第五章 机械加工精度

1、 优质、高产、低消耗是企业发展的必由之路。 优质就是高的产品质量。 高产就是生产效率高。 低消耗就是成本低。 产品的质量与零件的加工质量、产品的装配质量密切相关，而零件的加工质量是保证产品质量的基础。它包括零件的加工精度和表面质量两方面。 零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度。 第一节第一节 概概 述述一、加工精度一、加工精度 加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状及各表面相互位置等参数）与理想几何参数的符合程形状及各表面相互位置等参数）与理想几何参数的符合程度。度。符合程度越高，加工精度就越高。反之，越低。符合程度越高，加工

2、精度就越高。反之，越低。 理想几何参数理想几何参数表面表面绝对平面、圆柱面等；绝对平面、圆柱面等；位置位置绝对平行、垂直、同绝对平行、垂直、同 轴等；轴等；尺寸尺寸位于公差带中心位于公差带中心。1.加工精度加工精度 加工误差是指零件加工后的实际几何参数对加工误差是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，所以，加工误差的大理想几何参数的偏离程度，所以，加工误差的大小反映了加工精度的高低。小反映了加工精度的高低。 实际加工时不可能也没有必要把零件做得与实际加工时不可能也没有必要把零件做得与理想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加理想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加工误差。只要这

3、些误差在规定的范围内，即能满工误差。只要这些误差在规定的范围内，即能满足机器使用性能的要求。足机器使用性能的要求。2.加工误差加工误差二、尺寸、形状和位置精度间的关系二、尺寸、形状和位置精度间的关系 独立原则是处理形位公差和尺寸公差关系的独立原则是处理形位公差和尺寸公差关系的基本原则，即尺寸精度和形位精度按照使用要求基本原则，即尺寸精度和形位精度按照使用要求分别满足；分别满足；在一般情况下，尺寸精度高，其形状在一般情况下，尺寸精度高，其形状和位置精度也高；和位置精度也高；通常，零件的形状误差约占相通常，零件的形状误差约占相应尺寸公差的应尺寸公差的3050；位置误差约为尺寸公；位置误差约为尺寸公

4、差的差的6585。三、获得加工精度的方法三、获得加工精度的方法1.获得尺寸精度的方法获得尺寸精度的方法 试切法试切法 定尺寸刀具法定尺寸刀具法 调整法调整法 自动控制法自动控制法 2. 获得形状精度的方法获得形状精度的方法 刀尖轨迹法刀尖轨迹法 成形刀具法成形刀具法 展成法展成法 3. 获得位置精度的方法获得位置精度的方法 直接找正直接找正 划线找正划线找正 夹具定位夹具定位四、原始误差四、原始误差 由由机床、夹具、刀具和工件机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统组成的机械加工工艺系统的误差是工件产生加工误差的根源。我们把工艺系统的各的误差是工件产生加工误差的根源。我们把工艺系统的各种误

5、差称之为原始误差。种误差称之为原始误差。 原始误差的种类原始误差的种类工艺系统的几何误差工艺系统的几何误差工艺系统受力变形引起的误差工艺系统受力变形引起的误差工艺系统热变形引起的误差工艺系统热变形引起的误差工件的残余应力引起的误差工件的残余应力引起的误差伺服进给系统位移误差等伺服进给系统位移误差等四、四、研究机械加工精度的方法研究机械加工精度的方法分析计算法统计分析法 是在掌握各种原始误差对加工精是在掌握各种原始误差对加工精度影响规律的基础上，分析工件加工度影响规律的基础上，分析工件加工中所出现的误差可能是哪一种或哪几中所出现的误差可能是哪一种或哪几种主要原始误差所引起的，并找出原种主要原始误

6、差所引起的，并找出原始误差与加工误差之间的影响关系，始误差与加工误差之间的影响关系，通过估算来确定工件加工误差的大小，通过估算来确定工件加工误差的大小，再通过试验测试来加以验证。再通过试验测试来加以验证。 是对具体加工条件下得到的几何是对具体加工条件下得到的几何参数进行实际测量，然后运用数理统参数进行实际测量，然后运用数理统计学方法对这些测试数据进行分析处计学方法对这些测试数据进行分析处理，找出工件加工误差的规律和性质，理，找出工件加工误差的规律和性质，进而控制加工质量。进而控制加工质量。 第二节第二节 工艺系统的几何精度工艺系统的几何精度对加工精度的影响对加工精度的影响一、原理误差一、原理误

7、差 原理误差是指由于采用了近似的原理误差是指由于采用了近似的加工方法加工方法、近似的、近似的成成形运动形运动或近似的或近似的刀具轮廓刀具轮廓而产生的误差。而产生的误差。 例如滚齿用的齿轮滚刀，就有两种误差，一是为了制造方便，采例如滚齿用的齿轮滚刀，就有两种误差，一是为了制造方便，采用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造形误差；用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造形误差；二是由于滚刀切削刃数有限，切削是不连续的，因而滚切出的齿轮齿二是由于滚刀切削刃数有限，切削是不连续的，因而滚切出的齿轮齿形不是光滑的渐开线，而是折线。形不是光滑的渐开线，而是折线。 成形车刀、成

8、形铣刀也采用了近似的刀具轮廓。成形车刀、成形铣刀也采用了近似的刀具轮廓。 采用近似的成形运动和刀具刃形，不但可以简化机床或刀具的结采用近似的成形运动和刀具刃形，不但可以简化机床或刀具的结构，而且能提高生产效率和加工的经济效益。构，而且能提高生产效率和加工的经济效益。二、机床几何误差二、机床几何误差机床几何误差的来源机床几何误差的来源机床制造机床制造磨损磨损安装安装机床几何误差的组成机床几何误差的组成主轴回转误差主轴回转误差导轨误差导轨误差传动链误差传动链误差机床的几何误差组成机床的几何误差组成机床几何误差机床几何误差机床传动链误差机床传动链误差机床主轴回转误差机床主轴回转误差机床导轨误差机床导

