过程装备制造与检测——第十篇机械加工精度

1、第篇 过程机械制造的质量要求 10 机械加工精度10 10 机械加工精度机械加工精度 10.1 10.1 概述概述 10.2 10.2 工艺系统的几何误差工艺系统的几何误差 10.3 10.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形 10.4 10.4 工艺系统的热变形工艺系统的热变形 10.5 10.5 工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形10.1 10.1 概述概述机械加工精度机械加工精度 尺寸精度尺寸精度形状精度形状精度位置精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内（通常形状误差限制在位置公差内 ，位置公差限制在尺寸公差内），位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度表面粗糙度波度波度纹

2、理方向纹理方向伤痕伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度加工精度表面质量表面质量表面几何形状精度表面几何形状精度表面缺陷层表面缺陷层表层加工硬化表层加工硬化表层金相组织变表层金相组织变化表层残余应力化表层残余应力加工精度：加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数（尺寸、形状和表面间的相互位置）符合程度加工误差：加工误差：零件的实际几何参数与理想几何参数的偏差q 两者关系两者关系 ： 两者从不同角度来评定加工零件的几何参数。加工精度的高低是由加工误差的小大来表示的，保证和提高加工精度问题，实际上是限制和降低加工误差问题。 加工精度加工精度 1)尺寸精度尺寸精度 限制加工表

3、面与其基准间尺寸误差不超过一定的范围； 2)几何形状精度几何形状精度 限制加工表面宏观几何形状误差，如圆度、圆柱度、平面度、直线度等； 3)相互位置精度相互位置精度 限制加工表面与其基准面的相互位置误差，如平行度、垂直度、同轴度、位置度等。几何形状精度和尺寸精度有关系吗？几何形状精度和尺寸精度有关系吗？p 尺寸精度、形状精度和位置精度三者之间关系尺寸精度、形状精度和位置精度三者之间关系： 通常形状公差限制在位置公差内，而位置误差一般限制在尺寸公差之内。当尺寸精度要求高时，相应的位置精度、形状精度也要求高。但形状精度或位置精度要求高时，相应的尺寸精度不一定要求高，这要根据零件的功能要求来决定。

4、p工艺系统工艺系统: : 在机械加工时，在机械加工时，机床、刀具，夹具和工件机床、刀具，夹具和工件构成一个完整构成一个完整的系统，为工艺系统。的系统，为工艺系统。 零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统中进行的。工艺系统中凡是直接引起加工误差的因素都称为原始误差。 * *原始误差的原始误差的分类归纳如下：分类归纳如下： 获得尺寸精度方法：获得尺寸精度方法： 试切法试切法 调整法调整法 定尺寸刀具法定尺寸刀具法 自动控制法自动控制法 获得形状精度方法：获得形状精度方法： 轨迹法轨迹法 成形法成形法 展成法展成法 表面相互位置精度的获得：表面相互位置精度的获得： 由工件的定位安装

5、精度决定由工件的定位安装精度决定附：获得零件加工几何参数的方法附：获得零件加工几何参数的方法获得尺寸精度的基本方法获得尺寸精度的基本方法试切法试切法以试切以试切测量测量调整调整再试切的循环方法，得再试切的循环方法，得 到刀具与工件的正确位置，以获得加工表面的尺寸精度。到刀具与工件的正确位置，以获得加工表面的尺寸精度。调整法调整法预先调整好刀具与工件的相对位置，并在一批预先调整好刀具与工件的相对位置，并在一批 零件的加工过程中保持这个相对位置的不变，取得尺寸零件的加工过程中保持这个相对位置的不变，取得尺寸 精度的加工方法。精度的加工方法。定尺寸刀具法定尺寸刀具法依靠刀具的尺寸以保证加工面的尺寸。

6、依靠刀具的尺寸以保证加工面的尺寸。自动控制法自动控制法将测量、调整和切削机构组成自动控制系将测量、调整和切削机构组成自动控制系统，以自动控制被加工面的尺寸要求。统，以自动控制被加工面的尺寸要求。获得表面形状的基本方法获得表面形状的基本方法轨迹法轨迹法依靠刀尖运动轨迹取得所要求的表面几何形状。依靠刀尖运动轨迹取得所要求的表面几何形状。 简单几何形状表面的加工，如圆柱面、圆锥面、平面等。简单几何形状表面的加工，如圆柱面、圆锥面、平面等。成形法成形法由成形刀具刀刃形状取得所要求的表面形状。由成形刀具刀刃形状取得所要求的表面形状。 成形车刀（砂轮）加工回转曲面、成形铣刀加工曲面、成形车刀（砂轮）加工回

