第5章机械加工精度2

1、二、工艺系统的热变形二、工艺系统的热变形在精密、超精密加工以及大件加工中，由于在精密、超精密加工以及大件加工中，由于热变热变形引起的加工误差占加工总误差的形引起的加工误差占加工总误差的40%40%70%70%。（一）工艺系统的热源（一）工艺系统的热源1.1.内部热源内部热源（1 1）摩擦热）摩擦热（2 2）转化热）转化热（3 3）切削热）切削热切削热是在切削过程中，切削层金属弹性、塑性切削热是在切削过程中，切削层金属弹性、塑性变形以及刀具、工件和切屑之间的的摩擦所消耗变形以及刀具、工件和切屑之间的的摩擦所消耗的能量转化而成。的能量转化而成。切削热的计算切削热的计算tVFQz产生的切削产生的切削

2、热将传给工件、刀具和切屑热将传给工件、刀具和切屑，其分配，其分配与加工方法有关。与加工方法有关。图图5-37 5-37 车削加工时切削热的分配车削加工时切削热的分配2.2.外部热源外部热源（1 1）环境温度）环境温度（2 2）辐射热）辐射热（二）机床热变形对加工精度的影响（二）机床热变形对加工精度的影响1.1.机床热变形规律机床热变形规律机床上机床上不同位置传入的热量不同不同位置传入的热量不同，其温升也不，其温升也不同。在同。在同一部位，温升是随时间变化的同一部位，温升是随时间变化的。图图5-38 5-38 机床温度机床温度时间曲线时间曲线2.2.常用机床热变形及常用机床热变形及其对加工精度影

3、响其对加工精度影响（1 1）车床）车床（2 2）立式铣床）立式铣床（3 3）坐标镗床）坐标镗床变形与立式铣床相似。但变形与立式铣床相似。但坐坐标镗床是精密加工设备标镗床是精密加工设备，必必须严格控制温升。须严格控制温升。（4 4）磨床磨床（三）工件热变形对加工精度影响（三）工件热变形对加工精度影响1.1.工件均匀受热工件均匀受热简单的轴类、套类和盘类零件内外圆加工，切削简单的轴类、套类和盘类零件内外圆加工，切削热比较均匀传入工件。热比较均匀传入工件。工件热工件热变形量变形量Ll车削一管形零件，其外径为车削一管形零件，其外径为dd，内径为，内径为DD，长，长度为度为L L，求因工件热变形产生的圆

4、柱度误差。，求因工件热变形产生的圆柱度误差。工件获得的热量工件获得的热量ktVFQz工件的温升工件的温升mcktVFzC C比热容。比热容。切削时间切削时间sVLdsnLt 工件直径的热伸长工件直径的热伸长d d为为mctkVFdddz结论：结论：工件材料种类对热变形影响很大。材料不同，工件材料种类对热变形影响很大。材料不同，线膨胀系数线膨胀系数不同；密度不同；密度不同；比热容不同；比热容c c不同，不同，单位切削力不同；切削热也不同。加工铜、铝时单位切削力不同；切削热也不同。加工铜、铝时更应注意热变形问题。更应注意热变形问题。空心管子比实心棒料热膨胀大。加工薄壁件时空心管子比实心棒料热膨胀大

5、。加工薄壁件时更应注意热变形的影响。更应注意热变形的影响。均匀受热时，由于受均匀受热时，由于受夹紧点的散热的影响夹紧点的散热的影响，工件，工件变形也变形也不一致不一致。图图5-41 5-41 圆环零件内孔磨削时的热变形圆环零件内孔磨削时的热变形2.2.工件不均匀受热工件不均匀受热在铣、刨、磨等平面加工中，在铣、刨、磨等平面加工中，工件单面受热，上工件单面受热，上下形成温差，这就是不均匀受热。下形成温差，这就是不均匀受热。不均匀受热时，工件受热表面产生上凸热变形，不均匀受热时，工件受热表面产生上凸热变形，加工后，待工件冷却后，加工表面产生下凹的平加工后，待工件冷却后，加工表面产生下凹的平面度误差