9、轨误差轴向窜动径向跳动角度摆动水平面内直线度垂直面内直线度前后导轨的平行度传动链始末两端传动元件间相对运动误差1、机床导轨误差、机床导轨误差 机床导轨是机床中确定某些主要部件相对位置的机床导轨是机床中确定某些主要部件相对位置的基准，也是某些主要部件的运动基准。基准，也是某些主要部件的运动基准。 机床导轨误差的基本形式机床导轨误差的基本形式水平面内的直线度水平面内的直线度垂直面内的直线度垂直面内的直线度前后导轨的平行度（扭前后导轨的平行度（扭曲）曲）导轨对主轴回转轴线的导轨对主轴回转轴线的平行度（垂直度）平行度（垂直度） 现以卧式车床为例，说明导轨误差是怎样影响工件现以卧式车床为例，说明导轨误差

10、是怎样影响工件的加工精度的。的加工精度的。（1）导轨在水平面内直线度误差的影响导轨在水平面内直线度误差的影响 当导轨在水平面内的直线度误差为当导轨在水平面内的直线度误差为y时时,引起工件在引起工件在半径方向的误差为（图半径方向的误差为（图56）：）： R=y 由此可见：床身导轨在水平面内如果有直线度误差，使工件由此可见：床身导轨在水平面内如果有直线度误差，使工件在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差。在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差。 当导轨向后凸出时，工件上产生当导轨向后凸出时，工件上产生鞍形鞍形加工误差；加工误差；当导轨向前凹出时，工件上产生当导轨向前凹出时，工件

11、上产生鼓形鼓形加工误差。加工误差。YYoDR水平面水平面导轨水平面内直线度导轨水平面内直线度图图56 导轨在水平面内直线度误差导轨在水平面内直线度误差 床身导轨在垂直面内有直线度误差（图床身导轨在垂直面内有直线度误差（图5-6.1），会引会引起刀尖产生切向位移起刀尖产生切向位移Z，造成工件在半径方向产生的误差造成工件在半径方向产生的误差为：为： RzZ2/D（2）导轨在垂直面内直线度误差的影响导轨在垂直面内直线度误差的影响设：设：Z=Y=0.01mm ，R=50mm ， 则由于导轨在水平面内的直线度而产生的加工误差则由于导轨在水平面内的直线度而产生的加工误差 R= Y =0.01mm, 由于导

12、轨在垂直面内的直线度产生的加工误差由于导轨在垂直面内的直线度产生的加工误差 R Z2/d =0.000001mm 此值完全可以忽略不计。由于此值完全可以忽略不计。由于Z2数值很小，因此该误差对数值很小，因此该误差对工件的尺寸精度和形状精度影响甚小。工件的尺寸精度和形状精度影响甚小。 垂直平面垂直平面导轨垂直面直线度导轨垂直面直线度ZdRZ图图56.1 导轨在垂直面内直线度误差导轨在垂直面内直线度误差Rd/2 对平面磨床，龙门刨床对平面磨床，龙门刨床及铣床等，导轨在垂直面内及铣床等，导轨在垂直面内的直线度误差会引起工件相的直线度误差会引起工件相对于砂轮（刀具）产生法向对于砂轮（刀具）产生法向位移

13、，其误差将直接反映到位移，其误差将直接反映到被加工工件上，造成形状误被加工工件上，造成形状误差（图差（图5-85-8）。）。 原始误差引起工件相对于刀具产生相对位移，若原始误差引起工件相对于刀具产生相对位移，若产生在加工表面法向方向（产生在加工表面法向方向（误差敏感方向误差敏感方向），对加工），对加工精度有直接影响；产生在加工表面切向方向（误差非精度有直接影响；产生在加工表面切向方向（误差非敏感方向）敏感方向） ，可忽略不计。，可忽略不计。结论：结论： 图图58 龙门刨床导轨垂直面龙门刨床导轨垂直面 内直线度误差内直线度误差 1刨刀刨刀 2工件工件 3工作台工作台 4床身导轨床身导轨（3）前后

14、）前后导轨平行度误差的影响导轨平行度误差的影响 床身前后导轨有平行度误差（扭曲）床身前后导轨有平行度误差（扭曲）时，会使车床溜板在沿床身移动时发生时，会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产生偏移，偏斜，从而使刀尖相对工件产生偏移，使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥度）。度）。 从图从图5-75-7可知，车床前后导轨扭曲的最终结果可知，车床前后导轨扭曲的最终结果反映在工件上，于是产生了加工误差反映在工件上，于是产生了加工误差y y。从几何从几何关系中可得出：关系中可得出： yH/ByH/B 一般车床一般车床H2B/3H2B/3，外圆磨床外圆磨床

15、HBHB，因此该项因此该项原始误差对加工精度的影响很大。原始误差对加工精度的影响很大。图图57 车床导轨扭曲对工件形状精度影响车床导轨扭曲对工件形状精度影响2、机床主轴回转误差、机床主轴回转误差（1）机床主轴回转误差的概念）机床主轴回转误差的概念 主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线（一般用平均主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线（一般用平均回转轴线来代替）产生的偏移量。回转轴线来代替）产生的偏移量。主轴回转误差的基本形式主轴回转误差的基本形式 径向圆跳动径向圆跳动 端面圆跳动端面圆跳动 倾角摆动倾角摆动 实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于主轴实际实际上主轴回转误差是上述三种形式误差

