第十四 机械加工精度

1、第十四章 机械加工精度教学要求与目的：教学要求与目的： 通过本章的学习，要求同学们了解和掌握加工误差的组成及学会分析误差的产生原因，便于今后在实际工作中，发现和查找误差产生的原因，提高解决问题的能力。教学内容：教学内容： 1、加工误差的组成； 2、工艺系统的几何误差； 3、定位误差的分析与计算； 4、工艺系统的受力变形误差； 5、工艺系统的热变形误差； 6、工件内应力造成的误差； 7、加工误差综合分析简介；教学重点：教学重点： 2、3、4、5、6项第一节第一节 机械加工精度概述机械加工精度概述 机械加工精度是指零件加工后实际几何参数（尺寸、形状、位置）与理想几何参数之间的符合程度。实际几何参数

2、与理想几何参数之间的偏差称为加工误差。误差小，精度高。一、零件加工精度的构成 零件的加工精度包括表面自身精度与表面之间的精度 1.尺寸精度 在机械加工中存在着许多产生误差的因素，它是不可避免的关键是如何设法使加工误差控制在偏差范围内。 加工误差：是指零件加工后实际几何参数（尺寸、几何形状和相互位置）与理想几何参数之间的偏差。 工艺系统误差：在切削过程中，刀具与工件相对运动以及受力受热变形引起的加工误差。一、误差的分类：一、误差的分类： 系统误差：误差的大小与方向均已掌握，可以用代数和来进 行综合。如近似加工原理、刀具近似形状造成的。 随机误差：误差的大小和方向无规律变化，它不能用代数和 来进行

3、综合。如内应力引起工件变形造成的。 从工艺因素来考虑，加工误差可分为： 1、加工原理误差： 由于采用近似的加工方法所产生的误差。它包括成形运动、近似刀具轮廓等。2、工艺系统的几何误差： 工艺系统中各组成环节实际几何参数和位置偏离理论值。3、工艺系统受力变形引起的误差： 工艺系统在切削力、夹紧力等作用下产生变形，导致加工误差。4、工艺系统受热变形引起的误差： 工艺系统在切削热，摩擦热作用下系统热变形引起的加工误差5、工件内应力引起的加工误差： 工件通过冷热加工后产生一定的残余应力，要达到 平衡状态破坏原有的平衡而造成的误差；6、测量误差： 由于测量的方法、量具的精度造成的误差；二、原始误差与加工

4、误差的关系：二、原始误差与加工误差的关系： 工艺系统几何误差和其它因素引起的变形误差，都会导致加工误差如图：13.2 工艺系统的几何误差 工艺系统的几何误差主要是指机床、刀具和夹具本身制造 时所产生的误差。一、机床的几何误差：一、机床的几何误差： 机床的几何误差是指主轴的回转误差，导轨导向误差和传动链误差。1、主轴的回转运动误差： 是指主轴实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。 机床主轴是用来装夹工件或刀具，并将运动和动力传给工件或刀具的重要零件，主轴回转误差将直接影响被加工工件的形状精度和位置精度。 主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向圆跳动和角度摆动三种不同形式的误差。（1）径向圆跳动：是

5、主轴回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量。车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差 。 产生径向误差的主要原因有： 主轴支承轴颈的圆度误差、轴承工作表面的圆度误差等。 （2）轴向圆跳动：是主轴回转轴线沿平均回转轴线方向的变动量。 车端面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差。产生轴向圆跳动的原因是主轴轴肩端面和推力轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。 （3）角度摆动：主轴回转轴线相对平均回转轴线成一倾斜角度的运动。车削时，它使加工表面产生圆柱度误差和端面的形状误差。(1)影响主轴回转运动误差的因素： 由于主轴部件在制造、装配、使用中的各种因素影响，如轴径的误差、轴承的误差、轴承的间隙、与轴

