06机械制造与夹具教案

1、第 6 章 机械加工精度与表面质量教学目标与要求 了解并掌握机械加工精度的影响因素及其提高措施 了解并掌握表面质量的影响因素及其改善措施 掌握用概率统计方法判断加工误差的性质及工序能力 教学重点 机械加工精度的影响因素及其提高措施 表面质量的影响因素及其改善措施6.1 机械加工精度概述6.1.1 机械加工精度和加工误差所谓加工精度，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。实际零件的几何参数越接近理想值，加工精度就越高。6.1.2 获得加工精度的方法1尺寸精度的获得方法（1）试切法 加工时先在零件上进行试切削，测量试切尺寸，根据测量结果与要求尺寸的差值，用进

2、给机构或其他方法调整刀具与工件的相对位置，然后再进行试切、测量、再调整，直至整个 待加工表面达到规定的尺寸。试切法不需要特殊装置，但效率低，对操作者的技术水平要求较高，多用于单件、小批 生产或高精度零件的加工。（2）调整法第6章机械加工精度与表面质量按照试切法加工的工件或标准样件或对刀装置等，调整刀具相对于工件加工表面的位置，并在加工过程中保持这一位置，从而获得零件所要求的加工尺寸。与试切法相比，调整法的精度保持性好， 具有较高的生产率，对操作工的技术要求不高， 但对调整工的技术要求高。调整法多用于成批、大量生产。(3) 尺寸刀具法加工孔、键槽或成型面时，常用具有一定尺寸精度的刀具来保证工件的

3、加工尺寸，如钻 头、扩孔钻、铰刀、拉刀、槽铳刀等。尺寸刀具法生产率较高，加工精度主要取决于刀具本 身的尺寸精度及刀具与工件位置精度。采用刀具与机床主轴浮动联接的方式，可以有效地消 除刀具与工件位置精度对尺寸精度的影响。(4) 自动控制法由尺寸测量装置、进给机构和控制系统组成一个刀具位置自动控制系统，在加工过程中,自动测量工件的加工尺寸，并与所要求的尺寸进行比对后发出信号，控制机床或刀具作出相 应的调整，直至达到尺寸精度要求，加工自动停止。自动控制法实际上是一种自动化了的试切法，早期多数为机械一液压控制系统，现代加 工中，多为数字控制，典型的例子是数控机床加工。2 形状精度的获得方法(1) 轨迹

4、法也称刀尖轨迹法，当刀具相对于工件作有规律的运动时，其刀尖运动的轨迹形成被加工 表面的形状。普通的车削、铳削、刨削和磨削等均属于刀尖轨迹法。刀尖的运动轨迹取决于 刀具和工件的相对成形运动，因而工件的形状精度主要取决于成形运动的精度。(2) 成形法成形法是利用成形刀具切削刃的几何形状来代替机床的某些成形运动而获得加工表面形 状的，如图6-1所示。刀具切削刃的几何形状就是被加工表面母线的形状，所获得的形状精 度主要取决于刀刃的形状，如成形车削、铳削轮齿、磨削成形面等。(3) 展成法也叫范成法，利用刀具和工件作展成切削运动所形成的包络面来得到加工表面的形状, 如滚齿、插齿、磨齿、滚花键等均属展成法。

5、这种方法所获得的形状精度主要取决于刀刃的 形状精度和展成运动精度。3 位置精度的获得方法机械加工中，被加工表面对其他表面位置精度的获得，主要取决工件的定位精度。获得 位置精度的方法有 3种：直接找正、划线找正、用夹具装夹。6.2工艺系统原始误差6.2.1工艺系统原始误差的概念工艺系统的原始误差一部分与工艺系统本身的初始状态有关，一部分与切削过程有关。 与工艺系统本身初始状态有关的原始误差主要有加工原理误差和工艺系统几何误差。与切削 过程有关的误差主要有工艺系统力变形引起的误差、工艺系统热变形引起的误差、内应力引 起的误差等。这2部分误差又受环境条件、操作者技术水平等因素的影响。6.2.2加工原

6、理误差及其对加工精度的影响加工原理误差是由于采用了近似的成形运动或近似的刀具轮廓所产生的误差。在生产上,如果采用与理论完全吻合的成形运动，有时很难实现，或者加工效率很低，或者理论上的刀 具轮廓不易制造，也可能会造成机床结构过于复杂，机床本身制造难度增加，机床结构和传 动本身的误差增加，即虽然加工方法是合乎原理的，但系统初始状态的原始误差大大增加， 并不能提高加工精度。此时，特别是对于形状复杂的表面，常常采用近似的加工方法，仍能 满足加工精度要求，并且提高了加工效率，使加工过程更为经济。例如，车削模数螺纹，螺距 -m,二因子是无理数，在选配齿轮时，只能按照近似分数值 计算，造成传动比不准确，这引

