第二节机械加工精度1

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。 第一第一 机械加工精度概机械加工精度概 述述一、加工精度与加工误差一、加工精度与加工误差 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

2、度就越高。反之，越低。符合程度越高，加工精度就越高。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理想零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，即加工误差。只

3、要件完全一致，而总会有一定的偏差，即加工误差。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这些误差在规定的范围内，即能满足机器使用性能的要求。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基本原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分别满足；在则，即尺寸精度和形位精度按照使用要求分别满足；在一般情况下，尺寸精度高，其形状和位置精度也高；通一般情况下，尺寸精度高，其形状和位置精度也高；通常，零件的形状误差约占相应尺寸公差的常，零件的形状误差约占相应尺寸公差的3050

4、；位置误差约为尺寸公差的位置误差约为尺寸公差的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 由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统由机床、夹具、刀具和工件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

5、加工误差的根源。我们把工艺系统的各种误差称之为原始误差。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原始误差产生加工误差的根源，它包括：原始误差产生加工误差的根源，它包括：工艺系统静误差工艺系统静误差主轴回转误差导轨误差传动链误差一般刀具定尺寸刀具成形刀具展成法刀具 试切法调整法外力作用点变化外力方向变化外力大小变化机床几何误差机床几何误差工艺系统几何误差工艺系

6、统几何误差原理误差原理误差调整误差调整误差测量误差测量误差定位误差定位误差工艺系统动误差工艺系统动误差工艺系统力变形工艺系统力变形工艺系统热变形工艺系统热变形工艺系统内应力变形工艺系统内应力变形刀具几何误差刀具几何误差夹具几何误差夹具几何误差机床热变形工件热变形刀具热变形四、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差所引起的，并找出原始误差

7、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。 加工精度加工精度尺寸精度形状精度位置精度 加工误差加工误差与理想零件的偏离加工精度的另一描述 工艺系统工艺系统机床刀具夹具工件 原

8、始误差原始误差工艺系统的误差产生加工误差的根源包括工艺系统静误差、动误差分析计算法统计分析法 第二第二 工艺系统的几何误差工艺系统的几何误差一、原理误差一、原理误差 原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。 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

9、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

10、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内联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前后导轨的平行

11、度（扭曲）（扭曲） 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（半径方向的误差为（图图21）：）： 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。 YYoDR水平面水平面导轨水平面内直线度

12、导轨水平面内直线度图图21 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（床身导轨在垂直面内有直线度误差（图图2-2），会引起会引起刀尖产生切向位移刀尖产生切向位移Z，造成工件在半径方向产生的误差为：造成工件在半径方向产生的误差为： RZ2/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 ， 则由于法向原始误差而产生的加工误差则由于法向原始误差而产生的加工误差 R= Y =0.01mm, 由于切向原始误差产生的加工误差由于切向原始误差产生的加工误差 R Z2/d =0.000001mm 此值完

13、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22 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，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）。 原始误差引

14、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（误差敏感方向），对加工产生在加工表面法向方向（误差敏感方向），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 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）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

15、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）。 从从图图2-32-3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： yHyH/B/B 一般车床一般车床H2B/3H2B/3，外圆磨床外圆磨床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23 车床导轨扭曲对工件形状精度影响车床导轨扭曲对

16、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 轴向窜动轴向窜动 纯径向跳动纯径向跳动 纯角度摆动纯角度摆动 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

17、移（即误差）是一个瞬时值。移（即误差）是一个瞬时值。 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

18、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（运动（图图2-42-4），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: : Y Y = = AcosAcos （ 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别计算得：量和垂直分量分别计算得： y= y=AcosAcos+RcosRcos=(A+R)=(A+R)coscos Z= Z=RsinRsin

19、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，AcosO234ORsin(A+R）cos图图24 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（轴作简谐运动（图图2-5），在工件的在工件的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

20、；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。度影响很小。图图25 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

