机械加工精度

1、第三章 机械加工精度 加工质量零件加工质量包含的内容如下所示第一节 概述 一、机械加工精度：1、加工精度： 零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。符合程度越高，加工精度越高，实际生产中零件不可能与理想的要求完全符合。2、加工误差： 指加工后的实际几何参数（尺寸，形状和表面间的相互位置）对理想几何参数的偏离程度，从保证产品使用性能分析允许有一定的加工误差。 3、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。4、加工精度的合理制定： 一般加工精度越高则加工成本相对越高，生产效率则相对越低

2、，因此设计人员应根据零件的使用要求，合理规定零件的加工精度，工艺人员则根据设计要求生产条件适当的工艺方法以保证加工误差不超过允许范围，并尽量提高生产率和降低成本5、工艺系统： 在机械加工时，机床、刀具，夹具和工件构成一个完整的系统，为工艺系统。6、工艺系统误差与加工误差关系： 工艺系统中的种种误差，在不同的具体条件下，以不同的程度和方式反映为加工误差，工艺系统的误差时”因”,是根源；加工误差是“果”，是表现。7、原始误差： 工艺系统的各种误差叫原始误差。 二、影响机械加工精度的因素 1、原始误差分类图3-1 误差的敏感方向三 误差敏感方向 误差敏感方向工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响

3、程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。如图3-1所示车刀加工四 研究加工精度的方法 1、单因素分析法 运用物理学和力学原理，分析研究某一个或某几个因素对加工精度的影响。 通常分析、计算、测试、实验，得出单因素与加工误差间的关系。2、统计分析法以生产一批工件的实例结果为基础，运用数理统计方法进行数据处理。用以控制工艺过程的正常进行，当发生质量问题是可以从中判断误差性质，找出误差出现的规律。实际生产中，两种方法常常结合应用。先用统计分析法寻找误差的出现规律，初步判断加工误差的可能原因，再适用单因素等分析，试验，以便迅速有效地找出影响

4、加工精度的主要原因。 第二节 工艺系统的几何精度对加工精度的影响一、加工原理误差 是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。SRh图3-2空间曲面数控加工【例1】：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件式中 R 球头刀半径； h 允许的残留高度。【例2】：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造型误差。 由于滚刀刀齿有限，实际加工出的尺形是一条有微小折线组成的曲线，和理论的光滑渐开线有差异。【例3】：在曲线获曲面的数控加工中，由于数控铣床一般不具有空间插补功能。如曲线的加工是由许多很短的折线段逼近得到，逼近的精度

5、可由每根线段的长度来控制。在三坐标联动的数控铣床上加工区面，实际上是一面一面的空间直线逼近间曲面。即整个曲面是由大量加工出的小直线来逼近。因此，在曲线或曲面加工中，刀具相对于工件地成形运行是近似的。二 调整误差 1、试切法单件小批生产测量误差。试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差。机床进给机构的位移误差。2、调整法大批大量生产定程机构误差。样件或样板误差。测量有限试件造成的误差。和试切法有关的误差。三 机床误差 （一）机床导轨导向误差 1、导轨导向精度及其对加工精度的影响1）导轨导向精度： 机床导轨副的运动件实际运动方向和理想运动方向的符合程度。两者之间的偏差值称为导向误差。 导轨是机床中

6、确定主要部件相对位置的基准，也是运动的基准，它的各项误差直接影响被加工工件的精度。2）包括： 导轨在水平面内的直线度， 导轨在垂直面内的直线度， 前后导轨平行度（扭曲）， 导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等。（1）导轨在水平面内的直线度（弯曲） 对于车床和外圆磨床由于刀尖相对于工件回转轴线在加工表面径向方向的变化属敏感方向，故其对零件的形状精度影响很大。如图3-3（a）所示 车床导轨在水平面内有弯曲后，纵向进给中刀具相对工件轴线不能平行。因而工件表面上形成形状误差。当导轨向后凸时，工件产生鞍形误差。当导轨向前凸时，工件产生鞍形误差。 （a） （b）图3-3 导向误差对车削圆柱面精度的影响