16、的合成。由于主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动所产生的位回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动所产生的位移（即误差）是一个移（即误差）是一个瞬时值瞬时值。 下面以在镗床上镗孔、车床上车外圆为例来下面以在镗床上镗孔、车床上车外圆为例来说明主轴回转误差对加工精度的影响。说明主轴回转误差对加工精度的影响。车间车间所有机床，我们分为：所有机床，我们分为： 工件回转类工件回转类刀具回转类刀具回转类误差敏感方向不变加工时误差敏感方向和切削力方向随主轴回转而不断变化（2）主轴回转误差对加工精度的影响）主轴回转误差对加工精度的影响主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响主

17、轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响镗削加工：镗刀回转，工件不转镗削加工：镗刀回转，工件不转 假设由于主轴的纯径向跳动而使轴线在假设由于主轴的纯径向跳动而使轴线在y y坐标方向作简谐坐标方向作简谐运动（图运动（图5-155-15），其频率与主轴转速相同，简谐幅值为其频率与主轴转速相同，简谐幅值为A A； 则则: : h h = Acos = Acos （ tt） 且主轴中心偏移最大（等于且主轴中心偏移最大（等于A A）时，镗刀尖正好通过水平时，镗刀尖正好通过水平位置位置1 1处。处。 当镗刀转过一个当镗刀转过一个角时（位置角时（位置11），刀尖轨迹的水平分），刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分

18、别计算得：量和垂直分量分别计算得： y=Acos+Rcos=(A+R)cos y=Acos+Rcos=(A+R)cos Z=Rsin Z=Rsin将上两式平方相加得将上两式平方相加得: : y y2 2/(A+R)/(A+R)2 2+Z+Z2 2/R/R2 2=1=1 表明此时镗出的孔为椭圆形。表明此时镗出的孔为椭圆形。AAROm11，h=AcosO234ORsin(A+R）cos图图515 镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响车床加工：工件回转，刀具移动车床加工：工件回转，刀具移动 假设主轴轴线沿假设主轴轴线沿y轴作简谐运动（图轴作简谐运动（图5-16），在工件在

19、工件的的1处（主轴中心偏移最大之处）切出的半径比在工件的处（主轴中心偏移最大之处）切出的半径比在工件的2、4处切出的半径小一个幅值处切出的半径小一个幅值A；在工件的在工件的3处切出的半径比处切出的半径比在工件的在工件的2、4处切出的半径大一个幅值处切出的半径大一个幅值A。 这样，上述四点工件的直径都相等，其它各点直径这样，上述四点工件的直径都相等，其它各点直径误差也很小，所以车削出的工件表面接近于一个真圆。误差也很小，所以车削出的工件表面接近于一个真圆。 Y2+Z2=R2+A2Sin2 由此可见，主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆由此可见，主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆度影响很小。度影响很

20、小。图图516 车削时纯径向跳动对加工精度的影响车削时纯径向跳动对加工精度的影响轴向窜动对车、镗削加工精度的影响轴向窜动对车、镗削加工精度的影响 主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有影响，但加工端面时，会使加工的端面与内外圆影响，但加工端面时，会使加工的端面与内外圆轴线产生垂直度误差。轴线产生垂直度误差。 主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切出的端面产生平面度误差（图出的端面产生平面度误差（图5-14）。当加工螺）。当加工螺纹时，会产生螺距误差。纹时，会产生螺距误差。 图图514 主轴轴向窜动对端面加工精度的影响主

21、轴轴向窜动对端面加工精度的影响 车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小，但轴车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小，但轴平面有圆柱度误差（锥度）。平面有圆柱度误差（锥度）。 车外圆：得到圆形工件，但产生圆柱度误差（锥体）车外圆：得到圆形工件，但产生圆柱度误差（锥体） 车端面：产生平面度误差车端面：产生平面度误差 镗孔时，由于主轴的纯角度摆动镗孔时，由于主轴的纯角度摆动 使得主轴回转轴线与使得主轴回转轴线与工作台导轨不平行，工作台导轨不平行，使镗出的孔呈椭圆形，使镗出的孔呈椭圆形，如图如图5-7所示。所示。 角度摆动对车、镗削加工精度的影响角度摆动对车、镗削加工精度的影响 主轴纯角度摆动对加

22、工精度的影响，取决于不同主轴纯角度摆动对加工精度的影响，取决于不同的加工内容。的加工内容。图图57 主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响（3）提高主轴回转精度的措施）提高主轴回转精度的措施1）提高主轴的轴承精度。）提高主轴的轴承精度。2）减少机床主轴回转误差对加工精度的影响。）减少机床主轴回转误差对加工精度的影响。3）对滚动轴承进行预紧，以消除间隙。）对滚动轴承进行预紧，以消除间隙。4）提高主轴箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承）提高主轴箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合的零件有关表面的加工精度。相配合的零件有关表面的加工精度。3、机床传动链误差、机床传动链误差 在车螺纹、插

23、齿、滚齿等加工时，刀具与工件之在车螺纹、插齿、滚齿等加工时，刀具与工件之间有严格的传动比要求。要满足这一要求，间有严格的传动比要求。要满足这一要求，机床传动机床传动链链的误差必须控制在允许的范围内。的误差必须控制在允许的范围内。（1）机床传动链误差定义）机床传动链误差定义 指传动链始末两端指传动链始末两端执行元件间相对运动的误执行元件间相对运动的误差。差。（2）机床传动链误差描述）机床传动链误差描述 传动链末端元件产生的传动链末端元件产生的转角误差转角误差。它的大小它的大小对车、磨、铣螺纹，滚、插、磨（展成法磨齿）对车、磨、铣螺纹，滚、插、磨（展成法磨齿）齿轮等加工会影响分度精度，造成加工表面