7、起了螺旋成形运动本身不准确，造成了螺距误差。采用成形 法铳削齿轮时，采用成形刀具。而由于齿形铳刀的齿廓形状和模数、齿数都有关系，理论上,同一模数的刀具应该是每一种齿数有一把刀具，但从刀具制造成本来说很难实现，因此目前 每种模数的齿轮只有 8把刀具，按齿数分段，每把刀具的齿形按照段落中最小齿数制造。这 使得加工较大齿数时刀具齿形本身就有误差，这种误差自然也反映在被加工齿轮的齿形上。 由加工原理所引起的加工误差，在加工中不必考虑。6.2.3工艺系统几何误差及其对加工精度的影响工艺系统的几何误差主要是指机床、刀具和夹具本身在制造时所产生的误差，以及使用 中产生的磨损和调整误差等。这类原始误差在加工过

8、程开始之前已客观存在，并在加工过程 中不同程度地反映为工件的加工误差。1 .机床的几何误差机床本身的制造误差、安装误差和磨损等误差，会通过成形运动反映到工件的加工表面上。其中影响较大的是主轴的回转误差、导轨的导向误差和传动链的误差。（1）机床主轴的回转误差 回转误差的概念及其对加工精度的影响机床主轴的回转误差是指主轴实际回转轴线对理论轴线的偏移，通常有 轴向窜动（端面圆跳动）、径向跳动（径向圆跳动）、角度摆动，如图轴向窜动是指瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动，如图 要影响工件的端面形状精度和轴向尺寸精度。3种基本形式：6-2所示。6-3（ a）所示，它主6-3 （b）所示。在理论啊轉中

9、心纯角度摆动图6-2主轴回转误差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，如图 6-3（c）所示。它对工件的形 状精度影响很大，如车外圆时会产生锥度。实际加工中的主轴回转误差是上述3种误差基本形式的合成。在切削加工过程中，机床主轴的回转误 差使得瞬时回转中心不断变化，从而引起刀具和工件 的相对位置不断变化，影响了成形运动的准确性，在 工件上形成了加工误差。主轴回转误差对加工精度的 影响，要从切削表面的每个截面内主轴瞬时回转中心 与刀尖位置的变化去分析。随着加工方法的不同，这 种变化及其对加工精度的影响也不同。【例6-1】如图6-4所示，分析车削外圆表面时主 轴回转误差对加工精

10、度的影响。解：在图6-4（a）中，主轴在加工表面法线方向 上发生了纯径向跳动，使刀具在该方向上产生了 Uy的 相对位移，此时工件在半径方向上出现误差AR=）y,即法向位移按照1 : 1的比例转化为加工误差，对加工 精度的影响非常大。D轴时悔曲b径向啊U佈唯抿创图6-3主轴回转运动误差的基本形式径向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，如图 切削回转零件时，它主要影响加工工件的圆度和圆柱度。（3）图6-4主轴回转误差对加工精度的影响在图6-4（ b）中，主轴在加工表面切线方向上发生了纯径向跳动，使刀具在该方向上产 生了 .之的相对位移，此时工件在半径方向上出现误差AR,该量对加工精

11、度的影响非常小，可以忽略不计。具体分析如下。由图6-4（ b）可见（R 7R）2二只？迂2整理后厶R m；z2/2R YR2 /2R其中，：R2是个高级无穷小量，故可以省去，于是得：R z2/2R。设.z=0.01mm， R=50mm，贝则.：R=0.000001mm。因此，称法线方向为误差敏感方向，切线方向为非误差敏感方向。分析回转精度对加工 误差的影响时，应该重点分析误差敏感方向的影响。对回转面的加工，不论是车削，还是镗削、磨削等，主轴的回转误差都会对加工表面造成 影响，但是影响的程度与误差敏感方向有关，也与回转误差的特征有关。例如，车削时如果主 轴轴线在y轴方向作简谐直线运动，虽然是在误

12、差敏感方向，因为位移的对称性，车削出的工 件接近一个真圆。同样是作简谐直线运动，镗削时就会出现椭圆形状误差。磨削时砂轮头架主 轴的回转误差不会引起工件直径的尺寸误差，但是会引起棱圆度、波度即表面粗糙度。主轴的纯轴向窜动对内、外圆表面的加工没有影响（非敏感方向），但是在加工端面时，会使端面与内、外圆轴线垂直度受到较大影响，切出的端面呈现端面凸轮的形状，并在端面 中心有一个凸台，如图 6-5所示。加工螺纹时，会出现螺距误差。纯角度摆动对车削外圆的 圆度影响不大，但是对圆柱度影响大，车削出的工件呈圆锥形。镗孔时，主轴的纯角度摆动 使得主轴轴线与工作台导轨不平行，镗出的孔呈椭圆形，如图6-6所示。图6

13、-6纯角度摆动对镗孔的影响O 工件孔轴心线；Om 主轴回转轴心线 影响主轴回转误差的主要因素影响主轴回转精度的因素主要有轴承误差、轴承配合间隙、与轴承配合的零件的误差， 以及主轴误差等。不同类型的机床，其影响因素也各不相同。当主轴采用滑动轴承支承时，主轴轴径和轴承孔的圆度误差对主轴回转精度有直接影响。 图6-7（a）所示为工件回转类机床（如车床）的状态。此类机床切削力的方向大致不变，在 切削力的作用下，主轴轴径以不同部位与轴承孔的某一固定部位接触，这时主轴轴径的形状 误差使得回转轴线的位置不断变化，是影响回转精度的主要因素。图6-7 （b）所示为刀具回转类机床（如镗床），切削力的方向随主轴回转

14、而变化，主轴轴径以某一固定位置与轴承孔的不同位置相接触，这时轴承孔的形状精度是影响回转精度的主要因素。对于动压滑动轴承， 轴承间隙增大会使油膜厚度变化大，轴心轨迹变动量加大。（a）b）图6-7两类主轴回转误差的影响主轴采用滚动轴承支承时，内外环滚道的形状误差、内环滚道与内孔的同轴度误差、滚 动体的尺寸误差和形状误差等，都会使主轴回转轴线产生径向圆跳动，并且会被部分地复印 到被加工表面上，如图 6-8所示。对车床类，内环滚道的圆度是主要影响因素；对镗床类, 由于承载区位置不断变化，轴承外环滚道圆度是主要影响因素。主轴轴承间隙对回转精度的 影响较大而且复杂，间隙的增大会使轴向窜动与径向圆跳动量增大

15、。-147 -第6章机械加工精度与表面质量内坏（b）外坏淋道形状洪牡fa）内坏濟通邢伏课差心内环滾道弓孔的同轴麼溟莖餓功体尺寸幻形狀逞羌图6-8滚动轴承的形状误差配合零件和装配质量必须严格控制，如主轴轴颈、箱体内孔的尺寸和形状精度不应低于 轴承精度。 提高主轴回转精度的措施为了提高主轴回转精度，需要提高主轴部件（特别是轴承）的制造精度，如精密机床上， 近年来应用较广的是精密滚动轴承、静压滑动轴承，其回转精度和刚度都很高，工艺性也很 好。在主轴部件的制造中，要注意提高主轴轴颈、箱体支承孔等表面的加工精度和装配精度， 对主轴部件进行良好的维护保养以及定期维修。（2）机床导轨的导向误差机床导轨是机床

16、工作台或刀架等主要部件的位置基准，也是实现直线运动的基准，其制 造误差、与工作台或刀架的配合误差是影响机床直线运动精度的主要因素。机床导轨的各类 误差将直接反映到工件的形状误差中。机床导轨误差及其对加工精度的影响机床导轨精度主要表现为导轨在水平面内的直线度（弯曲）、导轨在垂直面内的直线度（弯曲）和双导轨间在垂直方向的平行度（扭曲）。导轨在水平面内有直线度误差时，将使刀尖相对于工件回转轴线在加工面的法线方向（加工误差敏感方向）上产生位移，位移量等于 导轨的直线度误差，此时刀尖在水平面内的运动轨迹不是一条直线，由此造成工件的轴向形 状误差。如图6-9所示，车削外圆时，造成工件鼓形度、腰形度或锥度误

17、差。-149 -第6章机械加工精度与表面质量3（b）图6-9车床导轨在水平面内的直线度误差导轨在垂直面内有直线度误差Ay时，将使刀尖相对于工件回转轴线在加工面的切线方向（加工误差非敏感方向） 变化，此时刀尖的运动轨迹也不是一条直线，由此造成工件的轴向形状误差，但由于这项误差很小，一般可忽略不计。如图6-10所示，在车削或磨削外圆时，该项误差对圆柱度影响不大，即A；AR2R当 R=5O, .=O.O1 时A（0.01）2 csAR 0.001 g100 1000)与表面粗糙度(L3/H3V 50)之间的周期性形状 误差。它主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起的，其波长L与波高H的比值-般为501000。 加工纹理加工纹理是指表面刀纹的方向，取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法及其主运动和进给运动的关系。 伤痕伤痕是指在加工表面的个别位置上的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕、戈U痕等。(2) 表面层物理力学性能由于机械加工中力因素和热因素的作用，加工表面层的物理力学性能和化学性能会发生 定的变化，主要表现在以下几个方面。 表面层加工硬化，也称冷作硬化。 表面层金相组织的变化。 表面层产生残余应力。2 加工表面质量对零件使用性能的影响(1) 表面质量对耐磨性