7、 （2）导轨在垂直面内的直线度（弯曲） 垂直面内直线度误差对车床的影响较小，可以忽略不计。但对于龙门刨床、龙门铣床及导轨磨床来说，导轨在垂直面内的直线度误差将直接反映到工件上。 如图3-3（b）所示图3-4 导轨扭曲引起的加工误差（3）前后导轨的平行度（扭曲）以车床为例，如图3-4所示：一般车床：磨床：2、导轨导向精度的影响因素 1）导轨的制造误差 2）导轨的安装误差：对长度较长的龙门刨床、龙门铣床和导轨磨床。他们的床身导轨为一细长结构、刚性较差，在本身自重作用下就容易变形，若安装不正确或地基不良，都会造成导轨弯曲变形。 3) 导轨的磨损：由于使用程度不同及受力不均，机床使用一段时间后，导轨全

8、长上各段的磨损量不等。并且在同一横截面上个导轨面的磨损量也不相等。3、提高导轨导向精度的措施制造误差 机床设计制造时，应从结构、润滑、防护装置、采取措施提高导向精度。安装误差 机床安装时，应校正好水平和保证地基质量。磨损误差 使用时，注意调整导轨配合间隙，同时保证良好的润滑和维护。（二）主轴的回转误差 1回转精度： 机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的相一致程度。 回转误差： 机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的漂移。 机床主轴是用来装加工件或刀具，并传递主要切削运动的重要零件，其回转精度主要影响零件加工表面的几何形状精度，位置精度和表面粗糙度。2误差产生原因： 由于主轴部件中

9、轴承、轴颈、轴承座孔等的制造误差和配合质量，润滑条件，以及回转时的动力因素的影响。瞬时回转轴线的空间位置在周期性变化。3理想回转轴线：客观存在，但无法确定，通常是以平均回转轴线来代替。4分类： 如图3-5所示 主轴回转误差分为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动c）倾角摆动b）端面圆跳动a）径向圆跳动图3-5 主轴回转误差的基本型式 5.主轴回转误差对加工精度的影响1）主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）考虑最简单的情况，如图3-6（a）所示，主轴回转中心在y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：式中 R 刀尖回转半径； 显然，上式为一椭圆。 主轴转角。2）主

10、轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆） 仍考虑最简单的情况，如图3-6（b）所示，主轴回转中心在y方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆。（b）径向跳动对车外圆精度影响12345678e（a）径向跳动对镗孔精度影响e图3-5主轴回转误差对加工的影响 3) 主轴端面圆跳动对加工精度的影响被加工端面不平，与圆柱面不垂直；加工螺纹时，产生螺距周期性误差。4）主轴倾角摆动对加工精度的影响（1）几何轴线相对与平均轴线在空间成一定锥角的圆锥运动。 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，无论车削还是镗削都

11、能获得一个正圆柱。（2）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直的各个截面看，车削表面是一个圆，整体为一圆柱，镗孔时，在垂直于主轴平均轴线的各个截面内都形成椭圆，整体加工出椭圆柱。6、 影响主轴回转精度的主要因素 1）轴承误差的影响 （1）滑动轴承车床类机床：切削力的方向大体不变，主轴经以不同部件与轴承内孔的某一固定部位相接触。因此影响主轴回转精度的主要是主轴轴径的圆度。 镗床类机床： 切削力随主轴回转而回转，主轴径总是以固定部位与轴承孔内表面的不同部位接触，因此轴承孔的圆度对主轴回转精度影响最大。静压轴承：对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用（2）滚动轴承

12、内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差（3）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2）轴承间隙的影响轴承间隙对回转精度也有影响，如轴承间隙过大，会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。3）与轴承配合的零件误差的影响 由于轴承内、外圈或轴瓦很薄，受力后容易变形，因此与之相配合的轴颈或箱体支承孔的圆度误差，会使轴承圈或轴瓦发生变形而产生圆度误差。与轴承圈端面配合的零件如轴肩、过渡套、袖承端盖、螺母等的有关端面，如果有平面度误差或与主轴回转轴线不垂直，会使轴承圈滚道倾斜，造成主轴回转轴线的径向、轴向漂移。箱体前后

13、支承孔、主轴前后支承轴颈的同轴度会使轴承内外圈滚道相对倾斜，同样也会引起主轴回转轴线的漂移。4）主轴转速的影响 由于主轴部件质量不平衡、机床各种随机振动以及回转轴线的不稳定随主轴转速增加而增加，使主轴在某个转速范围内的回转精度较高，超过这个范围时，误差就较大。5）主轴系统的径向不等刚度和热变形 主轴系统的刚度，在不同方向上往往不等，当主轴上所受外力方向随主轴回转而变化时，就会因变形不一致而使主轴轴线漂移。 机床工作时，主轴系统的温度将升高，使主轴轴向膨胀和径向位移。由于轴承径向热变形不相等，前后轴承的热变形也不相同，在装卸工件和进行测量时主轴必须停车而使温度发生变化，这些都会引起主轴回转轴线的

14、位置变化和漂移而影响主轴回转精度。7、提高主轴回转精度的措施1）提高主轴部件的制造精度 首先应提高轴承的回转精度其次是提高箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合有关表而的加工精度。此外，还可在装配时先测出滚动轴承及主轴锥孔的径向圆跳动，然后调节径向圆跳动的方位，使误差相互补偿或抵消，以减少轴承误差对主轴回转精度的影响。2） 对滚动轴承进行预紧，消除间隙 对滚动轴承适当预紧以消除间隙，甚至产生微量过盈由于轴承内外圈和滚动体弹性变形的相互制约，既增加了轴承刚度，又对轴承内外圈滚道和滚动体的误差起均化作用，因而可提高主轴的回转精度。3）使主轴回转误差不反映到工件上（误差转移） 直接保证工件在加工过程中的

15、回转精度而不依赖于主轴，是保证工件形状精度的最简单而又有效的方法。 如采用两固定顶尖支承磨削外圆柱面。 在镗床上加工箱体类零件孔。采用前后导向套的镗模。（三）机床传动误差1传动链精度（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，它是螺纹、齿轮、蜗轮及其它按展成原理加工时，影响加工精度的主要因素。【例4】： 用滚齿机加工直齿轮时，要求滚刀和工件之间具有严格的运动关系。即：滚刀转一转，工件转过一个齿，这种运动关系是由刀具与工件的传动链来保证的。如图3-6所示。 当传动链中各传动元件如齿轮、蜗轮、蜗杆、丝杆、螺母等有制造误差，装配误差和磨损时，就会破坏正确的运动

16、关系，是被加工工件产生误差。图3-6 齿轮机床传动链误差运动关系2、提高传动精度措施缩短传动链长度提高末端元件的制造精度与安装精度传动比小，尤其是传动链末端传动副的传动比小，因此采用降速传动保证传动精度的重要原则采用校正装置对传动误差进行补偿采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节四、夹具的制造误差和磨损 1、夹具误差对加工位置精度影响最大。2、与夹具有关的影响位置误差因素包括1）定位误差；2）刀具导向（对刀）误差；3）夹紧误差；4）夹具制造误差；5）夹具安装误差；6）夹具的磨损通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。五、刀具的制造误差与磨损1、定尺寸刀具（钻头、绞刀等）

17、尺寸误差影响加工尺寸误差2、成形刀具（铣刀、成形车刀等）形状误差影响加工形状误差3、展成刀具加工时，刀刃形状必须满足加工表面的共轭曲线，刀具形状误差影响加工形状误差4、刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差 车刀磨损过程如图3-7所示。 初期磨损正常磨损急剧磨损图3-7 车刀磨损过程第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响一、基本概念 1弹性系统： 切削加工时，由机床、刀具、夹具、工件组成的工艺系统是弹性系统。2工艺系统总位移 1）弹性变形： 机械加工时，由于切削力、夹紧力以及重力、惯性力等的作用，工艺系统各部分产生的相应的变形。 2）系统中各元件因其接触处的间隙还会产生位移、 3）工艺系统总位

18、移 弹性变形+位移=总位移 4）决定因素： 外力的大小和弹性系统抵抗外力及其变形的能力3刚度： 物体抵抗欲使其变形的外力的能力 4工艺系统刚度： 指工艺系统抵抗其变形的外力的能力。是指工件加工表面在切削力法向分力Fy的作用下，刀具相对工件在该方向位移y的比值。 加工中影响加工精度最大的是刀刃在加工表面法线方向的位移。因此计算时必须考虑此方向上的切削力和位移。法向位移y除了Fy分力影响外，Fy、Fz也对它有影响。在K一定时，则Fy越大，则系统变形量越大。对加工精度影响越大。若工艺系统刚度很大，尽管切削力等外力作用，也能使系统位移减少到最低限度。5加工误差： 由于切削力等引起的工艺系统产生的弹性变

19、形，使刀具和工件在静态下调整好的相互位置，以及切削成形运动所需要的正确几何关系发生变化，从而造成加工误差。 6、举例1）工件刚性差，在加工细长轴时出现中间粗，两头尖的情况（腰鼓形）如图所示：2）无进给磨削3）就车床加工刚性很好的工件，粗车后，再精车。有时不但不把刀横向进给，反而把它后退一点，才能保证精度要求 二、工艺系统刚度的计算 1工艺系统总变形切削加工时，工艺系统的有关部件在各种外力的作用下，会产生不同程度的变形，使刀具和工件的相对位置发生变化，从而产生相应的加工误差。工艺系统在某处的法向总变形是各个组成环节在同一处的法向变形的迭加。y= yjc + yjj +yd +yg （1）式中 ：

20、 y 工艺系统总变形；yjc 机床的受力变形； yjj 夹具的受力变形；yd 刀具的受力变形； yg 工件的受力变形。2工艺系统刚度计算由工艺系统的刚度定义可知，机床刚度kjc 、夹具刚度kjj 、刀具刚度kd和工件刚度kg分别为：kjc =Fy/ yjc ， kjj = Fy/ yjj ， kd = Fy/ yd ， kg = Fy/ yg 代入1式得工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系： 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。三、 工艺系统刚度对加工精度的影响 1、切削力作用点位置变化引起工件形状误差图3-8 工艺系统变

21、形随受力点变化规律FpAABBCCxLFAFB1） 机床变形引起的加工误差机床的刚度是由各个部件的刚度决定的，其计算方法为：如图3-8所示，设工件短而粗，刚度很大，其变形可以忽略不计，安装在两顶尖之间，在切削力Fy的作用下，床头位置由A到A，尾座由B到B，刀架从C到C，其位移量分别为：ytj，ywz，ydj，中心线从AB移到AB。径向切削力为Fy，由Fy引起的头架和尾座处的受力为FA和FB，刀架受力为Fy。在距离床头X处，工件轴线移动的距离为yx。机床总的变形量：根据刚度定义，Ktj，Kwz，Kdj分别为头架、尾座和刀架的刚度，则：其中： 由上式看出，随着切削力作用点的变化，工艺系统的变形是变

22、化的，这是由于工艺系统的刚度随着切削力作用点变化而变化当x=0时，当x=L时，当x=L/2时，当 时 时，由上面对机床刚度的分析可知，工件加工后成鞍形，如图3-9所示： 图3-9 机床受力变形引起的加工误差1、机床不变形的情况2、考虑主轴箱、尾座变形情况3、考虑刀架变形在内2）工件变形引起的加工误差工件为悬臂梁时：加工后工件形状如图3-10（a）所示：（a） （b）图3-10 工件受力变形引起的加工误差 工件为简支梁时： 当x=0或x=L时，yg=0，变形最小当x=L/2时，变形最大，式中： yg 工件变形； E 工件材料弹性模量； I 工件截面惯性矩； Fy工件受到的切削力 x 受力点到支承

23、点的距离 L工件的长度加工后形状如图3-10（b）所示3） 机床变形和工件变形共同引起的加工误差 工艺系统刚度2、切削力大小变化引起的加工误差1）误差复映规律 切削加工中，由于毛坯本身的误差（形状或位置）使切削深度不断变化，从而引起切削力的变化，促使工艺系统产生相应的变形，因而工件表面上保留了与毛坯表面类似的形状和位置误差，但加工后残留的误差比毛坯误差从数值上大大减少了，这一现象称为“误差复映”图3-11 误差复映现象2）毛坯误差和加工误差的定量关系 毛坯有圆度误差g ，复映到被加工表面的误差为g 加工时最大切削深度为ap1，最小切削深度为ap2，设工件材料的硬度是均匀的，则在ap1处，切削力

24、Fy1最大，相应的变形y1也最大，在ap2处，切削力Fy2最小，相应的变形y2也最小。切削力其中： ：与刀具几何参数及切削条件有关的参数 ap：切削深度 f：进给量xFy，yFy，nFy：指数当工件材料硬度均匀，刀具切削条件和进给量一定的情况下，则：为一常数当车削加工时，xFy=1，则（1）变为：3）误差复映系数误差复映程度可用误差复映系数 来表示，误差复映系数与系统刚度成反比。由上式可得：机械加工中，误差复映系数通常小于1。表示加工误差与毛坯误差的比例关系，并定量的反映了毛坯误差经加工所减少的程度。4）减少误差复映的方法K越大，复映系数 越小进给量f减少时，可以减小C，则 减小增加走刀次数减

25、小毛坯误差值5）多次走刀总的的误差复映系数 当加工分几次走刀时，每次的误差复映系数为： 由于 则 ，多次走刀可以提高加工精度。6）应用推广（1）每一工件毛坯形状误差，都以一定复映系数形成工件的加工误差，这是用于切削余量不均引起的。（2）车削时，K很高时， 1，n次走刀，加工误差下降很快，因此只在粗加工用来估算加工误差，当K低时，则从实际出发，来提高加工精度。（3）尺寸分散。在大批分生产中，用调整法加工一批工件，如毛坯尺寸不一，则加工后工件仍有尺寸不一的误差。（4）毛坯硬度不均匀，也会造成加工误差。当走刀次数一定时，如果一批毛坯材料的硬度差别很大，会使工件的尺寸分数范围扩大，甚至超差。3、夹紧力

26、、重力、传动力和惯性力引起的加工误差1）夹紧力影响【例5】：薄壁套夹紧变形，如图3-12所示图3-12 薄壁套夹紧变形 【例6】：薄壁工件磨削，如图3-13所示。图3-13 薄壁工件磨削2）重力影响【 例7】：龙门铣横梁，如图3-14所示：图3-14（a）龙门铣横梁变形图3-14（b） 龙门铣横梁变形补偿 3）传动力与惯性力影响理论上不会产生圆度误差（但会产生圆柱度误差）周期性的力易会引起强迫振动 四、机床部件的刚度（一）机床部件刚度测定1静态测定法： 在机床不工作状态，模拟车削时的受力的受力情况对机床施加静载荷，然后测出机床部件在不同载荷下的变形，作出各部件的刚度特性曲线并计算刚度。 图3-

27、15为测试的简易装置图图3-15 测试装置图图3-16 车床刀架的刚度曲线2图3-16是对一车床进行3次加载和卸载循环，绘制了他的刚度曲线。 3分析刚度曲线的特点：非线形关系，不完全是弹性变形加载和卸载曲线不重合，所围面积表示克服摩擦和接触塑性变形所作功存在残余变形，反复加载卸载后残余变形0机床部件刚度比按实体估算值小许多，表明其变形受多种因素影响4工作状态测定法（二）影响机床部件刚度因素1组成件的实体刚度 受力产生拉伸、压缩、弯曲变形；特别是薄弱件（楔条、轴套等）影响较大2连接表面接触变形 其大小与接触面压强有关3结合面间隙4零件表面摩擦力的影响5施力方向的影响，测试时只模拟Fy，实际上加工

28、过程中，Fx，Fy，Fz同时作用。五、减小受力变形对加工精度影响措施1、提高工艺系统刚度1）合理的结构设计：设计工艺装备时，尽量减少连接面数目，注意刚度的匹配，防止局部低刚度环节出现，设计基础件、支承件时，合理设计零部件结构和截面形状。 2）提高连接表面接触刚度提高机床部件中零件接合表面的接触质量给机床部件预加载荷 提高工件定位基准的精度和降低表面粗糙度值。3）采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）4）采用合理装夹和加工方式，如图3-17所示。图3-17 支座零件不同安装方法 2、减小载荷及其变化六、 工件残余应力引起的变形（一）内应力1定义： 外部作用力去除后工件内存留的应力2特点： 具

29、有内应力的零件处于一种不稳定状态，它内部的组织有强烈的倾向要恢复到一个稳定的没有应力的状态，即使在常温下，零件也会不断的缓慢地进行这种变化，直到残余应力安全松弛为主，在这一过程中，零件将会翘曲变形，原有的加工精度会逐渐丧失。（二）毛坯制造和热处理产生的残余应力1原因： 在铸、锻、焊、热处理等加工过程中，由于各部分冷热收缩不均匀，以及金相组织的体积变化，使毛坯内部产生相当大的残余应力。2举例【例8】： 图3-18表示一个内外壁厚相差较大的铸件，浇注后，冷却过程如下：图3-18 铸件内应力引起的变形 壁A、C较薄，散热容易，冷却快。壁B冷却慢，当A、C从塑性状态冷却到弹性状态时，B还处于塑性状态，

30、这时A、C收缩时B不起阻挡变形的作用，铸件内部不会产生内应力。 当B冷却到弹性状态时，A、C的温度已经降低很多，收缩速度很慢，但B收缩快，所以收到A、C的阻碍，壁B受拉应力，A、C受压应力，以保持平衡。 在C上开一小口，C上压应力消失，在A、B内应力作用力，内应力重新分布，达到平衡，工件翘曲。图3-19 铸件内应力引起的变形【例9】 如图3-19所示机床床身铸件，为提高导轨面的耐磨性，采用局部激冷的工艺使他冷却更快一些，这样可以获得高的硬度，但铸件内应力更大，导轨表面 经粗加工刨去一层，引起内应力重新分布，产生弯曲变形，新平衡过程需较长时间，导轨精加工后除去大部分变形，但内部还在变化，合格的导

31、轨面丧失原有的精度。（三）冷校直带来的残余应力1细长轴弯曲原因：经轧制的材料存在内应力，经车削后，此内应力重新分布产生弯曲。2冷校直方法：在细长轴原有变形的相反方向上加力F，使工件向相反方向弯曲，产生塑性变形，达到校直的目的，如图3-20所示。F图3-20 冷校直方法3冷校直后应力分析：冷校直后应力分析：1）当F作用上应力分布如图3-21所示。 轴心线一上产生压应力（） 轴心线以下产生拉应力（+）2）当F去除后，变形回复 内外金属相互牵引、应力重新分布 原压应力位置外层为拉应力，原拉应力位置外层为压应力压拉加载压压拉拉卸载图3-21 冷校直引起的残余应力3）解决办法： 粗棒料多次车削及时效处理

32、。 采用热校直。4切削加工带来的残余应力（四）减小残余应力措施设计合理零件结构，提高零件刚性，使壁厚均匀。合理安排工艺过程粗、精加工分开避免冷校直时效处理3.4工艺系统的热变形对加工精度的影响 一、概述（一）加工中的热现象：一上班，空转机床坐标镗床在恒温室内磨床身导轨，走两刀休息一下冬天加工时，尺寸合格，夏天就装不进去。 （二）工艺系统的变形 1热变形： 机械加工过程中，工艺系统会受到各种热的影响而产生温度变形，称为热变形。这种变形将破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系，造成工件的误差。2对加工精度的影响1） 精密加工和大件加工中，热变形的加工误差占工件总加工误差的40%70%。2） 影响加

33、工效率，为减少热变形，需要预热机床、降低切削用量，增加工序（粗、精分开）3） 高精、高效、自动化加工时的热变形问题更加严重.（三）工艺系统热源1切削热： 切削时所作的功几乎全部转变成热，其热量以传导的形式传递，对刀具和工件影响较大。2摩擦热： 机械零件的摩擦轴承、导轨的摩擦而产生的热，液压传功、电气传功等，都是热源，对机床影响较大，以传导形式传递。3其它热： 指工艺系统外部的，以对系统传热为主的环境温度和各种辐射热。 4各种热对加工精度的影响 1）切削热： 车削时，切屑带走热量可达50%80%，传给工件约30%，传给刀具约5%。铣削、刨削加工，传给工件30%钻削和卧镗，切屑留在孔中，传给工件大

34、于50%磨削时，切屑带走热量4%，传导工件84%，工件表面温度高2）摩擦热： 使工艺系统局部发热，引起局部温升和变形，破坏系统原有的几何精度。3）外部热源： 大型工件昼夜加工，由于温差引起工艺系统的热变形不一样，照明光、散热器、日光等也会引起机床的局部温度和变形。（四）温度场与工艺系统热平衡1热平衡工艺系统在各种热源作用下，温度逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围散热，当工件、刀具和机床的温度达到某一数值时，单位时间内散发的热量和热源传刀的热量趋于相等，这时工艺系统就达到了热平衡状态。 在热平衡状态下，工艺系统的各部分的温度保持在一相对固定的数值上，各部分的热变形也相应趋于稳定2温度场工