21、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（出的端面产生平面度误差（图图2-6）。当加工螺纹）。当加工螺纹时，会产生螺距误差。时，会产生螺距误差。 图图26 主轴轴向窜动对端面加工精度的影响主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

22、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，如如图图2-7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27 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

23、（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。讨论n镗床上镗孔时，工作台进给（图示），即工件直线进给运动，镗杆旋转运动。导轨在水平面、垂直面内的直线度误差对加工精度有何影响？n答：孔径没有误差，有圆柱度误差。轴线不直。因为误差敏感方向不断变化。讨论n若镗

24、杆进给，即镗杆既旋转又移动（图示），导轨误差对加工精度有无影响？n答：不会产生孔的形状误差，但会产生孔的位置误差。讨论n刨平面时，导轨误差对加工精度有何影响？n答：产生加工表面的直线度误差、平面度误差。n若刨削刚性很差的薄板时，会产生何种加工误差？n答：无形状误差，但有尺寸误差。3、机床传动链误差、机床传动链误差 在车螺纹、插齿、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，机床内联机床内联系传动链系传动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

25、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转角误差。传动链末端元件产生的转角误差。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（图示图示），即），即iTTiii iTzzzzzzz

26、zS432186427531Z1Z2（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=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：（3）减少传动链误差

27、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）采用误差校正机构图图 丝杠加工误差校正装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

28、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例图例 车刀的尺寸磨损车刀的尺寸磨损图例图例 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

29、）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体）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。等零件的制造误差。2）夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺）夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸误差。寸误差。3）夹具在使用过程中工作表面的磨损。（）夹具在使用过程中工作表面的磨损。（图例图例） 工件的安装误差包括定位误差和夹紧误差。工件的安装误差包括定位误差和夹紧误差。2、夹具误差和工件安装误差、夹具误差和工件安装误差图例图例 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

30、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

31、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四、工艺系统受力变形引起的加工误差四、工艺系统受力变形引起的加工误差工艺系统受力变形现象工艺系统受力变形

32、现象图图 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（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kxt=Fp/yxt 注意：

33、注意：这里变形这里变形yxt是总切削力的三个分力是总切削力的三个分力Fc、Fp、Ff（旧标准旧标准中为中为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负负 刚刚 度度 现现 象象 若出现变形方向与若出现变形方向与Fp方向不一致的情况，如方向不一致的情况，如Fp与与yxt方方向相反，工艺系统就处于负刚度状态。向相反，工艺系统就处于负刚度状态。 刀架系统在刀架系统在Fp力作用下引起力作用下引起同向变形同向变形y(a图图)；在在Fc力作用下引起的变形力作用下引起的变形y与与Fp方向相反（方向相反（b图）。图）。 负刚度现象对保证加工质量是不利的，此时

34、车刀的刀负刚度现象对保证加工质量是不利的，此时车刀的刀尖将扎入工件（扎刀）的外圆表面，引起刀具的破损和振尖将扎入工件（扎刀）的外圆表面，引起刀具的破损和振动，应尽量避免。动，应尽量避免。 图图 车削加工中的负刚度现象车削加工中的负刚度现象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定的。工艺系统的总变形量为：的。工艺系统的总变形量为： yxt= yjc+ydj+yjj+ygjkxt=Fp/yxt, kjc= Fp/yjc ， kdj= Fp/ydj , kjj= Fp/yjj， kgj= Fp/ygj 工

35、艺系统刚度的一般式为：工艺系统刚度的一般式为： kxt= 1/(1/kjc+1/ kdj+1/ kj+1/ kgj) （2 - 7） 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。3. 机床部件刚度特点机床部件刚度特点 机床结构复杂，组成的零部件多，各零部机床结构复杂，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比较复杂。它的计算至今还没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，需要通过实验来测定。有合适的方法，需