24、的形齿轮等加工会影响分度精度，造成加工表面的形状误差，如螺距精度、齿距精度等。状误差，如螺距精度、齿距精度等。 例如，车螺纹时，要求主轴与传动丝杠的转速比恒定例如，车螺纹时，要求主轴与传动丝杠的转速比恒定（图示），即（图示），即iTTiii iTzzzzzzzzS432186427531Z1Z2（3）驱动丝杠误差的产生）驱动丝杠误差的产生2112zzi1122i12 图图 车螺纹的传动误差示意图车螺纹的传动误差示意图S工件导程；工件导程；T丝杠导程；丝杠导程；Z1Z8各齿轮齿数各齿轮齿数若齿轮若齿轮Z1有转角误差有转角误差1，造成造成Z2的转角误差为：的转角误差为：12i121Z1 1 1n=

25、i1n1Z2 2 2n=i2n2Zn n nn=innn在任一时刻，各齿轮的转角误差反映到丝杠的总误差为：在任一时刻，各齿轮的转角误差反映到丝杠的总误差为：njjnjnnnni121传到丝杠上的转角误差为传到丝杠上的转角误差为1n，即：即：图所示为滚齿机传动系统图，被切齿轮装夹在工作台上，与蜗轮同轴回转。由于传动链中各传动件制造与安装都会存在一定的误差，每个传动件的误差都将通过传动链影响被切齿轮的加工精度。由于各传动件在传动链中所处的位置不同，它们对工件加工精度的影响程度亦不相同。设滚刀轴均匀旋转，若齿轮z1有转角误差，而其他各传动件假设无误差，则由产生的工件转角误差1111721564228

26、28282828282080Kdcbafein差K1齿轮Z1到工作台的传动比， 分析上式可知，提高传动元件的制造精度和装配精度，减少传动件数，均可减小传动链误差。（3）减少传动链误差的措施）减少传动链误差的措施1）尽量缩短传动链。）尽量缩短传动链。 2）提高传动件的制造和安装精度，尤其是末端）提高传动件的制造和安装精度，尤其是末端零件的精度。零件的精度。 3）尽可能采用降速运动，且传动比最小的一级）尽可能采用降速运动，且传动比最小的一级传动件应在最后。传动件应在最后。 4）消除传动链中齿轮副的间隙。）消除传动链中齿轮副的间隙。 5）采用误差校正机构）采用误差校正机构5-24 丝杠加工误差校正装

27、置丝杠加工误差校正装置1工件工件 2螺母螺母 3母丝杠母丝杠 4杠杆杠杆 5校正尺校正尺 6触头触头 7校正曲线校正曲线1、刀具、刀具 误差误差一般刀具一般刀具定尺寸刀具定尺寸刀具成形刀具成形刀具展成法刀具展成法刀具 如普通车刀、单刃镗刀和面铣刀等）的制造误差对加工精度没有直接影响，但磨损后对工件尺寸或形状精度有一定影响 定尺寸刀具（如钻头、铰刀、圆孔拉刀等）的尺寸误差直接影响被加工工件的尺寸精度。刀具的安装和使用不当，也会影响加工精度。 成形刀具（如成形车刀、成形铣刀、盘形齿轮铣刀等）的误差主要影响被加工面的形状精度 展成法刀具（如齿轮滚刀、插齿刀等）加工齿轮时，刀刃的几何形状及有关尺寸精度

28、会直接影响齿轮加工精度三、工艺系统其它几何误差三、工艺系统其它几何误差图图5-26 车刀的尺寸磨损车刀的尺寸磨损图图5-27 车刀磨损过程车刀磨损过程 夹具的误差主要是指：夹具的误差主要是指：1）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等零件的制造误差。零件的制造误差。2）夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸）夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸误差。误差。3）夹具在使用过程中工作表面的磨损。（图）夹具在使用过程中工作表面的磨损。（图5-25） 工件的安装误差包括定位误差和夹紧误差。具工件的安装误差包括定位误差和夹紧误差。具体内容在体内容

29、在机床夹具机床夹具课程中讲述。课程中讲述。2、夹具误差和工件安装误差、夹具误差和工件安装误差图图5-25 钻孔夹具误差对加工精度的影响钻孔夹具误差对加工精度的影响3、测量误差、测量误差（1）量具、量仪和测量方法本身的误差）量具、量仪和测量方法本身的误差（2）环境条件的影响（温度、振动等）环境条件的影响（温度、振动等）（3）测量人员主观因素的影响（视力、测量）测量人员主观因素的影响（视力、测量 力大小等）力大小等）（4）正确选择和使用量具，以保证测量精度）正确选择和使用量具，以保证测量精度4、调整误差调整误差试切法调整试切法调整定程机构调整定程机构调整样板、样件调整样板、样件调整夹具安装调整夹具

30、安装调整 大批量生产时常采用行程挡块、靠模、凸轮作为定程机构，其制造精度和调整精度产生调整误差样件、样板的制造精度和安装精度、对刀精度产生调整误差测量误差进给机构位移误差（爬行现象）加工余量的影响（余量很小时，刀刃打滑） 影响工件在机床上占有正确的加工位置5、工艺系、工艺系统磨损引统磨损引起的误差起的误差 磨损破坏了成形运动，改变了工件与磨损破坏了成形运动，改变了工件与刀具的相对位置和速比，产生加工误差刀具的相对位置和速比，产生加工误差 刀具磨损严重影响工件的刀具磨损严重影响工件的形状精度、尺寸精度形状精度、尺寸精度工艺系统：工艺系统：机床、夹具、机床、夹具、工件、刀具工件、刀具外力：外力：切

31、削力、传切削力、传动力、惯性力、夹动力、惯性力、夹紧力、重力紧力、重力产生加工误差产生加工误差（举例）（举例）破坏了刀具、工破坏了刀具、工件间相对位置件间相对位置第三节第三节 工艺系统受力变形对加工精度影响工艺系统受力变形对加工精度影响工艺系统受力变形现象工艺系统受力变形现象图图528 受力变形对工件精度的影响受力变形对工件精度的影响 a) 车长轴车长轴 b） 磨内孔磨内孔 由此看来，为了保证和提高工件的加工精度，就由此看来，为了保证和提高工件的加工精度，就必须深入研究并控制以至消除工艺系统及其有关组成必须深入研究并控制以至消除工艺系统及其有关组成部分的变形。部分的变形。（一）工艺系统的刚度（