35、艺系统各部分温度分布3温度场与热平衡研究目前以实验研究为主二、工件热变形对加工精度的影响（一）热源： 切削热（二）工件均匀受热 1应用条件： 形状简单的轴类，套类，盘类等零件的内外圆加工时，切削热较均匀的传入工件，若不考虑温升后的散热，其温度给工件全长和圆周的分布比较均匀，可近似看作均匀受热。2热变形的大小圆柱类工件热变形长度：直径：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。应用车削较长的轴时，会产生圆度误差，加工精度较高的轴类零件时，采用弹性或液压尾顶尖。【例10】：长400mm丝杠，加工过程温升1，热伸长量为： 5级丝杠累积误差全长

36、5m，可见热变形的严重（三）工件不均匀受热1应用条件： 铣、刨、磨平面时，工件单面受热作用，上下表面间的温差，将导致工件向上拱起，加工时，中间凸起被切去，冷却后工件下凹。2热变形的大小式中 ： X 变形挠度； L，S 工件原有长度和厚度； 工件材料线膨胀系数3结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。【例11】：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：此值已大于精密导轨平直度要求4解决措施 切削液充分冷却 高速切削、使传入工件热量减少 在精加工前充分冷却 刀具不要过分磨钝 在夹紧状态下，有伸缩的自由三、刀具热变形对加工精度的影响1、热

37、源： 切削热（由于刀体小、热重复小、虽然传入刀具热量并不多，但仍会有很高的温升）2、变形规律： 如图3-21所示车刀热变形曲线1）连接切削曲线12）间断切削曲线23）冷却后的曲线3 图3-21 车刀热变形曲线连续切削升温曲线冷却曲线间断切削升温曲线（m）mayb0c0.63may3、对加工精度的影响 加工大型零件，造成几何形状误差 尺寸分散，有节奏的加工一批工件，工件尺寸分散 机床开动后，开始一段时间加工出零件尺寸变化大。4、减少热变形措施切削区充分冷却 刀具不要过钝 合理选择切削用量和刀具几何参数四、机床热变形对加工精度影响1、热源： 内外热源有影响（其中摩擦热影响很大），且由于各部件的热源

38、不同，分布不均匀，以及机床结构的复杂性，因此不仅各部件的温升不同，而且同一部件不同位置的温升也不相同。使机床各部件之间的相互位置发生变化，破坏了机床原有的几何精度而造成加工误差。2、机床的热平衡状态： 机床运转一段时间后，各部件传入的热量和散失的热量基本相等，即达到热平衡状态，变形趋于稳定。在机床达到热平衡之前，机床几何精度变化不定，对加工精度的影响也变化不定。3、机床地温升： 机床各部件由于体积较大，热量大，因此其温升一般不大。 车床主轴箱60 磨床1525 车床床身与主轴箱结合处20 磨床床身10 其他精密机床部件温升较低4、热平衡时间 车床、磨床 46h 中小型精密机床12h大型精密12

39、h5、各种机床的热变形及其对加工精度的影响1）车、铣 、钻、镗类机床： 主轴箱中的齿轮，轴承磨擦发热，润滑油发热是主要热源，使主轴箱及与之相连部分如床身或立柱的温度升高而产生较的变形。2）龙门刨床、导轨磨床等机床 床身热变形是影响加工精度的主要因素：因其床身较长、导轨稍有温差，就会产生较大的弯曲变形。 床身上下表面产生温差的原因，不仅是由于工作台运动时导轨摩擦发热所知，环境温度的影响也很大。3）各种磨床（1）热源： 液压传动系统和高速回转磨头，并且使用大量的切削液都是磨床的主要热源。（2）变形： 砂轮主轴轴承发热、使主轴轴线升高并使砂轮架向工件方向趋近，由于主轴前后轴承温升不同，主轴侧母线还会