6、承配合的零件的误差及热变形等。 采用滑动轴承支承：主轴径和轴承孔的圆度误差对主轴回转精度有直接影响。 采用滚动轴承时：内外环滚道形状误差引起的轴向和径向跳动。 采用其它的轴承同样会造成误差的。 凡是与主轴相关的零件都会影响它的回转精度，如轴颈同轴度会造成主轴角向漂移；轴承定位端面与轴心线的垂直度误差、轴承端面之间的平行度误差等都会引起主轴的轴向窜动。(2)提高主轴回转精度的措施： 采用高精度的主轴部件 提高主轴轴承的精度和刚度，选择D、C级轴承；当选滑动轴承时，一般选静压或动静压滑动轴承。 消除主轴回转的误差对工件加工精度的影响。2 2、机床导轨误差：、机床导轨误差： 导轨是机床各部件运动的基

7、准，对于进给运动是直线运动的机床，直线度（水平、垂直方向）、平面度影响最大。 1）导轨在水平面内的误差 导轨在水平面内误差恰好是车削外圆加工误差的敏感方向，如图如图13.513.5。其误差将11地反映到工件上。加工外圆时，导轨的直线度误差会引起工件圆柱度误差和外圆母线的直线度误差，另外导轨对主轴轴线的平行度误差会使加工后的工件产生锥度误差。如图如图13.613.62）导轨在垂直面内的误差： 如图图13.5a13.5a所示，设导轨在垂直面内的直线度误差造成刀具在垂直方向位移z，由此造成的工件半径误差为： R 很小可以忽略不计，导轨在垂直面内对主轴轴线的平行度误差会使工件的外圆产生圆柱度误差，但其

8、量值也很小，但对平面磨床、龙门磨床和铣床等将引起工件相对砂轮或刀具的法向位移，其误差将直接反映到被加工表面，造成形状误差。 机床的安装及地基情况对导轨的精度影响也很大，由于安装水平或地基不牢，造成机床下陷，也会破坏导轨原有的精度。3、机床传动链误差： 为提高传动系统精度，一般采用提高装配精度、缩短传动链采用降速传动等措施。RZR2/2二、工艺系统的其它几何误差：二、工艺系统的其它几何误差： 1、刀具误差： 刀具误差包括刀具的制造、磨损及安装误差等。一般刀具对加工精度没有直接影响，但对于成形刀具、定尺寸刀具则直接影响。 2、夹具误差： 夹具误差包括定位误差、夹紧误差、夹具安装误差及对刀误差等；不

9、仅要控制夹具元件的制造精度，同时还考虑定位元件的磨损引起的误差。 3、调整误差： 切削加工时通过检测的结果调整刀具、夹具、工件相对位置时，由于量具的制造误差、测量方法以及主客观因素的都会造成加工误差。 利用调整法加工时，行程挡块的制造精度、刚度以及与之相配的电器元件的灵敏度都会引起加工误差的。13.3 定位误差一、定位误差的概念与计算：一、定位误差的概念与计算： 定位误差：由于工件在夹具上定位不准而造成的加工误差。它包括基准位移误差和基准不重合误差，其实质是工序基准在加工方向上的最大变动量。 1、基准位移误差：、基准位移误差： 定位基准相对其理想位置的最大变动量。用Y表示， 如图如图13.71

10、3.7，在圆柱面上铣键槽，心轴定位，设计基准与定位基准重合。其位移误差为： 从上式可以看出基准位移误差是由定位副制造误差造成。222222minmaxminmaxmaxminminmax2121dDYTTddDDdDdDOOOOOO2 2、基准不重合误差：、基准不重合误差： 由于定位基准和工序基准不重合而造成的加工误差，用B表示。如图如图13.813.8：铣削槽时，保证B尺寸，B尺寸的设计基准为D面，而定位基准为F面，所以B=2L 综上所述：可得下列结论：综上所述：可得下列结论： 定位误差 只产生在调整法加工一批工件中，试切法加工，不存在； 定位误差 产生的原因是工件的制造误差和定位元件的制造

11、误差，两者的配合间隙及工序尺寸与定位尺寸不重合等； 一般情况下， 定位误差由Y和B组成 ，但并不是两种误差同时存在，当基准重合时B=0，当定位无变动时Y=0。 当工序基准不在定位基面上时，=Y Y+B B；当工序基准在定位面上，=Y YB B，若基准位移与不重合引起的加工尺寸变化方向相同时取“+”反之取“-”。二、几种典型表面的定位误差：二、几种典型表面的定位误差：1 1、工件以平面定位：、工件以平面定位： 以平面定位时，其误差主要基准不重合发而引起的，位移误差由平面度引起，该误差较小，可以忽略不计。2 2、工件以圆孔定位：、工件以圆孔定位： 圆孔定位时，其误差主要是由工件圆孔的精度，以及定位

12、元件放置形式、配合性质、基准重合与否有关。3 3、工件以外圆定位：、工件以外圆定位： 常见的定位元件有定位套、支承板、V形块等。如图如图13.913.9 工序尺寸为工序尺寸为A A1 1： 工序基准与定位基准重合，所以只有基准位移误差，而没有基准不重合误差。定位误差为：2sin2dYD工序尺寸为工序尺寸为A2A2： 工序基准为下母线，定位基准为圆心，不重合B0。=YB，符号的确定：当定位基面直径由大变小时，定位基准朝下运动，使A2变大，当定位基面直径由小变大时；假定定位基准不动，工序基准相对于定位基准向上运动，使A2变小。两者变动方向相反，所以有： 工序尺寸为工序尺寸为A A3 3时时：与A2

13、相反如下：4 4、工件以表面组合定位：、工件以表面组合定位： 实际工作中，加工箱体时，采用一面两销定位，即大平面与相距较远的两个孔组合定位。12sin12dD12sin12dBYD尺寸方向与位置尺寸方向与位置加工尺寸加工尺寸计算公式计算公式水平尺寸，任意位置B1、B2、B3Y=X1max垂直尺寸，在O1、O2上A2A4Y=X1mxaY=X2max 在O1、O2之间垂直尺寸A3Y=X1max+2B2tan在O1、O2之间垂直尺寸A1 A5Y=X1max+2B1tanY=X2max+2B3tan aXDb2/min2min2 削边销的尺寸计算如下式：13.4 工艺系统的受力变形误差一、概述：一、概

14、述： 工艺系统是由多个环节组成 ，每一个环节在外力作用下发生弹性变形和部件接触之间间隙造成了刀具与工件相对位置变化误差。如图如图13.1013.10： 工艺系统抵抗变形的能力越大，工艺系统的变形就越小。 工艺系统抵抗变形的能力称为工艺系统刚度： Fp切削力沿加工表面法线方向的分力； yxt工艺系统在总切削力作用下加工表面法线方向的变形。 切削时机床的有关零部件、夹具、刀具和工件在切削力的作用下都会产生不同程度的变形，工艺系统在某处法向总变形量为各个组成部分在该处的法向变形叠加。xtpxtyFk即总变形量为：即总变形量为： yxt=yjc+ydj+yjj+ygj各部分的刚度为： yjc机床的变形

15、量，mm kjc机床的刚度N/mm ydj刀架的变形量; mm kdj刀架的刚度；N/mm yjj夹具的变形量；mm kjj夹具的刚度；N/mm ygj工件的变形量；mm kgj工件的刚度；N/mmgjjjdjjcxtgjpgjjjpjjdjpdjjcpjcxtpxtkkkkkyFkyFkyFkyFkyFk11111;二、工艺系统受力变形引起的加工误差：二、工艺系统受力变形引起的加工误差： 切削时，刀具相对于工件的位置在不断的变化，所以作用力的大小及作用点的位置总是变化的。1、切削力大小变化引起的加工误差： 由于吃刀深度和工件表面硬度的变化，切削力也在不断的变化，加工时容易将毛坯的误差反复到工

16、件表面上，这种现象叫误差的复映。 毛坯的误差为m ，每次走刀的复映误差，所以工件的误差为：gj=m 由于y总小于ap，即总是小于1，它反映了毛坯误差经过加工后的减小程度。与工艺系统的刚度成反比，与切削力Fx的系数成正比，要减小工件的复映误差，可通过增加工艺系统的刚度或减小径向切削力的系数。 如果毛坯误差太大，要经过多次时，则总误差为： gj=1*2*nm2 2、切削力作用点位置变化引起的加工误差：、切削力作用点位置变化引起的加工误差： （1）切削过程中受力点位置变化引起的工件形状误差 如车削外圆表面（短轴、长轴）时，变形误差的形式不一样。加工短轴时与工艺系统的刚度有关如上式中当Z=L时最大值，