32、一）工艺系统的刚度 工艺系统整体抵抗其变形的能力。其大小为：工艺系统整体抵抗其变形的能力。其大小为： 背向力背向力Fp （旧标准中为径向切削分力旧标准中为径向切削分力Fy）与工艺系统在该方向与工艺系统在该方向上的变形上的变形yxt的比值，即的比值，即k=Fp/y 注意：注意：这里变形这里变形y是总切削力的三个分力是总切削力的三个分力Fc、Fp、Ff（旧标准中旧标准中为为Fz、Fy、Fx）综合作用的结果。综合作用的结果。 1. 工艺系统刚度的概念工艺系统刚度的概念2、系统刚度与环节刚度、系统刚度与环节刚度 工艺系统的刚度是由组成工艺系统各部件的刚度决定工艺系统的刚度是由组成工艺系统各部件的刚度决

33、定的。工艺系统的总变形量为：的。工艺系统的总变形量为： y= yjc+ydj+yjj+ygjk=Fp/y, kjc= Fp/yjc ， kdj= Fp/ydj , kjj= Fp/yjj， kgj= Fp/ygj 工艺系统刚度的一般式为：工艺系统刚度的一般式为： k= 1/(1/kjc+1/ kdj+1/ kj+1/ kgj) 若已知工艺系统各组成部分的刚度（即环节刚度），若已知工艺系统各组成部分的刚度（即环节刚度），就可以求出工艺系统的刚度。就可以求出工艺系统的刚度。（二）工艺系统刚度对加工精度的影响（二）工艺系统刚度对加工精度的影响1、切削力作用位置变化引起的加工误差、切削力作用位置变化引

34、起的加工误差 根据材料力学的挠度计算公式，其切削点工件的变形根据材料力学的挠度计算公式，其切削点工件的变形量为：量为： yw=Fp(L-x)2x2/3E I L 从上式的计算结果和车削的实际情况都可证实，切削后从上式的计算结果和车削的实际情况都可证实，切削后的工件呈鼓形，其最大直径在通过轴线中点的横截面内。的工件呈鼓形，其最大直径在通过轴线中点的横截面内。1） 工件的刚度及其变形（细长轴）工件的刚度及其变形（细长轴）2） 工件短而粗工件短而粗 即此时即此时工艺系统刚工艺系统刚度主要取决度主要取决于机床刚度于机床刚度 当刀具切削到工件的任意位置当刀具切削到工件的任意位置 C时时（图（图5-29示

35、示），工艺系统的总变形），工艺系统的总变形 y系统系统为：为： yxtyx+y刀架刀架 通过推证可知工艺系统在工件切削点处通过推证可知工艺系统在工件切削点处的变形量为的变形量为: y系统=Fp1/k刀+1/k头(L-x/L)2+1/k尾(x/L)2 可以看出可以看出 : y系统系统 =f(x)，是一个二次抛物是一个二次抛物线方程，变形大小随刀具在线方程，变形大小随刀具在x方向位置变化方向位置变化,使车出的工件呈抛物线形状（图使车出的工件呈抛物线形状（图530）。）。工艺系统受力变形随切削位置而变化工艺系统受力变形随切削位置而变化刚度变化造成工件误差刚度变化造成工件误差1理想的工件形状；理想的工

36、件形状； 2k头头k尾尾时车出的工件形状时车出的工件形状3）工艺系统刚度及总变形）工艺系统刚度及总变形 综合上述两种情况，工艺系统的总变形量为综合上述两种情况，工艺系统的总变形量为式（式（5-16）和式（）和式（5-18）的叠加）的叠加 Y系统系统=Fp1/k刀架刀架+1/k头头(L-x/x)2+1/k尾尾(x/L)2 +(L-x)2x2/3EIL工艺系统的刚度为工艺系统的刚度为Kxt=Fp/yxt=1/ 1/k刀架刀架+1/k头头(L-x/x)2+1/k尾尾(x/L)2 +(L-x)2x2/3EIL可以看出可以看出 Kxt=f(x) 由于在工件加工的不同位置，由于在工件加工的不同位置， Kx

37、t不同，使加不同，使加工后工件的径向尺寸不同，从而产生形状误差。工后工件的径向尺寸不同，从而产生形状误差。2、切削力、切削力 大小变化引起的加工误差（误差复映）大小变化引起的加工误差（误差复映） 在加工过程中，由于工件加工余量或材料硬度不均匀，在加工过程中，由于工件加工余量或材料硬度不均匀，都会引起背向力的变化，从而使工艺系统受力变形不一致都会引起背向力的变化，从而使工艺系统受力变形不一致而产生加工误差。而产生加工误差。 以车削短圆柱工件外圆为例，如图以车削短圆柱工件外圆为例，如图5-31所示。所示。由于毛坯存在的圆度误差由于毛坯存在的圆度误差m=ap1-ap2引起了工件产生圆度误差引起了工件

38、产生圆度误差g=y1 -y2 且且m越大，越大，g越大，这种由于工艺系统受力变形的变越大，这种由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯椭圆形状误差复映到加工后工件表面的现象称化而使毛坯椭圆形状误差复映到加工后工件表面的现象称为为“误差复映误差复映”。 f、ap 分别为进给量、背吃刀量； pppFFFnyx、1pFxppcaF 式中与切削条件有关；指数；，所以在一次走刀加工中，切削速度、进给量及其它切削条件设为不变，即在一次走刀加工中，切削速度、进给量及其它切削条件设为不变，即C为常数，在车削加工中，即中车削力的计算公式根据表121称为误差复映系数，mgpFnHBpFyfpFxpapFCpF)(pFC