40、出现倾斜，液压系统发热使床身各处温升不同，导致床身趋于前倾。（3）举例： 平面磨床：外圆磨床：双端面磨床：立式平面磨床：五、 减小热变形对加工精度影响的措施1、减少热源发热和隔离热源减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。充分冷却和强制冷却。 分离热源。对不能分离的摩擦热源，尽量采取措施，改善其摩擦特性，减少发热。采用隔热材料将发热部件和机床大件隔离开来2、均衡温度场，使机床各部分温升差降低 3、采用合理机床结构及装配基准1）热对称结构 变速箱中将轴、轴承、齿轮等对称布置，可使箱壁温升均匀，箱体变形减少。2）热补偿结构3）合理选择装配基准4、加速达到热平衡高速空运转人为加热5、控制环境温度恒温第五

41、节 加工误差的统计分析前面分析了影响加工精度的原始误差，从原始误差 中找出影响加工误差的规律，实际上加工误差是一综合因素，如：刀具磨损误差，反映为磨损Fyy热量热变形。 同一加工误差产生的原因可以是多种多样的，实际上分析问题总是从加工误差着手，根据原始误差作用规律寻找原始误差，现在一般采用统计分析的方法分析加工误差，找出规律，在在这些规律中寻找原始误差的影响，从而消除原始误差。一、加工误差的性质1、系统误差在顺序加工一批工件中，其大小和方向均不改变，或按一定规律变化的加工误差。常值系统误差其大小和方向均不改变。如机床、夹具、刀具的制造误差，工艺系统在均匀切削力作用下的受力变形，调整误差，机床、

42、夹具、量具的磨损等因素引起的加工误差。变值系统误差误差大小和方向按一定规律变化。如机床、夹具、刀具在热平衡前的热变形，刀具磨损等因素引起的加工误差。2、随机误差在顺序加工一批工件中，其大小和方向随机变化的加工误差。随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的。随机误差服从统计学规律。如毛坯余量或硬度不均，引起切削力的随机变化而造成的加工误差；定位误差；夹紧误差；残余应力引起的变形等。二、解决途径常值性误差：查明大小和方向，可通过相应的调整或检修工艺装备或制造人为误差来抵消常值误差。变值性误差：摸清其变化规律后，可以进行自动连续补偿和自动周期补偿。随机误差：无明显规律，难以完全消除，只能查明

43、根源，给予尽量减小。三、加工误差的分布图分析法（统计分析法）（一）生产中的加工误差问题生产中常以复杂因素出现加工误差问题，这些误差不能采用单因素分析法来衡量其因果关系，更不能从单个工件的检查得出结论。 1单个工件不能暴露出误差的性质和变化规律，单个工件不能代表整批工件的误差大小。 2一批工件加工中，即存在变值性误差，也存在随机误差，这时单个工件的误差是不断变化的，凭单个工件推断整批工件误差是不可靠的，所以采用统计分析法。（二）统计分析法1定义：、以生产现场内对许多工件进行检查的数据为基础，运用数理统计的方法，从中找出规律性的东西，进而获得解决问题的途径。2过程：如图3-21表示数据处理的过程母

44、体试样数据作图结论措施抽样测定处理分析研究处理图3-21 数据处理的过程 （三）实验分布图1基本概念： 样本：用于抽取测量的一批工件 样本容量n ：抽取样本的件数；样本容量通常取 n = 50200 随机变量x：任意抽取的零件的加工尺寸。 极差R：抽取的样本尺寸的最大值和最小值之差。 R=Xmax-Xmin 组距d：将样本尺寸按大小顺序排列，并分为k组，组距为d 频数mi：同一尺寸或同一误差组的零件数量mi称为频数。频率fi：频数与样本容量的比值。 平均值 ：表示样本的尺寸分散中心。标准差S：反映了一批工件的尺寸分散程度2绘制步骤1）采集数据 本容量通常取 n = 502002）确定分组数、组

45、距、组界、组中值 按教材203页表3-2初选分组数 k； 确定组距 d：取整，dd 确定分组数 k： 确定各组组界、组中值（第一组以Xmin为组中值） 统计各组频数3）计算样本平均值和标准差: 4）画直方图：以工件尺寸（误差）为横坐标，以频数或频率为纵坐标。如图3-23所示-14.5-8.55-3.5y y（频数）（偏差值）（平均偏差）-15-10-5（公差带中心）（公差带下限）（公差带上限）图3-22 数据分析直方图 3举例 【例12】 磨削批抽径 的工件，绘制工件加工尺寸的直方图。1） 收集数据 如下表所示。轴径尺寸实测图442046322040523340254338404130364951383422463830