36、要通过实验来测定。 下下图图为单向加载时车床刚度测定示意图。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主轴部件、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作用作用下引起的变形。下引起的变形。 图图 单向静载测定车床刚度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215 车床刀架部件的刚度曲线车床刀架部件的刚度曲线 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

37、形连接表面间的接触变形薄弱零件本身的影响薄弱零件本身的影响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（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响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起的加工误差 根据材料力学的挠度计算公式，其切削点根据材料力学的挠度计算公式，其切削点工件的变形量为：工件的变形量为： yw=Fp(L-x)2x2/3E I L (2-18) 从上式的计算结果和车削的实际情况都可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，其最大直径在通证实，切削后的工件呈鼓形，其最大直径在通过轴线中点的

38、横截面内。过轴线中点的横截面内。1） 工件的刚度及其变形工件的刚度及其变形2） 工件短而粗工件短而粗 即此时工艺系即此时工艺系统刚度主要取决统刚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（图示图示），工艺系统的总），工艺系统的总变形变形 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的变形量为通过推证可知工艺系统在工件切削点处的变形量为: y系统=Fp1/k刀+1/k头(L-x/x)2+1/k尾(x/L)2 (2-16) 可以看出可以看出 : y系统系统 =f(x)，是一个二次抛物线方程，变形大小随是一个二次抛

39、物线方程，变形大小随刀具在刀具在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（使车出的工件呈抛物线形状（图图220）。）。图图219 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图图220 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（2-16）和式（）和式（2-18）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/

40、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， Kxt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，

41、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，如以车削短圆柱工件外圆为例，如图图2-18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产生圆度误差w=y1 -y2 且且m越大，越大，w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”。图图218 毛坯形状误差复映毛坯形状误差复映 在粗加工时在粗加工时,每

42、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,但生产但生产率降率降 低了。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，HB有变化，同样会引起

43、背向力的有变化，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。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，如图盘带动工件旋转，如图2-21所示。所示。3、切削过程中受力方向变化引起的加工误差、切削过程中受力方向变化引起的加工误差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出来的工件是一个正园柱，并不产生加工误差。在单爪拨盘传动下车削出来的工件是一个正园柱，并不产生加工误差。图图221 单爪拨盘传动下工件的受力分析单爪拨盘

44、传动下工件的受力分析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，在工件的每一转中不断变更方向，引起力一样，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形式的摆角运动，故理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园度误差。但是要注意的论上讲也不会造成工件园度误差。但是要注意的是当不平衡质量的离心力大于切削力时，车床主是当不平衡质量的离心力大于切削力时，车床主轴轴颈和轴承内孔表面的接触点就会

45、不断地变化，轴轴颈和轴承内孔表面的接触点就会不断地变化，轴承孔地园度误差将传给工件地回转轴心。轴承孔地园度误差将传给工件地回转轴心。 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，的方法来消除这种影响，必要时亦可适当必要时亦可适当降低主轴转速，降低主轴转速，以减小离心力的以减小离心力的影响影响。 4、工艺系统其它外力作用引起的加工误差、工艺系统其它外力作用引起的加工误差1）由于）由于机床部件或工件本身重量以及它们在移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（动中位置变化而引起的加工误差（图图） 2）由于夹紧力）由于夹紧力引起的加工误差（引起的加工误差（图图2-

46、23） 图图 机床部件自重引起地横梁变形机床部件自重引起地横梁变形 图图223 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 图图224 薄片工件的磨削薄片工件的磨削a)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

47、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 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

48、艺系统减少工艺系统受力变形受力变形五、工艺系统热变形引起的加工误差五、工艺系统热变形引起的加工误差（一）概（一）概 述述 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

49、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。 1. 工艺系统的热源工艺系统的热源电机、轴承、齿轮、油泵等工件、刀具、切屑、切削液气温、室温变化、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、体温等 2. 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

50、热源的影响，其温度会逐渐升高。同时，它们也通过各种传热方式向周围散升高。同时，它们也通过各种传热方式向周围散发热量。发热量。 热热 平平 衡衡 当单位时间内传入和散发当单位时间内传入和散发的热量相等时，工艺系统达的热量相等时，工艺系统达到了热平衡状态。到了热平衡状态。 而工艺系统的热变形也就而工艺系统的热变形也就达到某种程度的稳定。达到某种程度的稳定。 不稳态温度场不稳态温度场温度场温度场稳态温度场稳态温度场热平衡热平衡物体中各点的温度分布称为温度场, T=f( x , y, z ,t )当物体未达热平衡时，各点温度不仅是坐标位置的函数，也是时间的函数。这种温度场称为不稳态温度场物体达到热平衡

51、后，各点温度将不再随时间而变化，只是其坐标位置的函数。这种温度场称为稳态温度场 机床在开始工作的一段时间内，其机床在开始工作的一段时间内，其温度场处于不稳定状态，其精度也是很温度场处于不稳定状态，其精度也是很不稳定的，工作一定时间后，温度才逐不稳定的，工作一定时间后，温度才逐渐趋于稳定，其精度也比较稳定。渐趋于稳定，其精度也比较稳定。 因此，因此，精密加工应在热平衡状态下精密加工应在热平衡状态下进行。进行。在生产中，必须注意在生产中，必须注意:（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 机床热变形会使机床的静态几何精度发生变化而影响机床热变形会使机床的静态几何精度发生变化

52、而影响加工精度，其中主轴部件、床身、导轨、立柱、工作台等加工精度，其中主轴部件、床身、导轨、立柱、工作台等部件的热变形，对加工精度影响最大。部件的热变形，对加工精度影响最大。 各类机床其结构、工作条件及热源形式均不相同，因此各类机床其结构、工作条件及热源形式均不相同，因此机床各部件的温升和热变形情况是不一样的。机床各部件的温升和热变形情况是不一样的。1. 车、铣、钻、镗类机床车、铣、钻、镗类机床主轴箱中的齿轮、主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热、轴承摩擦发热、润滑油发热。润滑油发热。（图图）图图 车床的热变形车床的热变形2.龙门刨床、牛头刨床、立式车床类机床龙门刨床、牛头刨床、立式车床类机床导轨副的

53、摩擦热导轨副的摩擦热3.各各 种种 磨磨 床床 砂轮主轴轴砂轮主轴轴承的发热和液压承的发热和液压系统的发热系统的发热（图例图例）（图例图例） 牛头刨床滑枕热变形及结构改进示意图牛头刨床滑枕热变形及结构改进示意图 a) 原滑枕截面图原滑枕截面图 b)原滑枕热变形示意图原滑枕热变形示意图 c) 滑枕热对称结构滑枕热对称结构 外园磨床的热变形示意图外园磨床的热变形示意图1床身床身 2导轨导轨 3工件工件 4砂轮砂轮 5砂轮架砂轮架 6螺母螺母 （三）工件热变形对加工精度的影响（三）工件热变形对加工精度的影响1. 工件均匀受热工件均匀受热 对于一些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，加工时（如车对于一

54、些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，加工时（如车削、磨削）切削热能较均匀地传入工件，工件热变形量可按下式估算：削、磨削）切削热能较均匀地传入工件，工件热变形量可按下式估算： L=Lt式中式中 工件材料的热膨胀系数，单位为工件材料的热膨胀系数，单位为1/； L工件在热变形方向的尺寸，单位为工件在热变形方向的尺寸，单位为mm； t工件温升，单位为工件温升，单位为。实实 例例 在精密丝杆加工中，工件的在精密丝杆加工中，工件的热伸长会产生螺距的累积误差。热伸长会产生螺距的累积误差。在较长的轴类零件加工中，在较长的轴类零件加工中，将出现锥度误差。将出现锥度误差。 例如：在磨削例如：在磨削400mm长的

