误差运动形式来表达。,造成主轴回转误差是由于主轴部件中轴承、轴颈、轴承座的制造和安装及配合、主轴回转时的动力因素等。其表现形式是三种误差运动形式的综合。,因此，在分析和计算主轴回转误给加工带来的加工误差时，可分别分析，再叠加（矢量）。,（3）影响主轴回转精度的因素,滑动轴承, 轴承误差,滑动轴承的圆度误差,车削,主轴轴颈的圆度误差,滑动轴承,

13、滑动轴承的圆度误差,镗削,主轴轴颈的圆度误差, 轴承误差,滚动轴承,滚动轴承滚道的圆度误差； 滚动轴承的游隙 滚动轴承外圈内滚道、内圈外滚道的同轴度误差； 滚动体本身的误差（尺寸、形状）。,（3）影响主轴回转精度的因素, 轴承误差,滑动或滚动轴承滚道的圆度误差； 滑动轴承的间隙、滚动轴承的游隙 滚动轴承外圈内滚道、内圈外滚道的同轴度误差； 滚动体本身的误差（尺寸、形状）。, 轴承定位端面与轴心线的垂直度误差 主轴轴径的圆度误差 受力、热变形等,（4）提高主轴回转精度的措施 提高主轴部件的制造精度 对滚动轴承进行预紧 误差转移,3. 机床传动链误差,滚刀,传动链的传动误差是指内联系的传动链中首末

14、两端传动元件之间相对运动的误差。,例：,：末端件转角误差,：第j个元件的转角误差传至末端件的误差,提高制造精度，特别是末端件的精度。,四、 夹具的制造误差与磨损,1. 定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等的制造误差。,2. 夹具装配后，上述各元件工 作面间的相对尺寸误差。,3. 夹具在使用中工作表面的磨损。,五、刀具的制造误差与磨损,1. 切削刀具决定工件的最终尺寸和形状,例如：定尺寸刀具钻头、绞刀、圆孔拉刀等。 刀具的尺寸误差直接影响工件的尺寸精度； 成形刀具成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等。 刀具的形状误差直接影响工件的形状精度； 展成法刀具齿轮滚刀、插齿刀等。 切削刃的几何形状及刀具

15、有关尺寸精度会直接影响工件的形状精度。,2. 一般刀具（普通车刀、单刃镗刀、面铣刀等） 刀具的制造误差对加工精度无直接影响。,磨损量,工作时间,3. 刀具的磨损,(1)刀具的磨损（特别是误差敏感方向上）将引起工件的尺寸和形状误差。,例：在车床上加工外圆柱面，加工后，工件呈图示形状。试分析形成这种形状误差的原因。,3. 刀具的磨损,(2) 刀具的不断磨损将会引起切削力沿加工表面的法线方向的分力逐渐增大，导致工艺系统受力变形工件的尺寸和形状误差增大，工件的尺寸和形状因而产生额外的变化。,若工艺系统的刚度不足，则受力变形引起的加工误差更严重。,一、基本概念,刚度：工艺系统抵抗变形的能力。,工艺系统的

16、受力变形一般是弹性变形,工艺系统的刚度可由下式表示：,法向切削力,位移,2-3 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,y：Fy、Fx、Fz共同作用的综合结果。而切削分力Fy对加工精度的影响最大（误差敏感方向）,二、工艺系统刚度的计算,柔度,三、工艺系统的刚度对加工精度的影响,1. 切削力作用点位置的变化对加工精度的影响,（1）假定工件短而粗，其受力变形可忽略不计，车刀悬伸也很短，受力后的弯曲变形在法向的分量也可忽略不计，即工艺系统的变形完全取决于机床的变形。,由系统刚度的定义：,B,A,f,n,Fy,C,工艺系统的变形 yx是一个二次抛物线方程，变形大小随刀具在 x方向位置的变化而变化，使车出的

17、工件沿轴向呈鞍形。,（2）工件变形引起的加工误差,若考虑工件本身的刚度（假设此时不考虑机床和刀具的变形），即可由材料力学公式计算工件在切削点的变形量：,E：工件的弹性模量； I ：工件截面的惯性矩。,显然，加工后的工件呈鼓形。,（3）刀具的刚度不足引起的加工误差 可以认为刀具在工件全长上，其变形量近似不变，即由于其变形引起的加工误差为尺寸误差（直径变大）。,（4）工艺系统刚度所引起的加工误差,2. 复映误差,毛坯加工余量和材料硬度的不均匀，会引起切削力大小的变化。工艺系统由于受力大小的不同，变形的大小也相应发生变化，从而导致工件尺寸和几何形,毛坯,状的误差，加工出的工件形状与毛坯形状相类似，这

18、种规律称为误差复映规律，所产生的误差为复映误差。,毛坯圆度误差：,车削后工件圆度误差：,当材料硬度均匀、切削条件 及进给量一定的条件下：,车削时：,由此引伸的问题： 1. 当工件毛坯有形状误差（如：圆度、圆柱度、直线度等）或相互位置误差（如偏心、径向跳动等）时，加工后仍然有相类似的加工误差出现。 2. 当材料硬度不均匀或者有硬质点，同样会造成加工误差。 3. 复映现象产生的加工误差，可通过增加走刀次数加以纠正。,例：设已知一工艺系统的误差复映系数为0.25，工件在本工序前有圆度误差0.45mm，若本工序形状精度规定为 0.01mm，问：至少进给几次方能使形状精度合格？,解：由题设知：,一次进给后：,二次进给后：,三次进给后：,所以，经过三次进给后，能使形状精度合格。,3. 夹紧力和重力,解决办法：,由于机床部件或工件本身重量以及它们在移动中位置变化而引起的