39、CHBfCpFpFpnyF)(2211,pPppcaFcaF所以xtkC 由上式可知由上式可知,工艺系统的刚度工艺系统的刚度kxt越大越大,复映系数复映系数越小越小,毛坯误差复映到工毛坯误差复映到工件上去的部分就越少。件上去的部分就越少。 一般一般1,经加工之后工件的误差比加工前的误差减小经加工之后工件的误差比加工前的误差减小,经多道工序或多经多道工序或多次走刀加工之后次走刀加工之后,工件的误差就会减小到工件公差所许可的范围内。工件的误差就会减小到工件公差所许可的范围内。 若经过若经过n次走刀加工后，则误差复映为次走刀加工后，则误差复映为 g=12nm 总的误差复映系数总的误差复映系数 z=1

40、2nmxtppxtxtPxtpppppkCaakCkFkFyygCaFCaF)(,2121212211 在粗加工时在粗加工时,每次走刀的进给量每次走刀的进给量f一般不变一般不变,假设误差假设误差复映系数均为复映系数均为,则则n次走刀就有次走刀就有 z=n 增加走刀次数增加走刀次数,可减小误差复映可减小误差复映,提高加工精度提高加工精度,但生产但生产率降低了。率降低了。 提高工艺系统刚度，对减小误差复映系数具有重要意提高工艺系统刚度，对减小误差复映系数具有重要意义。义。 毛坯的各种形状误差毛坯的各种形状误差（圆度、圆柱度、同轴度、平面（圆度、圆柱度、同轴度、平面度等）都会以一定的复映系数，复映成

41、工件的加工误差。度等）都会以一定的复映系数，复映成工件的加工误差。 毛坯材料的不均匀，毛坯材料的不均匀，硬度有变化，同样会引起背向力硬度有变化，同样会引起背向力的变化，产生加工误差，分析方法同误差复映规律。的变化，产生加工误差，分析方法同误差复映规律。讨论：讨论： 在车床或磨床类机床上加工轴类零件时，常用单爪拨在车床或磨床类机床上加工轴类零件时，常用单爪拨盘带动工件旋转，如图所示。盘带动工件旋转，如图所示。3、传动力和惯性力对加工精度的影响、传动力和惯性力对加工精度的影响1）由于传动力引起的误差）由于传动力引起的误差 结论：结论： 在单爪拨盘传动下车削在单爪拨盘传动下车削出来的工件是一个正圆柱

42、，出来的工件是一个正圆柱，并不产生加工误差。并不产生加工误差。2）由于惯性力引起的误差）由于惯性力引起的误差 在高速切削时，如果工艺系统中有不平衡的高速旋转在高速切削时，如果工艺系统中有不平衡的高速旋转的构件存在，就会产生离心力。它和传动力一样，在工件的构件存在，就会产生离心力。它和传动力一样，在工件的每一转中不断变更方向，引起工件几何轴线作上述相同的每一转中不断变更方向，引起工件几何轴线作上述相同形式的摆角运动，故理论上讲也不会造成工件圆度误差。形式的摆角运动，故理论上讲也不会造成工件圆度误差。但是要注意的是当不平衡质量的离心力大于切削力时，车但是要注意的是当不平衡质量的离心力大于切削力时，

43、车床主轴轴颈和轴承内孔表面的接触点就会不断地变化，轴床主轴轴颈和轴承内孔表面的接触点就会不断地变化，轴承孔的圆度误差将传给工件的回转轴心。承孔的圆度误差将传给工件的回转轴心。 因此可采用因此可采用配重平衡配重平衡的方法来消除这种影响，必要时的方法来消除这种影响，必要时亦可适当亦可适当降低主轴转速降低主轴转速，以减小离心力的影响以减小离心力的影响。 4、夹紧力和重力引起的加工误差、夹紧力和重力引起的加工误差1）由于机床部件或工件本身重量以及它们在移动中位）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加工误差（图置变化而引起的加工误差（图535） 图图5-35 机床部件自重引起的横梁

44、变形机床部件自重引起的横梁变形 图图532 套筒夹紧变形误差套筒夹紧变形误差 工件工件 开口过渡环开口过渡环2）由于夹紧力引起的加工误差（图）由于夹紧力引起的加工误差（图5-32） 图图533 薄片工件的磨削薄片工件的磨削毛坯翘曲毛坯翘曲 b) 电磁工件台吸紧电磁工件台吸紧 c) 磨后松开，工件翘曲磨后松开，工件翘曲a)d) 磨削凸面磨削凸面 e) 磨削凹面磨削凹面 f) 磨后松开，工件平直磨后松开，工件平直3. 机床部件刚度机床部件刚度 机床结构复杂，组成的零部件多，各零部件之间机床结构复杂，组成的零部件多，各零部件之间有不同的联接和运动方式，因而机床部件的刚度问题就有不同的联接和运动方式，

45、因而机床部件的刚度问题就比较复杂。它的计算至今还没有合适的方法，需要通过比较复杂。它的计算至今还没有合适的方法，需要通过实验来测定。实验来测定。 下图为单向加载时车床刚度测定示意图。主轴部件、下图为单向加载时车床刚度测定示意图。主轴部件、尾座及刀架的变形可分别从千分表尾座及刀架的变形可分别从千分表2、3和和6读出。读出。 这种方法测得的这种方法测得的y方向位移是背向力方向位移是背向力Fp作用下引起作用下引起的变形。的变形。 图示单向静载测定车床刚度图示单向静载测定车床刚度 1心轴心轴 2、3、6千分表千分表 4测力环测力环 5螺旋加力器螺旋加力器 图图15 车床刀架部件的刚度曲线车床刀架部件的