6、。面度误差。图图5-42 5-42 平面磨削时的翘曲变形与计算平面磨削时的翘曲变形与计算工件下凹量的大小，可以由几何关系近似计算工件下凹量的大小，可以由几何关系近似计算84sin2LLyLLlBE)(12HLABEBHL82工件长度工件长度L L越大，厚度越大，厚度H H越小，误差越大；加工线越小，误差越大；加工线膨胀系数大的有色金属变形量大。膨胀系数大的有色金属变形量大。（四）刀具热变形及其对精度的影响（四）刀具热变形及其对精度的影响车削圆柱的实验：车削圆柱的实验：加工后的圆柱产生倒锥形圆柱度误差，影响因素加工后的圆柱产生倒锥形圆柱度误差，影响因素有刀具的热伸长、工件热变形和机床进给与主轴有

7、刀具的热伸长、工件热变形和机床进给与主轴回转轴线不平行。刀具磨损有助减少圆柱度误差回转轴线不平行。刀具磨损有助减少圆柱度误差实验结果：实验结果：工件在工件在300mm300mm长度上圆柱度误差半径方向为长度上圆柱度误差半径方向为7373mm，其中其中刀具热伸长刀具热伸长为为41.5 41.5 mm，占，占56.8%56.8%；机床进给机床进给与主轴回转轴线不平行与主轴回转轴线不平行产生误差为产生误差为27 27 mm，占，占37%37%；受力变形产生误差受力变形产生误差为为4 4 mm，占，占5.5%5.5%；工件热变形工件热变形产生产生的误差为的误差为2 2mm，占，占2.7%2.7%；刀具

8、磨损刀具磨损产生的误产生的误差为差为-1.5 -1.5 mm，占，占-2%-2%。结论：刀具热变形占主导地位。结论：刀具热变形占主导地位。车刀热变形及对加工精度影响车刀热变形及对加工精度影响图图5-43 5-43 车刀热伸长与切削车刀热伸长与切削时间关系时间关系刀具热伸长量为：刀具热伸长量为：)1 (maxcttet tc c时间常数，与刀具质时间常数，与刀具质量量m m，比热容，比热容c c，截面积，截面积A A及及表面散热系数表面散热系数s s有关。有关。在调整法加工一批工件时，开始几个工件直径尺在调整法加工一批工件时，开始几个工件直径尺寸和圆柱度误差较大寸和圆柱度误差较大 。当车刀达到热

9、平衡后，工。当车刀达到热平衡后，工件尺寸和圆柱度误差都较小。件尺寸和圆柱度误差都较小。（五）减少和控制工艺系统热变形的主要途径（五）减少和控制工艺系统热变形的主要途径1.1.减少热源发热和隔离热源减少热源发热和隔离热源（1 1）采用新的切削机理，消除挤压产生的切削）采用新的切削机理，消除挤压产生的切削热热（2 2）减少切削热和磨削热）减少切削热和磨削热控制控制切削用量切削用量，合理选择和使用刀具合理选择和使用刀具减少切削热。减少切削热。在磨削时，正确在磨削时，正确选择砂轮和磨削用量并及时修整选择砂轮和磨削用量并及时修整砂轮，减少切削热产生。砂轮，减少切削热产生。（3 3）减少机床各运动副的摩擦

10、热）减少机床各运动副的摩擦热从从运动部件的结构和润滑运动部件的结构和润滑等方面采取措施，等方面采取措施，改善改善摩擦特性以减少摩擦热。摩擦特性以减少摩擦热。（4 4）分离热源）分离热源将热源从工艺系统中分离出去。将热源从工艺系统中分离出去。（5 5）隔离热源）隔离热源2.2.加强散热能力加强散热能力加强散热主要是增加强散热主要是增加散热面积和使用加散热面积和使用强制性的风冷、水强制性的风冷、水冷等措施冷等措施图图5-44 5-44 丝杠磨床冷却丝杠磨床冷却图图5-45 5-45 采用强制采用强制冷却的实验曲线比冷却的实验曲线比较较3.3.控制温度变化，均衡温度场控制温度变化，均衡温度场（1 1

11、）机床空运行，使其达到热平衡）机床空运行，使其达到热平衡工艺系统达到热平衡后，工艺系统达到热平衡后，系统热变形基本稳定系统热变形基本稳定，热变形量对加工精度影响大大减小热变形量对加工精度影响大大减小。一是机床高速空运转，达到热平衡后转入工作速一是机床高速空运转，达到热平衡后转入工作速度；二是在机床适当部位设置附加热源，人为给度；二是在机床适当部位设置附加热源，人为给机床供热，促使尽快达到热平衡。机床供热，促使尽快达到热平衡。（2 2）采取控温措施）采取控温措施精度要求高的机床除安放在恒温车间外，还要进精度要求高的机床除安放在恒温车间外，还要进一步采用控制温度措施。一步采用控制温度措施。图图5-

12、46 M7150A5-46 M7150A磨床磨床“热补偿油沟热补偿油沟”图图5-47 5-47 均衡立柱前后壁温度场均衡立柱前后壁温度场4.4.控制环境温度控制环境温度对于精密机床，恒温精度控制在对于精密机床，恒温精度控制在1 10 0C C，精密级为，精密级为0.50.50 0C C，超精密级为，超精密级为0.010.010 0C C。5.5.采用合理的机床部件结构采用合理的机床部件结构（1 1）采用热对称结构）采用热对称结构图图5-48 5-48 牛头刨热变形及滑枕结构的改进牛头刨热变形及滑枕结构的改进（2 2）合理设）合理设计零部件的相计零部件的相对位置对位置图图5-49 5-49 支承

13、距离对砂轮架热变支承距离对砂轮架热变形影响形影响在变速箱中，传动元件对称安放使箱壁温升均匀在变速箱中，传动元件对称安放使箱壁温升均匀减小箱体热变形。减小箱体热变形。图图5-50 5-50 定位点位置对热变形的影响定位点位置对热变形的影响6.3 6.3 工件内应力引起的变形工件内应力引起的变形一、内应力的概念及其特性一、内应力的概念及其特性在没有外力作用下，在没有外力作用下，存在零件内部的相互平衡的存在零件内部的相互平衡的力称为内应力，也称残余应力。力称为内应力，也称残余应力。特征：始终要求处于相互平衡状态，且不稳定，特征：始终要求处于相互平衡状态，且不稳定，随时间推移会逐渐减小，直至消失。随时

14、间推移会逐渐减小，直至消失。二、工件内应力的产生二、工件内应力的产生1.1.毛坯内应力的产生毛坯内应力的产生在热加工时，由于毛坯各部分厚薄不均，冷却速在热加工时，由于毛坯各部分厚薄不均，冷却速度不一致而产生内应力。度不一致而产生内应力。铸件在铸造过程中都会产生冷却速度不均情况，铸件在铸造过程中都会产生冷却速度不均情况，都会产生一定的内应力。都会产生一定的内应力。图图5-52 5-52 床身铸件的残余应力及加工后的变形床身铸件的残余应力及加工后的变形2.2.机械加工过程中产生的应力机械加工过程中产生的应力3.3.工件冷校直产生的内应力工件冷校直产生的内应力图图5-53 5-53 冷校直引起的内应

15、力冷校直引起的内应力三、减少和消除内应力的工艺措施三、减少和消除内应力的工艺措施1.1.合理设计零件结构合理设计零件结构尽量简化结构，使壁厚均匀，增大零件刚性，减尽量简化结构，使壁厚均匀，增大零件刚性，减少壁厚差。少壁厚差。2.2.采用时效热处理采用时效热处理（1 1）自然时效）自然时效毛坯制造后或在粗加工后，精加工前，将工件放毛坯制造后或在粗加工后，精加工前，将工件放置一段时间，利用温度的自然变化，经过多次的置一段时间，利用温度的自然变化，经过多次的热胀冷缩，使工件内部组织产生变化从而减少或热胀冷缩，使工件内部组织产生变化从而减少或消除内应力。消除内应力。（2 2）人工时效）人工时效高温时效

16、：加热到高温时效：加热到5005006006000 0C C，并保温，并保温4 46 6小时，小时，再随炉冷却至再随炉冷却至1001002002000 0C C。（3 3）振动时效）振动时效3.3.合理安排工艺合理安排工艺6.4 6.4 加工误差的综合分析方法加工误差的综合分析方法一、加工误差的性质一、加工误差的性质1.1.系统误差系统误差在连续加工一批工件时，在连续加工一批工件时，加工误差的大小和方向加工误差的大小和方向始终保持不变，或按一定规律变化，这类误差称始终保持不变，或按一定规律变化，这类误差称为系统误差为系统误差。前者称常。前者称常值系统误差值系统误差，后者，后者称变值称变值系统误

17、差。系统误差。常值系统误差：机床、夹具、刀具的制造误差，常值系统误差：机床、夹具、刀具的制造误差，工艺系统的静力变形等引起的加工误差。工艺系统的静力变形等引起的加工误差。变值系统误差：机床、刀具的热变形，刀具的磨变值系统误差：机床、刀具的热变形，刀具的磨损。损。2.2.随机误差随机误差连续加工一批工件，连续加工一批工件，误差的大小和方向无规律地误差的大小和方向无规律地变化，这种误差称为随机误差。变化，这种误差称为随机误差。二、加工误差的统计分析二、加工误差的统计分析加工误差的统计分析方法就是在生产现场实际加加工误差的统计分析方法就是在生产现场实际加工出的一批工件中，抽取一定数量的工件（即样工出

18、的一批工件中，抽取一定数量的工件（即样本）进行检查和测量，并运用数理统计的方法，本）进行检查和测量，并运用数理统计的方法，对检测结果进行分析处理，从中找出误差产生的对检测结果进行分析处理，从中找出误差产生的原因，进而找出解决问题的途径。原因，进而找出解决问题的途径。毛坯的复映误差、工件的定位误差，夹紧误差，毛坯的复映误差、工件的定位误差，夹紧误差，内应力引起的变形产生的加工误差。内应力引起的变形产生的加工误差。（一）分布曲线法（一）分布曲线法1.1.实际分布图实际分布图直方图直方图以工件尺寸为横坐标，以频数为纵坐标所作的图以工件尺寸为横坐标，以频数为纵坐标所作的图形称直方图。形称直方图。频数频

19、数：每批工件中具有同一尺寸的工件数目称为：每批工件中具有同一尺寸的工件数目称为频数。频数。频率频率：频数与一批工件总数之比称为频率。：频数与一批工件总数之比称为频率。步骤：步骤：（1 1）抽取样本并测量样本尺寸）抽取样本并测量样本尺寸样本容量一般为样本容量一般为n n5050100100件。件。测量样本尺寸测量样本尺寸X Xi i，并以组距，并以组距X X将样本分为将样本分为j j组。组。样本容量样本容量n n分组数分组数j j样本容量样本容量n n分组数分组数j j50505 5 7 71001002502507 7 121250501001006 6 8 825025010102020表表

20、6-4 6-4 样本分组数样本分组数磨削磨削100100个工件，尺寸个工件，尺寸X X= =8080-0.03-0.03，组距，组距X X=0.002mm=0.002mm，工件尺寸的频数分布如表。，工件尺寸的频数分布如表。序号序号 尺寸范围尺寸范围（mmmm）频数分布频数分布 5 10 5 10 15 2015 20频数频数m m频率频率m m/ /n n1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010111179.98879.98879.99079.99079.99079.99079.99279.99279.99279.99279.994 79.994 79.99479.994

21、79.99679.99679.99679.996 79.99879.99879.99879.998 80.00080.00080.00080.000 80.00280.00280.00280.002 80.00480.00480.00480.004 80.00680.00680.00680.006 80.00880.00880.00880.008 80.01080.0103 36 69 9141416161616121210106 65 5 3 30.030.030.060.060.090.090.140.140.160.160.160.160.120.120.100.100.060.060.

22、050.050.030.03总计总计1001001.001.00（2 2）作直方图）作直方图图图5-54 5-54 尺寸分布直方图尺寸分布直方图组距样本容量频数组距频率频率密度（3 3）直方图）直方图计算分析计算分析将工件最大尺寸及将工件最大尺寸及最小尺寸或公差带最小尺寸或公差带标注在直方图上，标注在直方图上，对直方图进行分析。对直方图进行分析。样本的样本的废品及合格品废品及合格品分析分析公差带以外的部分为废品。公差带以外的部分为废品。尺寸散布界尺寸散布界直方图上矩形面积和为直方图上矩形面积和为1 1样本的最大尺寸与最小尺寸之差。样本的最大尺寸与最小尺寸之差。022. 0988.79010.8

23、0minmaxXXV散布界尺寸小于尺寸散布界尺寸小于尺寸公差带宽度，具备不公差带宽度，具备不产生废品的必要条件产生废品的必要条件，散布界宽度是随机误散布界宽度是随机误差决定的。差决定的。（4 4）算术平均值与标）算术平均值与标准偏差准偏差jkkzkniimXnXnX1111算术平均值：jkkzkniimXXnXXnS122111）（）（样本标准差：样本算术平均值样本算术平均值 表示了该表示了该样本尺寸的分散中心样本尺寸的分散中心，它主要由它主要由调整尺寸和常值系统误差决定调整尺寸和常值系统误差决定。样本标准差样本标准差反映了反映了样本尺寸的分散程度样本尺寸的分散程度。它由。它由随随机误差和变值

24、系统误差决定。机误差和变值系统误差决定。2.2.正态分布曲线正态分布曲线（1 1）正态分布曲线与概率密度函数）正态分布曲线与概率密度函数曲线表达式即概率密度函数曲线表达式即概率密度函数2)(221)(xexy)(x(2)(2)正态分布曲线特性正态分布曲线特性正态曲线呈正态曲线呈钟形钟形，曲线以，曲线以x x轴为渐近线轴为渐近线；曲线对曲线对称于称于x x= =这一直线。这一直线。曲线在曲线在x x= =时，具有时，具有极大值极大值2121)(0ey算术平均值算术平均值和标准差和标准差决定了曲线的形状和决定了曲线的形状和位置，称位置，称和和为曲线的特征值为曲线的特征值。图图5-56 5-56 和

25、和对分布曲线的影响对分布曲线的影响正态分布曲线在正态分布曲线在x x= = 处有两个拐点。处有两个拐点。（ - - ） x x(1.671.67 CP1.331.33 CP1.001.00 CP0.670.67 CP特级工艺一级工艺二级工艺三级工艺四级工艺工艺能力很高，可以允许有异常波动工艺能力足够，可以有一定波动工艺能力勉强，必须密切注意工艺能力不足，可能产生少量不合格品工艺能力很差，必须加以改进表表5-8 5-8 工艺等级工艺等级工艺能力系数反映了工艺能力的大小。工艺能力系数反映了工艺能力的大小。工艺能力足工艺能力足够只是保证加工质量的必要条件，如果不能保证尺够只是保证加工质量的必要条件，

26、如果不能保证尺寸中心与公差带中心重合，仍然会产生废品寸中心与公差带中心重合，仍然会产生废品。当系统存在常值系统误差当系统存在常值系统误差C C时，只有满足式时，只有满足式6)(2CXT才不会出现废品。才不会出现废品。（3 3）计算合格品率）计算合格品率和废品率和废品率图图5-58 5-58 合格品与废品合格品与废品一批工件的工序尺寸要求是一批工件的工序尺寸要求是2020+01+01，加工后散布符，加工后散布符合正态分布，其标准差为合正态分布，其标准差为0.025mm0.025mm。曲线的散布中。曲线的散布中心的位置相对与公差带中值位置右偏了心的位置相对与公差带中值位置右偏了0.03mm0.03

27、mm，求废品率。求废品率。图图5-59 5-59 工序尺寸工序尺寸2020+01+01的的分布分布解：解：A A、B B部分为合格品部分为合格品03. 0203. 02TXTXBA坐标变换坐标变换8 . 0025. 0/02. 0/2 . 3025. 0/08. 0/BBAAXZXZ查表：查表：2281. 0)(8 . 049931. 0)(2 . 3BBAAZZZZ所有合格品为所有合格品为78741. 02881. 049931. 0)()(BAZZ废品率为废品率为 1 178.74%=21.26%78.74%=21.26%使散布中心与公差带中心重合使散布中心与公差带中心重合2025. 0/

28、05. 005. 02ZTX4772. 0)( Z合格品为合格品为 0.47720.47722=0.9544=95.44%2=0.9544=95.44%4.4.分布曲线法的局限性分布曲线法的局限性（1 1）没有考虑工件的加工顺序，不能反映误差变）没有考虑工件的加工顺序，不能反映误差变化趋势，不能将变值系统误差和化趋势，不能将变值系统误差和 随机误差区分开。随机误差区分开。（2 2）不能在加工过程中及时提供控制信息。）不能在加工过程中及时提供控制信息。（二）点图分析法（二）点图分析法图图5-60 5-60 个值点图个值点图图图5-61 5-61 自动车床加工的点图自动车床加工的点图（三）相关分析

29、法（三）相关分析法分析某些因素之间的关联程度。分析某些因素之间的关联程度。图图5-67 5-67 相关图的各种类型相关图的各种类型6.5 6.5 提高加工精度的工艺措施提高加工精度的工艺措施一、误差预防技术一、误差预防技术误差预防技术是指误差预防技术是指减小原始误差或减小原始误差减小原始误差或减小原始误差的影响的影响，就是，就是减少误差源或改变误差源与加工误减少误差源或改变误差源与加工误差之间的数量转换关系。差之间的数量转换关系。1.1.合理采用先进工艺与设备合理采用先进工艺与设备图图5-70 5-70 细长轴弯曲变形与细长轴弯曲变形与反向进给车削反向进给车削2.2.减少原始误差减少原始误差这

30、种方法是在查明产生加这种方法是在查明产生加工误差的主要因素之后，工误差的主要因素之后，设法对其消除和减弱。设法对其消除和减弱。加工细长轴时，工件产生腰鼓形误差，采取措施加工细长轴时，工件产生腰鼓形误差，采取措施如下：如下：（1 1）采用跟刀架，增加刚性，解决工件顶弯问题）采用跟刀架，增加刚性，解决工件顶弯问题（2 2）采用）采用大进给量反向车削大进给量反向车削，解决，解决F Fx x将工件压弯将工件压弯问题。同时尾顶尖采用弹簧解决热伸长引起变形问题。同时尾顶尖采用弹簧解决热伸长引起变形问题。问题。图图5-71 5-71 车出缩颈车出缩颈车出缩颈减少因过车出缩颈减少因过定位使工件产生的定位使工件

31、产生的弯曲变形。弯曲变形。3.3.误差转化法误差转化法误差转化法就是把原始误差转移到加工误差转化法就是把原始误差转移到加工误差非敏误差非敏感方向上或其他不影响加工精度的方面上去感方向上或其他不影响加工精度的方面上去。图图5-72 5-72 转塔车床采用转塔车床采用“立刀立刀”安装安装将六角转位时的重复定位误差转移到加工误差非将六角转位时的重复定位误差转移到加工误差非敏感方向。敏感方向。4.4.误差分组法误差分组法在机械加工过程中，经常会遇到由毛坯误差较大在机械加工过程中，经常会遇到由毛坯误差较大而引起较大的复映误差；或由于工件的定位误差而引起较大的复映误差；或由于工件的定位误差较大引起较大的加工误差。解决的方法是使用较大引起较大的加工误差。解决的方法是使用分分组调整均分误差的方法组调整均分误差的方法。就是把。就是把工件按误差大小工件按误差大小分分n n组，每组误差范围就缩小为原来的组，每组误差范围就缩小为原来的1/