7、转曲面、成形铣刀加工曲面、 车磨螺纹时其牙形由刀具形状所决定。车磨螺纹时其牙形由刀具形状所决定。展成法展成法依靠刀具与工件的相对啮合运动，被加工表面依靠刀具与工件的相对啮合运动，被加工表面 由刀刃在啮合运动中的包络面所形成。由刀刃在啮合运动中的包络面所形成。 齿轮的滚、插、磨及剃齿加工；加工螺纹的螺旋面成形。齿轮的滚、插、磨及剃齿加工；加工螺纹的螺旋面成形。10.2 10.2 工艺系统的误差工艺系统的误差工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差 引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与

8、工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具静止状态下的误差10.2.1 10.2.1 原理误差原理误差 一、加工原理误差加工原理误差采用原理上近似的成形运动或近似的刀具轮廓进行加工所引起的误差。 加工原理误差多出现于螺纹、齿轮、复杂曲面加工中 应用近似加工，在理论误差可以满足加工精度要求的前提下(10%-15%尺寸公差)，是提高生产率和经济性的有效工艺方法。一般加工原理误差应一般加工原理误差应10%-15%10%-15%工件公差工件公差10.2.2 10.2

9、.2 调整误差调整误差调整误差调整误差由于调整不准确而产生的误差 工艺系统的调整有两种基本形式工艺系统的调整有两种基本形式： (1)(1)试切法调整试切法调整试切、测量、调整，直至符合规定的尺寸要求 影响调整误差的因素：影响调整误差的因素：1）测量误差 2）机床进给机构位移误差 3）试切厚度与正式切削厚度不同而产生的误差试切法调整加工特点：试切法调整加工特点：生产效率低，只适于单件小批生产 调整法调整法加工前调整好刀具与工件之间的相对位置 影响调整误差的因素：影响调整误差的因素： 1）影响试切法的所有因素 2）定程机构误差 3）样件或样板误差 4）测量有限试件造成的误差 调整法加工特点：调整法

10、加工特点：生产效率高,广泛采用行程挡块、行程开关、夹具10.2.3 10.2.3 机床的几何误差机床的几何误差 机床的几何误差来自三方面：机床本身的制造、磨机床的几何误差来自三方面：机床本身的制造、磨损、安装、调整。损、安装、调整。 1 1）主轴回转误差）主轴回转误差 2 2）导轨误差）导轨误差 3 3）机床的传动误差）机床的传动误差 “ “误差的敏感方向误差的敏感方向” “ “误差的敏感方向误差的敏感方向” “误差的敏感方向误差的敏感方向”b b）端面圆跳动端面圆跳动a a）径向圆跳动径向圆跳动c c）倾角摆动倾角摆动主轴回转误差基本形式主轴回转误差基本形式主轴回转误差概念主轴回转误差概念1

11、0.2.3 10.2.3 机床的几何误差机床的几何误差主轴误差主轴误差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径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）5 5微米微米考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：e径向跳动对镗孔精度影响式中 R 刀尖回转半径； 主轴转角。() cossinXReYR显然，上式为一椭圆。径向跳动对车外圆精度影响1 12 23 34 45 56 67 78 8仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀

12、尖运动轨迹接近于正圆（图）。结论：主轴径向跳动影结论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差响加工表面的圆度误差e e主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）主轴端面圆跳动对加工精度的影响主轴端面圆跳动对加工精度的影响( (2323微米微米）2 Sx主轴端面跳动引起螺距加工周期误差主轴倾角摆动对加工精度的影响主轴倾角摆动对加工精度的影响（1 1）几何轴线相对与平均轴线在空间成一定锥角的圆几何轴线相对与平均轴线在空间成一定锥角的圆 锥运动锥运动 若沿与平均轴线垂直的各个截面来看，相当于几何轴若沿与平均轴线垂直的各个截面来看，相当于几何轴线绕平均轴心做偏心运动，

13、只是各截面的偏心量不同。因线绕平均轴心做偏心运动，只是各截面的偏心量不同。因此，无论此，无论车削还是镗削都能获得一个正圆柱。车削还是镗削都能获得一个正圆柱。 （2 2）几何轴线在某一平面内作角度摆动几何轴线在某一平面内作角度摆动 若频率和主轴回转频率一致，沿与平均回转轴线垂若频率和主轴回转频率一致，沿与平均回转轴线垂直的各个截面看，直的各个截面看，车削车削表面是一个圆，表面是一个圆，整体为一圆柱整体为一圆柱，镗孔镗孔时，在垂直于主轴平均轴线的各个截面内都形成椭时，在垂直于主轴平均轴线的各个截面内都形成椭圆，圆，整体加工出椭圆柱整体加工出椭圆柱。 AB影响主轴回转精度的主要因素影响主轴回转精度的

14、主要因素 内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差轴径不圆引起车床主轴径向跳动滑动轴承（注意切削力的方向）滑动轴承（注意切削力的方向）轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动滚动轴承滚动轴承推力轴承推力轴承 滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差轴承间隙的影响轴承间隙的影响a） b）0止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响影响主轴回转精度的主要因素影响主轴回转精度的主要因素轴承间隙过大，使主轴工作时油膜厚度增大油膜承载能力降低，当工作条件(载荷、转速等)变化时，油楔厚度变化较大，主轴轴线漂移量增大。提高主轴回转精度的措施提高主轴回转精度的措施磨床采用死顶尖支承用镗模镗孔10.2.3 10.2.3 机床的

15、几何误差机床的几何误差导轨误差导轨误差机床导轨误差机床导轨误差水平面内的直线度误差水平面内的直线度误差（弯曲）（弯曲）垂直面内的直线度误差垂直面内的直线度误差（弯曲）（弯曲）前后导轨之间的平行度误差前后导轨之间的平行度误差（扭曲）（扭曲）水平面内的直线度误差水平面内的直线度误差（弯曲）（弯曲）车削、磨削时车削、磨削时，为误差敏感方向；为误差敏感方向；引起圆柱度误差引起圆柱度误差垂直平面内的直线度误差垂直平面内的直线度误差（弯曲）（弯曲）车削、磨削时车削、磨削时，为为误差误差非非敏感方向；敏感方向；对加工精度影响很小对加工精度影响很小垂直平面内的直线度误差垂直平面内的直线度误差（弯曲）（弯曲）车

16、削、磨削时，为车削、磨削时，为误差非敏感方向；误差非敏感方向；刨削、平面磨削时刨削、平面磨削时，为误差敏感方向。为误差敏感方向。造成平面度或直线度误差造成平面度或直线度误差前后导轨之间的平行度误差前后导轨之间的平行度误差（扭曲）（扭曲）两导轨不平行对加工精两导轨不平行对加工精度的影响较大，度的影响较大，引起工引起工件的形状误差（鞍形、件的形状误差（鞍形、鼓形、锥形等）鼓形、锥形等） 成形运动间相对位置误差的影响成形运动间相对位置误差的影响 车床纵向导轨与主轴在水平面内有平行度误差车床纵向导轨与主轴在水平面内有平行度误差例：例： 导轨与主轴平行度误差：导轨与主轴平行度误差： H Hx x 工件直

17、径差：工件直径差： D=2LD=2L* *H Hx x主轴主轴n n导轨导轨f fL L工件产生圆柱度误差工件产生圆柱度误差俯视图上导轨俯视图上导轨与主轴不平行与主轴不平行圆锥形圆锥形 成形运动间相对位置误差的影响成形运动间相对位置误差的影响 车床纵向导轨与主轴在垂直面内有平行度误差车床纵向导轨与主轴在垂直面内有平行度误差正视图上导轨与主轴正视图上导轨与主轴不平行不平行n n主轴主轴导轨导轨O OB BA Af fA AB BO O鞍形（轴剖面内为双曲线）鞍形（轴剖面内为双曲线）例：导轨与主轴平行度误差：例：导轨与主轴平行度误差：H Hy y 工件直径差：工件直径差：D=HD=Hy y2 2/

18、R/Ro o 成形运动间相对位置误差的影响成形运动间相对位置误差的影响 车床横向导轨与主轴轴线有垂直度误差车床横向导轨与主轴轴线有垂直度误差n nf f工件端面产生内凹或外凸工件端面产生内凹或外凸的平面度误差的平面度误差 例：例： 横向导轨与主轴夹角：横向导轨与主轴夹角： 平面度误差：平面度误差：=(d/2)=(d/2)* *tan(tan( ) ) 传动键误差传动键误差 传动链的传动误差是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差。是螺纹、齿轮、蜗轮以及其它按展成原理加工时，影响加工精度的主要因素。传动元件如齿轮、蜗轮、蜗杆、丝杠、螺母等有制造误差（主要是影响运动精度的误差）传动元

19、件的装配误差（主要是装配偏心）和磨损时，就会破坏正确的运动关系，使工件产生误差。10.2.3 10.2.3 机床的几何误差机床的几何误差传动键误差传动键误差提高传动精度措施提高传动精度措施丝扛加工误差补偿装置1 工件 2 螺母 3 母丝杠 4 杠杆 5 校正尺 6 触头 7 校正曲线 附加位移螺 母 附 加 转动L L0.050.05 6 6F F7 7 1010F F7 7k k6 6 2020H H 7 7g g 6 6Y YZ Z钻钻孔夹具误差分析孔夹具误差分析通常要求定位误差和夹通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相具制造误差不大于工件相应公差的应公差的1/31/3。1 1）定位误

20、差；）定位误差；2 2）刀具导向（对刀）误差；）刀具导向（对刀）误差；3 3）夹紧误差；）夹紧误差；4 4）夹具制造误差；）夹具制造误差；5 5）夹具安装误差；）夹具安装误差；10.2.4 10.2.4 机床的几何误差机床的几何误差夹具误差夹具误差车刀后刀面磨损对加工尺寸影响刀具磨损过程10.2.5 10.2.5 机床的几何误差机床的几何误差刀具误差刀具误差10.3 10.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比工艺系统刚度定义工艺系统刚度定义式中 k工艺系统刚度； Fp吃刀抗力； y 工艺系统位移（切削合力作用下的位移）。yFkp工艺系统受力变

21、形工艺系统受力变形工艺系统受力变形引起加工误差11111jcjjdgkkkkk式中 k 工艺系统刚度； kjc 机床刚度； kjj 夹具刚度； kd 刀具刚度；kg 工件刚度。工艺系统刚度计算公式工艺系统刚度计算公式工艺系统刚度计算说明工艺系统刚度计算说明机床变形引起的加工误差机床变形引起的加工误差式中 yjc 机床总变形； Fp 吃刀抗力； ktj 机床前顶尖处刚度； kwz 机床后顶尖处刚度； kdj 机床刀架刚度； L 工件全长； x 刀尖至工件左端距离。变形随受力点变化规律xtjxwzxdjxFpAABBCCzLFAFBxzdjwztjPjckLxkLxLkFy11122机床受力变形引

22、起的加工误差dkkg和式中 yg 工件变形； E 工件材料弹性模量 I 工件截面惯性矩； Fp，L，x 含义同前工件受力变形引起的加工误差LxxLEIFyPg22)(3q 工件变形引起的加工误差工件变形引起的加工误差机床变形和工件变形共同引起的加工误差机床变形和工件变形共同引起的加工误差工艺系统刚度工艺系统刚度EILxxLkLxkLxLkFyyydjwztjPgjc3)(1)(1)(12222EILxxLkLxkLxLkyyFkdjwztjgjcP311112222式中式中 切削条件系数切削条件系数 g g 工件圆度误差；工件圆度误差； m m 毛坯圆度误差；毛坯圆度误差； k k 工艺系统刚

23、度；工艺系统刚度； 误差复映系数。误差复映系数。 误差复映现象ap11ap22毛坯外形工件外形CHBfCPFFpnyFpmppppgaakCFFk2121111FpCnFyyFyxFypFyyHBfaCF 为一常数为一常数切削力切削力 q 由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”q kCmg 123n 夹紧力影响夹紧力影响a） b）薄壁套夹紧变形薄壁工件磨削例：薄壁套夹紧变形解决：加开口套又例：薄壁工件磨削解决：加橡皮垫龙门铣横梁变形例：例：龙门铣横梁龙门铣横梁龙门铣横梁变形转移龙门铣横梁变形补偿重力影响重力影响解决解决1 1：重量转移重量转移 解决解决2 2

24、：变形补偿变形补偿传动力影响传动力影响传动力对加工精度的影响zlRXYFpFcFcdFcdxra）OOr0XYFpAFcdrcd=Fcd / kcOFcFc / kcFp / kcb）惯性力影响惯性力影响减小工艺系统受力变形的途径减小工艺系统受力变形的途径封闭整体箱形结构支座零件不同安装方法转塔车床导向杆 10.4 10.4 工艺系统的热变形工艺系统的热变形概述概述在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约4070%工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热源辐射热圆柱类工件热变形圆柱类工件热变形531.1 1040014.410()4.4()LLtmmm式中 L， D 长度和直径热变形量； L，D 工件原有长度和直径； 工件材料线膨胀系数； t 温升。LLt DDt10.4 10.4 工艺系统的热变形工艺系统的热变形工件热变形影响工件热变形影