46、刚度曲线 一次加载一次加载 二次加载二次加载 三次加载三次加载（1）机床部件刚度的特点）机床部件刚度的特点1） 背向力背向力Fp与刀架变形与刀架变形ydj不是线性关系。不是线性关系。2） 加载曲线与卸载曲线不重合。加载曲线与卸载曲线不重合。3） 加载曲线与卸载曲线不封闭（卸载后，由于存在残加载曲线与卸载曲线不封闭（卸载后，由于存在残余变形，曲线回不到原点）。余变形，曲线回不到原点）。4）部件的实际刚度远比按实体结构的估计值小。）部件的实际刚度远比按实体结构的估计值小。 图图15是以是以Fp为纵坐标，刀架变形为纵坐标，刀架变形ydj为横坐标的某车为横坐标的某车床刀架部件的刚度实测曲线。实验中进行

47、了三次加载床刀架部件的刚度实测曲线。实验中进行了三次加载卸卸载循环，由图可以看出，机床部件的刚度曲线有以下特点载循环，由图可以看出，机床部件的刚度曲线有以下特点：（2）影响机床部件刚度的因素）影响机床部件刚度的因素 连接表面间的接触变形连接表面间的接触变形(上图）上图）薄弱零件本身的影响（下图）薄弱零件本身的影响（下图）接合面间的间隙接合面间的间隙接合面间摩擦力的影响接合面间摩擦力的影响机床部件刚度的薄弱环节机床部件刚度的薄弱环节 a) 溜板中的楔铁溜板中的楔铁 b) 轴承套轴承套接接 触触 刚刚 度度 实验研究表明，两个相接触的表面间受力作用时，两表面的接触实验研究表明，两个相接触的表面间受

48、力作用时，两表面的接触变形变形y是表面压强是表面压强p的递增函数（下图）。的递增函数（下图）。 因此，机床部件接合表面间刚度可较确切地用因此，机床部件接合表面间刚度可较确切地用接触刚度接触刚度来表示，来表示，即压强的微分即压强的微分dp与位移的微分与位移的微分dy的比值称为接触刚度的比值称为接触刚度kjkj =dp/dy通过提高导轨等结合面的刮研质量、形状精度并降低表面粗糙度，都能增加接触面积，有效地提高接触刚度。预加载荷，也可增大接触刚度加工细长轴时，采用中心架或跟刀架来提高工件的刚度。采用导套、导杆等辅助支承来加强刀架的刚度。对刚性较差的工件选择合适的夹紧方法，能减小夹紧变形，提高加工精度

49、 采用塑料滑动导轨，其摩擦特性好，有效防止低速爬行，运行平稳，定位精度高，具有良好的耐磨性、减振性和工艺性。此外，还有滚动导轨和静压导轨。（1）提高）提高 接触刚度接触刚度（2）提高零部）提高零部件刚度减小受力件刚度减小受力变形变形（3）合理安）合理安装工件减小装工件减小夹紧变形夹紧变形4减少摩擦减少摩擦防止微量进给防止微量进给时的时的“爬行爬行”五、减小工艺系统受力变形的措施五、减小工艺系统受力变形的措施（5）合理使）合理使 用机床用机床（6）合理安排）合理安排工艺，粗精分开工艺，粗精分开（7）转移或）转移或补偿弹性变形补偿弹性变形减少工艺系统减少工艺系统受力变形受力变形六、六、 工件残余应

50、力引起的加工误差工件残余应力引起的加工误差（一）内应力的产生及其对加工精度的影响（一）内应力的产生及其对加工精度的影响什么是残什么是残 余余 应应 力力n残余应力是指在没有外残余应力是指在没有外部载荷的情况下，存在部载荷的情况下，存在于工件内部的应力，又于工件内部的应力，又称内应力。称内应力。产生原产生原 因因残余应力是由金属内部的相邻宏观残余应力是由金属内部的相邻宏观或微观组织发生了不均匀的体积变或微观组织发生了不均匀的体积变化而产生的，促使这种变化的因素化而产生的，促使这种变化的因素主要来自热加工或冷加工。主要来自热加工或冷加工。 残余应力对零件加工精度的影响残余应力对零件加工精度的影响n

51、存在残余应力的零件，始终处于一种不稳定状态，存在残余应力的零件，始终处于一种不稳定状态，其内部组织有要恢复到一种新的稳定的没有内应力其内部组织有要恢复到一种新的稳定的没有内应力状态的倾向。状态的倾向。n在内应力变化的过程中，零件产生相应的变形，在内应力变化的过程中，零件产生相应的变形，原有的加工精度受到破坏。原有的加工精度受到破坏。n用这些零件装配成机器，在机器使用中也会逐渐用这些零件装配成机器，在机器使用中也会逐渐产生变形，从而影响整台机器的质量。产生变形，从而影响整台机器的质量。在铸造、锻造、焊接及热处理过程中，由于工件各部分在铸造、锻造、焊接及热处理过程中，由于工件各部分冷却收缩不均匀以

52、及金相组织转变时的体积变化，在毛坯冷却收缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，在毛坯内部就会产生残余应力。内部就会产生残余应力。(图图543）1、毛坯制造中产生的残余应力、毛坯制造中产生的残余应力毛坯的结构越复杂，各部分壁厚越不均匀以及散热条件毛坯的结构越复杂，各部分壁厚越不均匀以及散热条件相差越大，毛坯内部产生的残余应力就越大。相差越大，毛坯内部产生的残余应力就越大。具有残余应力的毛坯，其内部应力暂时处于相对平衡状具有残余应力的毛坯，其内部应力暂时处于相对平衡状态，虽在短期内看不出有什么变化，但当加工时切去某些态，虽在短期内看不出有什么变化，但当加工时切去某些表面部分后，这种平衡就被打破，内