17、Z=0最小，计算出的差值为圆柱度误差。 (2)车削细长轴时 工艺系统的刚度可以忽略不小，它比工件的刚度大许多，那么工艺系统的位移误差完全取决于工件的变形量如下：22111LzkLzLkkFyyywztjdjXdjzxtLzzLEIFyXw2233、其它力引起的加工误差：由惯性力引起的加工误差：如图它可能造成圆度误差：由传动力引起的加工误差 同样造成圆度误差；由夹紧力引起的加工误差； 由重力引起的加工差；三、工艺系统中部件的受力变形：三、工艺系统中部件的受力变形： 工艺系统的变形是由各个部件的变形综合。影响的因素有： 1、连接表面的接触变形；受表面粗糙度、形状误差的影响； 2、低刚度零件的自身变

18、形； 3、间隙的影响；四、减小工艺系统受力变形的措施：四、减小工艺系统受力变形的措施： 1、提高接触刚度； 2、设置辅助支承，提高局部刚度； 3、采用合理的装夹方法； 4、采用补偿或转移变形的方法；13.5 工艺系统的热变形误差 在切削加工过程中，产生大量的热量，使工艺系统温度升高导致产生热变形，从而引起加工误差，特别是精加工时，比较明显。总加工误差的40%70%是由于温度的变化而引起的。 工艺系统的热源可分为内部热源和外部热源两大类。内部热源是切削热、摩擦热等；外部热源是环境热源和辐射热源。 一、机床热变形引起的加工误差：一、机床热变形引起的加工误差： 机床在运转和加工过程中，由于内外热源的

19、影响，温度升高各部件的变形不一，这样使机床原有的几何精度遭到破坏，从而造成加工误差。二、工件热变形对加工精度的影响：二、工件热变形对加工精度的影响： 1、工件均匀受热；影响尺寸精度和圆柱度误差； 2、工件不均匀受热：主要是加工平面、薄壁零件； T上下温差 L、H工件长度与厚度 工件热膨胀系数 HLT82三、刀具热变形的影响：三、刀具热变形的影响： 刀具产生热变形的热源主要是切削热。切削热传入刀具的比例虽然不大（车削时约为5左右），但由于刀具体积小，热容量小，所以刀具切削部分的温升仍较高。 粗加工时，刀具热变形对加工精度的影响一般可以忽略不计对于加工要求较高的零件，刀具热变形对加工精度的影响较大

20、，将使加工表面产生尺寸误差或形状误差。四、减小热变形的主要措施：四、减小热变形的主要措施： 1、减小工艺系统热源的发热： 尽可能分离出去的热源；在相关零部件的结构设计时应采取措施改善摩擦条件；向切削区加注冷却润滑液，可减少切削热对工艺系统热变形的影响。 2、保持工艺系统的热平衡： 在切削加工之前，先对机床进行预热，达到热平衡后再加工。 3、控制环境温度： 保证车间环境温度，特别是对精密、超精密机床更为重要。13.6 工件内应力造成的误差 内应力是指在没有外力作用下或去除外力后工件残存的应力。内应力具有不稳定状态，常温下容易失去原有的状态，引起内应力重新分布，产生了内应力误差。一、产生内应力的原因：一、产生内应力的原因： 1、毛坯制造中产生的内应力： 2、工件冷校直时产生的内应力：二、减小和消除内应力的工艺措施：二、减小和消除内应力的工艺措施： 1、合理设计零件结构； 设计时尽量简化零件的结构，使壁厚均匀，提高零件的刚度等。 2、合理安排工艺过程； 加工时尽量将粗、精分开，有利于精加工时修正误差。 3、对工件进行热处理和时效处理； 退火、正火、时效均可以消除内应力。13.7 加工误差综合分析简介 加工误差产生的因素是错综复杂的，很难用某种原因说明，必须运用数理统计学的