55、丝杠螺纹时，每磨长的丝杠螺纹时，每磨一次温度升高一次温度升高1，则被磨丝杠将伸长，则被磨丝杠将伸长L=1.1710-54001mm=0.0047mm 而而5级丝杠的螺距累积误差在级丝杠的螺距累积误差在400mm长度上长度上不允许超过不允许超过5m左右。左右。 因此，因此，热变形对工件加工精度影响很大。热变形对工件加工精度影响很大。2. 工件不均匀受热工件不均匀受热 在刨削、铣削、磨削加工平面时，工件单面受热，上在刨削、铣削、磨削加工平面时，工件单面受热，上下平面间产生温差，导致工件向上凸起，凸起部分被工具下平面间产生温差，导致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中

56、凹，造成了切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差。几何形状误差。 工件凸起量工件凸起量f可按可按图例图例所示图形进行估算。由于中心所示图形进行估算。由于中心角角很小，其中性层的长度可近似认为等于原长很小，其中性层的长度可近似认为等于原长L，则则 f =L/2 tan(/4）L/8 且且 （R+H）-R =tL = tL/H 所以所以 f tL2/8H图例图例 薄板磨削时的弯曲变形薄板磨削时的弯曲变形 （四）刀具热变形对加工精度的影响（四）刀具热变形对加工精度的影响 刀具热变形主要是由切削热引起的。切削加工时虽然刀具热变形主要是由切削热引起的。切削加工时虽然大部分切削热被

57、切屑带走，传入刀具的热量并不多，但由大部分切削热被切屑带走，传入刀具的热量并不多，但由于刀具体积小，热容量小，导致刀具切削部分的温升急剧于刀具体积小，热容量小，导致刀具切削部分的温升急剧升高，刀具热变形对加工精度的影响比较显著。升高，刀具热变形对加工精度的影响比较显著。图示图示为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线。为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线。曲线曲线A 车刀连续工作时的热伸长曲线；车刀连续工作时的热伸长曲线；曲线曲线B 切削停止后，车刀温度下降曲线；切削停止后，车刀温度下降曲线；曲线曲线C 传动作间断切削的热变形切削。传动作间断切削的热变形切削。 图图 车刀热变形曲线车刀热变

58、形曲线 1 刀具加热至热平衡时间刀具加热至热平衡时间 2 刀具加热至热平衡时间刀具加热至热平衡时间 0 刀具间断切削至热平衡时间刀具间断切削至热平衡时间（五）减少工艺系统热变形的主要途径（五）减少工艺系统热变形的主要途径1减少发热和隔离热源减少发热和隔离热源 分离热源、采用隔热措施，改善摩擦条件，减少热量产生，如图所示。有时可采用强制冷却法，吸收热源热量，控制机床温升和热变形。合理安排工艺、粗精分开。1) 采用热对称结构2) 合理选择机床零部件的安装基准(图2-35)寻求各部件热变形的规律建立热变形位移数字模型并存入计算机中进行实时补偿加工前使机床高速空转，达到热平衡时再切削加工1）减小温差；

59、2）均衡关键件的温升，避免弯曲变形（如图所示）恒温车间、使用门帘、取暖装置均匀布置；恒温精度一般控制在1以内，精密级较高的机床为0.5。恒温室平均温度一般为20，在夏季取23，在冬季可取172均衡温度场均衡温度场3改进机床布局和结构设计改进机床布局和结构设计4保持工艺系统的热平衡保持工艺系统的热平衡5控制环境温度控制环境温度6.热位移补偿热位移补偿图图231 采用隔热罩减少热变形采用隔热罩减少热变形图图233 用热空气均衡立柱前后壁的温度场用热空气均衡立柱前后壁的温度场六、六、 工件残余应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

60、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残余应力是指在没有外部载荷的情况下，外部载荷的情况下，存在于工件内部的应存在于工件内部的应力，又称内应力。力，又称内应力。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。残余应力对零件的影响影响残余应力对零件的影响影响n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