53、应力重新分布，并建表面部分后，这种平衡就被打破，内应力重新分布，并建立一种新的平衡状态，工件明显地出现变形。立一种新的平衡状态，工件明显地出现变形。图图543 铸件残余应力引起的变形铸件残余应力引起的变形图所示为一个内外壁厚相差较大的铸件，在浇铸后的冷图所示为一个内外壁厚相差较大的铸件，在浇铸后的冷却过程中产生残余应力的情况。却过程中产生残余应力的情况。 2、冷校直引起的残余应力、冷校直引起的残余应力现现 象象原原 因因n在外力在外力F的作用下，工件内部的应力重新分布，的作用下，工件内部的应力重新分布，如图如图5-44b所示，在轴心线以上的部分产生压所示，在轴心线以上的部分产生压应力（用负号表

54、示），在轴心线以下的部分产应力（用负号表示），在轴心线以下的部分产生拉应力（用正号表示）。在轴心线和两条虚生拉应力（用正号表示）。在轴心线和两条虚线之间，是弹性变形区域，在虚线以外是塑性线之间，是弹性变形区域，在虚线以外是塑性变形区域。变形区域。n冷校直工艺方法是在一些长棒料或细长零件冷校直工艺方法是在一些长棒料或细长零件弯曲的反方向施加外力弯曲的反方向施加外力F以达到校直目的，如以达到校直目的，如图图5-44a所示。所示。影影 响响 措措 施施n当外力当外力F去除后，弹性变形本可完全恢复，但去除后，弹性变形本可完全恢复，但因塑性变形部分的阻止而恢复不了，使残余应因塑性变形部分的阻止而恢复不了

55、，使残余应力重新分布而达到平衡，如图力重新分布而达到平衡，如图c所示。所示。n对精度要求较高的细长轴（如精密丝杠），对精度要求较高的细长轴（如精密丝杠），不允许采用冷校直不允许采用冷校直来减小弯曲变形，而采用加来减小弯曲变形，而采用加大毛坯余量，经过多次切削和时效处理来消除大毛坯余量，经过多次切削和时效处理来消除内应力，或采用热校直。内应力，或采用热校直。 2、切削加工中引起的残余应力、切削加工中引起的残余应力 工件在切削加工时，其表面层在切削力和切削热的工件在切削加工时，其表面层在切削力和切削热的作用下，会产生不同程度的塑性变形，引起体积改变，从作用下，会产生不同程度的塑性变形，引起体积改变

56、，从而产生残余应力。这种残余应力的分布情况由加工时的工而产生残余应力。这种残余应力的分布情况由加工时的工艺因素决定。艺因素决定。内部有残余应力的工件在切去表面的一层金属后，残余内部有残余应力的工件在切去表面的一层金属后，残余应力要重新分布，从而引起工件的变形。应力要重新分布，从而引起工件的变形。在拟定工艺规程时，要将加工划分为粗、精等不同阶段在拟定工艺规程时，要将加工划分为粗、精等不同阶段进行，以使粗加工后内应力重新分布所产生的变形在精加进行，以使粗加工后内应力重新分布所产生的变形在精加工阶段去除工阶段去除。对质量和体积均很大的笨重零件，即使在同一台重型机对质量和体积均很大的笨重零件，即使在同

57、一台重型机床进行粗精加工也应该在粗加工后将被夹紧的工作松开，床进行粗精加工也应该在粗加工后将被夹紧的工作松开，使之有充足时间重新分布内应力，在使其充分变形后，然使之有充足时间重新分布内应力，在使其充分变形后，然后重新夹紧进行精加工。后重新夹紧进行精加工。切削加工切削加工磨削加工磨削加工 产生内应力原因产生内应力原因 毛坯制造毛坯制造热处理热处理 冷校直冷校直 减少内应力引起变形的措施减少内应力引起变形的措施1 1合理设计零件结构合理设计零件结构应尽量简化结构，减小应尽量简化结构，减小零件各部分尺寸差异，零件各部分尺寸差异，以减少铸锻件毛坯在制以减少铸锻件毛坯在制造中产生的残余应力。造中产生的残

58、余应力。2增加消除残余应力的专门工序增加消除残余应力的专门工序对铸、锻、焊接件进行退火或回火；对铸、锻、焊接件进行退火或回火；工件淬火后进行回火；对精度要求工件淬火后进行回火；对精度要求高的零件在粗加工或半精加工后进高的零件在粗加工或半精加工后进行时效处理（自然、人工、振动时行时效处理（自然、人工、振动时效处理）效处理） 3合理安排工艺过程合理安排工艺过程 在安排零件加工工在安排零件加工工 艺过程中，尽可能将粗、艺过程中，尽可能将粗、精加工分在不同工序中精加工分在不同工序中进行。进行。第四节第四节 工艺系统热变形加工精度的影响工艺系统热变形加工精度的影响一、概一、概 述述 工艺系统在各种热源作

59、用下，会产生相应的热变形，从而破坏工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而破坏工件与刀具间正确的相对位置，造成加工误差。工件与刀具间正确的相对位置，造成加工误差。 据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%70%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度，而且还。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度，而且还影响加工效率的提高。影响加工效率的提高。 实现数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿，全靠机床实现数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿，全靠机床自动控制，因此热变形的影响就显得特别重要。自动控制，因此热变形的影响就显

60、得特别重要。 工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研究课题。究课题。 （一）（一） 工艺系统的热源工艺系统的热源电机、轴承、齿轮、电机、轴承、齿轮、油泵等油泵等工件、刀具、切屑、工件、刀具、切屑、切削液切削液气温、室温变化、气温、室温变化、热、冷风等热、冷风等热源热源切削热切削热摩擦热摩擦热外部热源外部热源内部热源内部热源环境温度环境温度热辐射热辐射日光、照明、暖气日光、照明、暖气、体温等、体温等 （二）（二）. 工艺系统的热平衡工艺系统的热平衡 工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐升