机械制造技术基础第19讲(2015)

1、第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制 第二节第二节 影响机械加工精度的因素影响机械加工精度的因素一、工艺系统的几何误差一、工艺系统的几何误差二、装夹误差二、装夹误差三、工艺系统受力变形引起的误差三、工艺系统受力变形引起的误差第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制4-13 在三台车床上分别加工三批工件的外圆表在三台车床上分别加工三批工件的外圆表面，加工后经测量，三批工件分别产生了如图面，加工后经测量，三批工件分别产生了如图4-76所示的形状误差，试分析产生上述形状误差的所示的形状误差，试分析产生上述形状误差的主要原因。主要原因。 图图4-76 习题习题4-13图

2、图第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制四、工艺系统受热变形引起的误差四、工艺系统受热变形引起的误差工艺系统在热源作用下产生的局部变形，会破坏工艺系统在热源作用下产生的局部变形，会破坏刀具与工件的正确位置关系，使工件产生加工误刀具与工件的正确位置关系，使工件产生加工误差。差。热变形对加工精度影响较大，特别是在精密加工热变形对加工精度影响较大，特别是在精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的占到工件加工总误差的40%70%。第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（一）（一） 工艺系统的热源工艺

3、系统的热源（1） 切削热切削热 切削加工过程中，消耗能量的绝大切削加工过程中，消耗能量的绝大部分转化为切削热。切削热将传入工件、刀具、部分转化为切削热。切削热将传入工件、刀具、切屑和周围介质，它是工艺系统中工件和刀具热切屑和周围介质，它是工艺系统中工件和刀具热变形的主要热源。变形的主要热源。车削时传给工件的热量占总切削热的车削时传给工件的热量占总切削热的30%左右；左右；铣削、刨削时小于铣削、刨削时小于30%；钻削和镗削时往往超过；钻削和镗削时往往超过50%；磨削有时多达；磨削有时多达80 %以上。以上。第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（2） 摩擦热和动力装置能量损耗发出

4、的热摩擦热和动力装置能量损耗发出的热机床运动部件为克服摩擦所做机械功转变的热量机床运动部件为克服摩擦所做机械功转变的热量,机床动力装置工作时因能量损耗发出的热，它们机床动力装置工作时因能量损耗发出的热，它们是机床热变形的主要热源。是机床热变形的主要热源。 （3） 外部热源外部热源主要是指周围环境温度通过空气对流以及日光、主要是指周围环境温度通过空气对流以及日光、照明、取暖设备等热源通过辐射传到工艺系统的照明、取暖设备等热源通过辐射传到工艺系统的热量。其对机床热变形的影响也不可忽视。热量。其对机床热变形的影响也不可忽视。第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制在工作状态下，工艺系统

5、一方面经受各种热源的在工作状态下，工艺系统一方面经受各种热源的作用使温度逐渐升高，另一方面同时通过各种传作用使温度逐渐升高，另一方面同时通过各种传热方式向周围介质散发热量。热方式向周围介质散发热量。当工件、刀具和机床的温度达到某一数值时，单当工件、刀具和机床的温度达到某一数值时，单位时间内传出和传入的热量接近相等时，工艺系位时间内传出和传入的热量接近相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。在热平衡状态下，工艺统就达到了热平衡状态。在热平衡状态下，工艺系统各部分的温度保持在某一相对固定的数值上，系统各部分的温度保持在某一相对固定的数值上，工艺系统的热变形将趋于相对稳定。工艺系统的热变形将趋于相对稳定

6、。第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（二）工艺系统热变形对加工精度的影响（二）工艺系统热变形对加工精度的影响1. 工件热变形对加工精度的影响工件热变形对加工精度的影响机械加工过程中，使工件产生热变形的热源主要机械加工过程中，使工件产生热变形的热源主要是切削热。对于精密零件，环境温度变化和日光、是切削热。对于精密零件，环境温度变化和日光、取暖设备等外部热源对工艺系统的局部辐射等也取暖设备等外部热源对工艺系统的局部辐射等也不容忽视。不容忽视。第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制车削或磨削轴类工件外圆时，可近似看成是均匀车削或磨削轴类工件外圆时，可近似看成是均匀

7、受热的情况。工件均匀受热影响工件的尺寸精度，受热的情况。工件均匀受热影响工件的尺寸精度，其变形量其变形量 L（mm）可按下式估算：）可按下式估算： LL （4-19）式中式中 L工件变形方向的长度（或直径）（工件变形方向的长度（或直径）（mm）；）； 工件的热膨胀系数（工件的热膨胀系数（1/C ） ； 工件的平均温升（工件的平均温升（C）。）。 第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制对于精密加工，热变形是一个不容忽视的重要问对于精密加工，热变形是一个不容忽视的重要问题。例如在磨削题。例如在磨削400mm长丝杠螺纹时，如被磨长丝杠螺纹时，如被磨丝杠的温度比机床母丝杠高丝杠的温度比

8、机床母丝杠高1C，则被磨丝杠将，则被磨丝杠将伸长伸长 L=1.1710-54001 = 0.0047 mm5 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，不允长度上，不允许超过许超过5m，由此可见，热变形对精密加工件的，由此可见，热变形对精密加工件的影响是很大的。影响是很大的。第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制磨削加工薄片类工磨削加工薄片类工件的平面，如图件的平面，如图4 -30所示，就属于不所示，就属于不均匀受热的情况均匀受热的情况（常在铣、刨、磨（常在铣、刨、磨平面时出现）。平面时出现）。图图4-30 不均匀受热引起的热变形不均匀受热引起的热变形第四章

9、第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制由图知，工件的凸起量由图知，工件的凸起量 （420） 由式（由式（4 -20）可知，工件凸起量）可知，工件凸起量f 与工件长度与工件长度 L 的平方成正比，且工件的厚度的平方成正比，且工件的厚度H愈小（在一定愈小（在一定范围内），工件的凸起量范围内），工件的凸起量f 就越大。就越大。HaLf82 第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制2. 刀具热变形对加工精度的影响刀具热变形对加工精度的影响 使刀具产生热变形的热源主要是切削热。使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切削热传入刀具的比例虽然不大(车削时约为

10、车削时约为5%左右左右)，但由于刀具体积小，热容量小，所以刀，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。例如，车削时，高速具切削部分的温升仍较高。例如，车削时，高速钢车刀刀刃部位的温度可达钢车刀刀刃部位的温度可达600C，刀具的热伸，刀具的热伸长量可达长量可达0.030.05mm；硬质合金刀具刀刃部位；硬质合金刀具刀刃部位的温度可达的温度可达1000C。 第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制图图4 -31为车刀的热变形曲线。为车刀的热变形曲线。实际加工中，刀具往往作间断切削，有短暂的冷实际加工中，刀具往往作间断切削，有短暂的冷却时间，热变形量相对较小。却时间，

11、热变形量相对较小。断续切削使车刀达到断续切削使车刀达到热平衡所需时间比连热平衡所需时间比连续切削时车刀达到热续切削时车刀达到热平衡所需时间要短。平衡所需时间要短。 图图4-31 车刀的热变形曲线车刀的热变形曲线图图4-31 车刀的热变形曲线车刀的热变形曲线第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制粗加工时，刀具热变形对加工精度的影响一般可粗加工时，刀具热变形对加工精度的影响一般可以忽略不计；精加工尤其是精密加工时，刀具热以忽略不计；精加工尤其是精密加工时，刀具热变形对加工精度的影响较为显著，它会使加工表变形对加工精度的影响较为显著，它会使加工表面产生尺寸误差或形状误差。面产生尺寸误

12、差或形状误差。3. 机床热变形对加工精度的影响机床热变形对加工精度的影响使机床产生热变形的热源主要是摩擦热、传动热使机床产生热变形的热源主要是摩擦热、传动热和外界热源传入的热量。和外界热源传入的热量。 第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制由于机床内部热源分布的不均匀和机床结构的复由于机床内部热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件的温升是各不相同的，机床零杂性，机床各部件的温升是各不相同的，机床零部件间会产生不均匀的变形，这就破坏了机床各部件间会产生不均匀的变形，这就破坏了机床各部件原有的相互位置关系。部件原有的相互位置关系。不同类型的机床，其主要热源各不相同，热变形不

13、同类型的机床，其主要热源各不相同，热变形对加工精度的影响也不相同。对加工精度的影响也不相同。 第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制车床、铣床和钻、镗类机床的主要热源来自主轴车床、铣床和钻、镗类机床的主要热源来自主轴箱（图箱（图4 32）。）。 图图4-32 车床的热变形示意图车床的热变形示意图第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制磨床通常都有液压传动系统和高速回转的磨头，磨床通常都有液压传动系统和高速回转的磨头，并使用大量冷却液，它们都是磨床的主要热源。并使用大量冷却液，它们都是磨床的主要热源。图图4-33 外圆磨床的热变形示意图外圆磨床的热变形示意图1-床身

14、床身 2-导轨导轨 3-头架头架 4-砂轮砂轮 5-砂轮架砂轮架 6-螺母螺母第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制立式铣床受热变形形态立式铣床受热变形形态导轨磨床受热变形形态导轨磨床受热变形形态第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（三）（三） 减小工艺系统热变形的途径减小工艺系统热变形的途径1. 减少发热量减少发热量分离热源，改善摩擦条件，加强润滑，采取隔热分离热源，改善摩擦条件，加强润滑，采取隔热措施（隔热罩、风扇等）。通过控制切削用量和措施（隔热罩、风扇等）。通过控制切削用量和刀具几何参数，可减少切削热。刀具几何参数，可减少切削热。2. 改善散热条件改善

15、散热条件加工时采用切削液；使用风扇、散热片，利用循加工时采用切削液；使用风扇、散热片，利用循环润滑冷却系统，还可采用强制冷却等方法。环润滑冷却系统，还可采用强制冷却等方法。第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制3. 均衡温度场均衡温度场 如图如图4-34所示为平面磨床所采用所示为平面磨床所采用的均衡温度场措施的示意图。的均衡温度场措施的示意图。图图4-34 平面磨床床身底部用回油加温平面磨床床身底部用回油加温油箱油箱油沟油沟第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制4. 改进机床结构改进机床结构 （如图（如图4 -35a、b，图，图4 -36）。）。 图图4-35

16、车床主轴箱定位面位置对热变形方向的影响车床主轴箱定位面位置对热变形方向的影响第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制5. 加快温度场平衡加快温度场平衡 加工前对机床进行高速空运加工前对机床进行高速空运转，使其在较短时间内尽快进入热平衡状态。转，使其在较短时间内尽快进入热平衡状态。6. 控制环境温度控制环境温度 精密加工、计量和装配都应在精密加工、计量和装配都应在恒温条件下进行。恒温条件下进行。图图4-36 双端面磨床主轴结构双端面磨床主轴结构第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制五、工件内应力重新分布引起的误差五、工件内应力重新分布引起的误差 （一）（一） 内应力

17、及其对加工精度的影响内应力及其对加工精度的影响 1. 内应力内应力内应力亦称残余应力，是指在没有外力作用下或内应力亦称残余应力，是指在没有外力作用下或去除外力作用后残留在工件内部的应力。去除外力作用后残留在工件内部的应力。它是由于金属内部宏观的或微观的组织发生了不它是由于金属内部宏观的或微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的。均匀的体积变化而产生的。 第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制工件一旦有内应力产生，就会使工件处于一种高工件一旦有内应力产生，就会使工件处于一种高能位不稳定的平衡状态，它本能地要向低能位稳能位不稳定的平衡状态，它本能地要向低能位稳定的平衡状态转化，转化

18、速度或快或慢，但迟早定的平衡状态转化，转化速度或快或慢，但迟早总是要转化的，转化的速度取决于外界条件。总是要转化的，转化的速度取决于外界条件。当带有内应力的工件受到力或热的作用而失去原当带有内应力的工件受到力或热的作用而失去原有的平衡时，内应力就将重新分布以达到新的平有的平衡时，内应力就将重新分布以达到新的平衡。在内应力变化的过程中，零件产生相应的变衡。在内应力变化的过程中，零件产生相应的变形，从而使工件丧失原有的加工精度。形，从而使工件丧失原有的加工精度。第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制2. 内应力产生的原因内应力产生的原因（1） 热加工中产生的内应力热加工中产生的内应

19、力 在铸造、锻压、在铸造、锻压、焊接和热处理等加工中，由于工件壁厚不均、冷焊接和热处理等加工中，由于工件壁厚不均、冷却不均或金相组织转变等原因，都会使工件产生却不均或金相组织转变等原因，都会使工件产生 内应力。现以铸造内应力。现以铸造如图如图4 -37a所示的所示的内外壁厚相差较大内外壁厚相差较大的铸件说明。的铸件说明。图图4-37a） 铸件内应力的形成铸件内应力的形成第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制如果在有内应力的工件上如果在有内应力的工件上A处开一缺口，则工件处开一缺口，则工件的内应力将重新分布并达到新的平衡状态。在内的内应力将重新分布并达到新的平衡状态。在内应力重新

20、分布过程中，工件将伴有变形产生。应力重新分布过程中，工件将伴有变形产生。图图4-37 铸件内应力的形成及变形铸件内应力的形成及变形第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（2）冷校直产生的内应力）冷校直产生的内应力图图4-38 冷校直引起的内应力冷校直引起的内应力冷校直工艺方法是指冷校直工艺方法是指常温下，在一些长棒常温下，在一些长棒料或细长零件弯曲的料或细长零件弯曲的反方向施加外力，使反方向施加外力，使工件产生塑性变形，工件产生塑性变形，以达到校直的目的。以达到校直的目的。 第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制但在冷校直后的工件内部却产生了附加内应力。但在冷校

21、直后的工件内部却产生了附加内应力。图图4-38 冷校直引起的内应力冷校直引起的内应力第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制当应力平衡状态一旦被破坏之后（或由于在轴上当应力平衡状态一旦被破坏之后（或由于在轴上切掉一层材料，或由于其它外界条件变化），工切掉一层材料，或由于其它外界条件变化），工件内部的应力又会重新分布而使工件还会朝原来件内部的应力又会重新分布而使工件还会朝原来的弯曲方向变回去（参见图的弯曲方向变回去（参见图4 40）。）。 图图4-40 内应力重新分布引起的工件变形内应力重新分布引起的工件变形第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制3. 内应力重新分布

22、引起的变形内应力重新分布引起的变形如果工件内部存在拉、压平衡的内应力，经过加如果工件内部存在拉、压平衡的内应力，经过加工后，原有的内应力平衡状态受到破坏，工件就工后，原有的内应力平衡状态受到破坏，工件就将通过变形重新建立新的应力平衡。将通过变形重新建立新的应力平衡。图图4-39 铸件加工由内应力重新分布引起的工件变形铸件加工由内应力重新分布引起的工件变形第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（二）（二） 减小或消除内应力变形误差的途径减小或消除内应力变形误差的途径1. 合理设计零件结构合理设计零件结构 应尽量做到壁厚均匀、应尽量做到壁厚均匀、结构对称，以减小内应力的产生。结构对

23、称，以减小内应力的产生。2. 合理安排工艺过程合理安排工艺过程 工件中如有内应力产生工件中如有内应力产生,必然会有变形发生，应使内应力重新分布引起的必然会有变形发生，应使内应力重新分布引起的变形能在进行机械加工之前或在粗加工阶段尽早变形能在进行机械加工之前或在粗加工阶段尽早完成，不让内应力变形发生在精加工阶段或精加完成，不让内应力变形发生在精加工阶段或精加工之后。工之后。 第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制铸件、锻件、焊接件在进入机械加工之前，应安铸件、锻件、焊接件在进入机械加工之前，应安排退火、回火等热处理工序；对箱体、床身等重排退火、回火等热处理工序；对箱体、床身等重要

24、零件，在粗加工之后尚需适当安排时效工序；要零件，在粗加工之后尚需适当安排时效工序；工件上一些重要表面的粗、精加工工序宜分阶段工件上一些重要表面的粗、精加工工序宜分阶段安排，使工件在粗加工之后能有更多的时间通过安排，使工件在粗加工之后能有更多的时间通过变形使内应力重新分布，待工件充分变形之后再变形使内应力重新分布，待工件充分变形之后再进行精加工，以减小内应力对加工精度的影响。进行精加工，以减小内应力对加工精度的影响。第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制六、其它误差六、其它误差1. 原理误差原理误差原理误差是指由于采用了近似的成形运动、近似原理误差是指由于采用了近似的成形运动、近

25、似的刀刃形状等原因而产生的加工误差。的刀刃形状等原因而产生的加工误差。 利用成形法铣削加工直齿圆柱齿轮时，理论上对利用成形法铣削加工直齿圆柱齿轮时，理论上对模数相同而齿数不同的齿轮都要设计专用的齿轮模数相同而齿数不同的齿轮都要设计专用的齿轮铣刀，但在实际生产中，将齿轮的常用齿数进行铣刀，但在实际生产中，将齿轮的常用齿数进行分组，每一组齿轮都用同一把铣刀加工，这样就分组，每一组齿轮都用同一把铣刀加工，这样就不可避免产生齿形误差。不可避免产生齿形误差。 第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制附表附表 一组一组8把模数铣刀所铣的齿轮齿数把模数铣刀所铣的齿轮齿数机械加工中，采用近似的成

26、形运动或近似的刀刃机械加工中，采用近似的成形运动或近似的刀刃形状进行加工，虽然会由此产生一定的原理误差，形状进行加工，虽然会由此产生一定的原理误差，但却可以简化机床结构和减少刀具数，只要加工但却可以简化机床结构和减少刀具数，只要加工误差能够控制在允许的制造公差范围内，就可采误差能够控制在允许的制造公差范围内，就可采用近似加工方法。用近似加工方法。刀号刀号12345678加工齿数加工齿数范围范围12131416172021252634355455134135齿条齿条第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制2. 调整误差调整误差在机械加工过程中，有许多调整工作要做，例如，在机械加工过

27、程中，有许多调整工作要做，例如，调整夹具在机床上的位置，调整刀具相对于工件调整夹具在机床上的位置，调整刀具相对于工件的位置等。由于调整不准确产生的误差，称为调的位置等。由于调整不准确产生的误差，称为调整误差。整误差。工艺系统的调整有试切法调整和调整法调整两类工艺系统的调整有试切法调整和调整法调整两类基本方式，产生调整误差的原因各不相同。基本方式，产生调整误差的原因各不相同。引起调整误差的因素很多，例如调整时所用刻度引起调整误差的因素很多，例如调整时所用刻度盘、样板或样件等的制造误差等。盘、样板或样件等的制造误差等。第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制3. 测量误差测量误差测量

28、误差是工件的测量尺寸与实际尺寸的差值。测量误差是工件的测量尺寸与实际尺寸的差值。一定的加工精度要求应采用相应的测量方法和测一定的加工精度要求应采用相应的测量方法和测量仪器。量仪器。产生测量误差的原因主要有：量具量仪本身的制产生测量误差的原因主要有：量具量仪本身的制造误差及磨损，测量过程中环境温度的影响，测造误差及磨损，测量过程中环境温度的影响，测量者的测量读数误差，测量者施力不当引起量具量者的测量读数误差，测量者施力不当引起量具量仪的变形等。量仪的变形等。第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制加工前加工前加工中加工中加工后加工后机床误差机床误差刀具误差刀具误差夹具误差夹具误差装

29、夹误差装夹误差原理误差原理误差调整误差调整误差机床、刀具、夹具磨损机床、刀具、夹具磨损工艺系统受力变形工艺系统受力变形工艺系统受热变形工艺系统受热变形工件内应力引起变形工件内应力引起变形测量误差测量误差工艺系统的误差（原始误差）工艺系统的误差（原始误差）第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制七、提高加工精度的途径七、提高加工精度的途径为保证和提高机械加工精度，首先要找出产生加为保证和提高机械加工精度，首先要找出产生加工误差的主要因素，然后采取相应的工艺措施以工误差的主要因素，然后采取相应的工艺措施以减少或控制这些因素的影响。减少或控制这些因素的影响。（1） 减小和消除原始误差减小和消除原始误差 这是生产中应用较广的一种基本方法。它是在查这是生产中应用较广的一种基本方法。它是在查明产生加工误差的主要因素后，设法对其直接进明产生加工误差的主要因素后，设法对其直接进行消除或减弱。行消除或减弱。第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（2）转移原始误差）转移原始误差 误差转移法就是把原始误差从误差敏感方向转移误差转移法就是把原始误差