机械制造技术基础第15讲(2015)

1、第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制保证机械产品质量是机械制造人员的首要任务。保证机械产品质量是机械制造人员的首要任务。产品的质量包括三层含义：产品的质量包括三层含义：1）产品的设计质量。）产品的设计质量。2）产品的制造质量。）产品的制造质量。3）产品的服务质量。）产品的服务质量。本章只讨论零件的机械加工质量，它包括机械加本章只讨论零件的机械加工质量，它包括机械加工精度和表面质量两个方面。工精度和表面质量两个方面。 第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制第一节第一节 机械加工精度概述机械加工精度概述一、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

2、工后的实际几何参数加工精度是指零件加工后的实际几何参数( (尺寸、尺寸、形状和相互位置形状和相互位置) )与理想几何参数的接近程度。与理想几何参数的接近程度。零件的加工精度包含尺寸精度、形状精度和位置零件的加工精度包含尺寸精度、形状精度和位置精度等三方面的内容。精度等三方面的内容。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制在机械加工中，获得尺寸精度的方法主要有以下在机械加工中，获得尺寸精度的方法主要有以下四种：四种： 1）试切法）试切法 通过对工件进行多次重复试切、测通过对工件进行多次重复试切、测量及调整，使加工尺寸达到规定要求的方法。量及调整，使加工尺寸达到规定要求的方法。其特点

3、是生产率很低，工件的尺寸精度及稳定性其特点是生产率很低，工件的尺寸精度及稳定性取决于工人的技术水平。取决于工人的技术水平。试切法主要适于单件、小批量生产。试切法主要适于单件、小批量生产。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制2）调整法）调整法在加工一批工件之前，采用对刀装置或样件预先在加工一批工件之前，采用对刀装置或样件预先调整好刀具和工件在机床上的正确相对位置，并调整好刀具和工件在机床上的正确相对位置，并在加工一批工件的过程中保持其位置不变，以保在加工一批工件的过程中保持其位置不变，以保证加工尺寸达到规定要求的方法。证加工尺寸达到规定要求的方法。其特点是生产率高，加工精度稳定

4、可靠。其特点是生产率高，加工精度稳定可靠。调整法适合于成批、大量的生产场合。调整法适合于成批、大量的生产场合。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制3）定尺寸刀具法）定尺寸刀具法利用刀具相应尺寸来保证工件被加工部位尺寸精利用刀具相应尺寸来保证工件被加工部位尺寸精度的方法。度的方法。其特点是生产率较高，但刀具结构较复杂，工件其特点是生产率较高，但刀具结构较复杂，工件的加工尺寸主要取决于刀具的制造和刃磨质量。的加工尺寸主要取决于刀具的制造和刃磨质量。定尺寸刀具法常应用于孔、沟槽和成形表面的加定尺寸刀具法常应用于孔、沟槽和成形表面的加工，适用于各种生产类型的场合。工，适用于各种生产类

5、型的场合。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制4）自动控制法）自动控制法在自动机床、半自动机床和数控机床上，利用测在自动机床、半自动机床和数控机床上，利用测量装置、进给机构及控制系统自动获得规定加工量装置、进给机构及控制系统自动获得规定加工尺寸的方法。尺寸的方法。该方法的特点是生产率高，加工精度高，但装备该方法的特点是生产率高，加工精度高，但装备较复杂。较复杂。自动控制法适用于成批、大量生产中应用。自动控制法适用于成批、大量生产中应用。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制在机械加工中，获得形状精度的方法主要有轨迹在机械加工中，获得形状精度的方法主要有轨迹法、

6、成形法、相切法和展成法四种。法、成形法、相切法和展成法四种。 在机械加工中，获得位置精度的方法主要有直接在机械加工中，获得位置精度的方法主要有直接找正法、划线找正法和夹具装夹法三种。找正法、划线找正法和夹具装夹法三种。加工过程中有很多因素影响加工精度，实际加工加工过程中有很多因素影响加工精度，实际加工不可能、也没必要把零件做得与理想零件完全一不可能、也没必要把零件做得与理想零件完全一致，总会产生一定的偏差。致，总会产生一定的偏差。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制从保证产品的使用性能分析，只要求实际零件相从保证产品的使用性能分析，只要求实际零件相对于理想零件出现的偏差在某一

7、规定的公差范围对于理想零件出现的偏差在某一规定的公差范围内变动即可。零件加工后的实际几何参数对理想内变动即可。零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离量称为加工误差。制造者的任务几何参数的偏离量称为加工误差。制造者的任务就是要使加工误差小于图纸上规定的公差。就是要使加工误差小于图纸上规定的公差。保证和提高加工精度的问题，实际上就是控制和保证和提高加工精度的问题，实际上就是控制和减少加工误差的问题。减少加工误差的问题。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制零件表面的尺寸公差、形状公差和位置公差值在零件表面的尺寸公差、形状公差和位置公差值在数值上有一定的对应关系。数值上有一定的

8、对应关系。零件的位置公差和形状公差一般应为相应尺寸公零件的位置公差和形状公差一般应为相应尺寸公差的差的1/21/3左右，在同一几何要素上给出的形左右，在同一几何要素上给出的形状公差值应小于位置公差值。状公差值应小于位置公差值。一般情况下，尺寸精度要求高时，相应的位置精一般情况下，尺寸精度要求高时，相应的位置精度和形状精度也要求高。度和形状精度也要求高。 第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制二、加工经济精度二、加工经济精度由于在加工过程中影响加工精度的因素很多，所由于在加工过程中影响加工精度的因素很多，所以采用同一种加工方法在不同的工作条件下所能以采用同一种加工方法在不同的工作

9、条件下所能达到的加工精度是不同的。同样若要达到相同的达到的加工精度是不同的。同样若要达到相同的加工精度，也可采用不同的加工方法，但其生产加工精度，也可采用不同的加工方法，但其生产率和加工成本可能不尽相同。率和加工成本可能不尽相同。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制对于同一种加工方法，加工误差对于同一种加工方法，加工误差 和加工成本和加工成本C的关系如图的关系如图41所示。所示。图中表明对某一种加工方法而言，总是存在着一图中表明对某一种加工方法而言，总是存在着一个最低加工成本和一个最高的加工精度。个最低加工成本和一个最高的加工精度。加工经加工经济精度是指在正常生产条件下（采用

10、符合质量标济精度是指在正常生产条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和使用标准技术等级的工人，准的设备、工艺装备和使用标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保证的加工精度。不延长加工时间）所能保证的加工精度。 图图4-1 加工成本与加工误差之间的关系加工成本与加工误差之间的关系第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个确定值，而应理解为一个范围，在该范围内都可确定值，而应理解为一个范围，在该范围内都可以认为是经济的。以认为是经济的。每一种加工方法的加工经济精度将随着工艺技术每一种加工方法的加工经

11、济精度将随着工艺技术的发展，设备及工艺装备的改进，以及生产管理的发展，设备及工艺装备的改进，以及生产管理水平的不断提高而逐渐提高。水平的不断提高而逐渐提高。 第第四四章章 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机械加工系统（简称工艺系统）由机床、夹具、机械加工系统（简称工艺系统）由机床、夹具、刀具和工件组成。刀具和工件组成。通常，将工艺系统的误差称之为原始误差（凡是通常，将工艺系统的误差称之为原始误差（凡是能直接引起加工误差的因素），因为零件的机械能直接引起加工误差的因素），因为零件的机械加工是在工艺系统中完成的，工艺系统各组成部加

12、工是在工艺系统中完成的，工艺系统各组成部分的种种误差，都会不同程度的引起加工误差。分的种种误差，都会不同程度的引起加工误差。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制影响加工精度的原始误差主要包括以下几方面：影响加工精度的原始误差主要包括以下几方面：1）工艺系统的几何误差。）工艺系统的几何误差。2）工件装夹误差。）工件装夹误差。3）工艺系统受力变形引起的加工误差。）工艺系统受力变形引起的加工误差。4）工艺系统受热变形引起的加工误差。）工艺系统受热变形引起的加工误差。5）工件内应力重新分布引起的变形。）工件内应力重新分布引起的变形。6）其它误差。）其它误差。第第四四章章 机械加工质量

13、及其控制机械加工质量及其控制一、工艺系统的几何误差一、工艺系统的几何误差（一）机床的几何误差（一）机床的几何误差加工中，刀具相对于工件的成形运动，通常都是加工中，刀具相对于工件的成形运动，通常都是通过机床完成的。工件的加工精度在很大程度上通过机床完成的。工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。取决于机床的精度。机床制造误差中对工件加工精度影响较大的误差机床制造误差中对工件加工精度影响较大的误差有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。同有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。同时，机床的磨损将使机床精度下降。时，机床的磨损将使机床精度下降。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控

14、制1. 主轴回转误差主轴回转误差机床主轴是用来装夹工件或刀具，并将运动和动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部件，主轴回转误差将力传给工件或刀具的重要部件，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。直接影响被加工工件的形状精度和位置精度。主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对其平均主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对其平均回转轴线（实际回转轴线的对称中心线）的最大回转轴线（实际回转轴线的对称中心线）的最大变动量。变动量。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制为便于分析，为便于分析，可将主轴回转可将主轴回转误差分解为径误差分解为径向圆跳动、

15、轴向圆跳动、轴向圆跳动和角向圆跳动和角度摆动三种不度摆动三种不同形式的误差。同形式的误差。图图4-2 主轴回转误差的三主轴回转误差的三种基本形式种基本形式径向圆跳动径向圆跳动（径向漂移）（径向漂移）轴向圆跳动轴向圆跳动（轴向漂移）（轴向漂移）角度摆动角度摆动（角向漂移）（角向漂移）第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（1） 径向圆跳动径向圆跳动 它是主轴实际回转轴线相对它是主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量于平均回转轴线在径向的变动量, 如图如图4-2所示。所示。车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差。车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差。图图4-2 主轴回转

16、误差的三种基本形式主轴回转误差的三种基本形式产生径向圆跳动误差产生径向圆跳动误差的主要原因有：主轴的主要原因有：主轴支承轴颈的圆度误差、支承轴颈的圆度误差、滚动轴承工作表面的滚动轴承工作表面的圆度误差等。圆度误差等。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制图图4-3a 采用滑动轴承时主轴的采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动径向圆跳动若机床主轴采用滑动轴承若机床主轴采用滑动轴承结构，在车床上车外圆时结构，在车床上车外圆时切削力切削力 F 的方向可认为是的方向可认为是基本不变的（见图基本不变的（见图4-3a ）,在切削力在切削力 F 的作用下，主的作用下，主轴颈以不同的部位与轴承轴颈以不

17、同的部位与轴承内径的某一固定部位相接内径的某一固定部位相接触。触。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制图图4-3a 采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动此时主轴支承轴颈的圆度误差将直接反映为主轴此时主轴支承轴颈的圆度误差将直接反映为主轴径向圆跳动径向圆跳动 d，而轴承内孔的圆度误差则影响不，而轴承内孔的圆度误差则影响不大。大。 第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制在镗床上镗孔时，由于在镗床上镗孔时，由于切削力切削力 F 的作用方向随的作用方向随主轴回转而回转主轴回转而回转 (图图4-3b)，在切削力，在切削力 F 的作的作用下，主轴总

18、是以其支用下，主轴总是以其支承轴颈某一固定部位与承轴颈某一固定部位与轴承内孔表面的不同部轴承内孔表面的不同部位接触。位接触。图图4-3b 采用滑动轴承时主轴的采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动径向圆跳动b）第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制因此，轴承内孔表面的圆度误差将直接反映为主因此，轴承内孔表面的圆度误差将直接反映为主轴径向圆跳动轴径向圆跳动 d，而主轴支承轴颈的圆度误差则，而主轴支承轴颈的圆度误差则影响不大。影响不大。 图图4-3b 采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动b）第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制若机床主轴采用滚动轴承

19、结构，在车床上车外圆若机床主轴采用滚动轴承结构，在车床上车外圆时，滚动轴承内环外滚道的圆度误差对主轴径向时，滚动轴承内环外滚道的圆度误差对主轴径向圆跳动影响较大。圆跳动影响较大。在镗床上镗孔时，轴承外环内滚道的圆度误差对在镗床上镗孔时，轴承外环内滚道的圆度误差对主轴径向圆跳动影响较大。主轴径向圆跳动影响较大。滚动体的尺寸误差将直接影响主轴径向圆跳动误滚动体的尺寸误差将直接影响主轴径向圆跳动误差的大小。差的大小。 第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（2） 轴向圆跳动轴向圆跳动 它是主轴实际回转轴线沿平它是主轴实际回转轴线沿平均回转轴线方向的变动量，如图均回转轴线方向的变动量，

20、如图4-2所示。车端所示。车端面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差。面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差。图图4-2 主轴回转误差的三种基本形主轴回转误差的三种基本形式式产生轴向圆跳动的产生轴向圆跳动的原因是主轴轴肩端原因是主轴轴肩端面和推力轴承承载面和推力轴承承载端面对主轴回转轴端面对主轴回转轴线有垂直度误差。线有垂直度误差。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（3） 角度摆动角度摆动 主轴实际回转轴线相对平均回主轴实际回转轴线相对平均回转轴线产生倾斜引起的主轴回转误差，如图转轴线产生倾斜引起的主轴回转误差，如图4-2所示。车削时它使加工表面产生圆柱度误差和端所示。车削

21、时它使加工表面产生圆柱度误差和端面的形状误差。产生主轴角度摆动的原因有：箱面的形状误差。产生主轴角度摆动的原因有：箱体体 上主轴各轴承孔及主上主轴各轴承孔及主轴各段支承轴颈间的轴各段支承轴颈间的同轴度误差，轴承间同轴度误差，轴承间隙过大等。隙过大等。图图4-2 主轴回转误差的三种基本形式主轴回转误差的三种基本形式第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制必须指出，实际上主轴工作时其实际回转轴线的必须指出，实际上主轴工作时其实际回转轴线的运动总是上述三种形式误差运动的合成，它既影运动总是上述三种形式误差运动的合成，它既影响所加工工件圆柱面的形状精度，又影响端面的响所加工工件圆柱面的形

22、状精度，又影响端面的形状精度。形状精度。提高主轴及箱体轴承孔的制造精度，选用高精度提高主轴及箱体轴承孔的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对主轴部件的轴承，提高主轴部件的装配精度，对主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。床主轴的回转精度。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制2导轨误差导轨误差 导轨是确定机床上各主要部件相对位置关系的基导轨是确定机床上各主要部件相对位置关系的基准，也是机床运动的基准。准，也是机床运动的基准。（1） 卧式车床导轨在水平面内的直线度误差卧式车床导轨在水平面内的

23、直线度误差y 图图4-5 导轨水平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨水平面内的直线度误差对加工精度的影响第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制由于由于y 致使在导轨全长上刀具相对于工件的正致使在导轨全长上刀具相对于工件的正确位置将产生确位置将产生y 的偏移量，导致工件半径产生的偏移量，导致工件半径产生R =y 的误差，如图的误差，如图4 - 5 所示。所示。导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加工工件表面的法线方向（误差敏感方向）上，对工工件表面的法线方向（误差敏感方向）上，对加工精度的影响最大。加工精度的影响最大。 图图4-5

24、导轨水平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨水平面内的直线度误差对加工精度的影响第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（2） 卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差z 图图4-6 导轨垂直面内的直线度误差对加工精度的影响导轨垂直面内的直线度误差对加工精度的影响RR(R +R)2 = R2 +z2R z2/ (2R)z第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制因因z ，故，故(z )2 ， R 。设设z = 0.1mm，R =20mm，则工件半径产生的误，则工件半径产生的误差为差为 R (z )2/(2R) = 0.12/40 = 0.0

25、0025mm因此，导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精因此，导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度影响很小，一般可忽略不计。度影响很小，一般可忽略不计。在分析上述问题时要注意在分析上述问题时要注意 是否出现在加工表面是否出现在加工表面的法线方向（误差的敏感方向）上。的法线方向（误差的敏感方向）上。 图图4-6 导轨垂直面内的直线度误差对加工精度的影响导轨垂直面内的直线度误差对加工精度的影响第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（3） 卧式车床导轨间的平行度误差卧式车床导轨间的平行度误差当前后导轨在垂直平面内有平行度误差（扭曲误当前后导轨在垂直平面内有平行度误差（扭曲误差）时，如

26、图差）时，如图4 7所示，刀架将产生摆动，刀架所示，刀架将产生摆动，刀架沿床身导轨作纵向进给运动时，刀尖的运动轨迹沿床身导轨作纵向进给运动时，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生圆柱度误差。是一条空间曲线，使工件产生圆柱度误差。图图4-7 导轨间的平行度误差对加工精度的影响导轨间的平行度误差对加工精度的影响第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制图图4-7 导轨间的平行度误差对导轨间的平行度误差对加工精度的影响加工精度的影响导轨间在垂直方向有平导轨间在垂直方向有平行度误差行度误差 l3 时，将使时，将使工件与刀具的正确位置工件与刀具的正确位置在误差敏感方向产生在误差敏感方向产

27、生y (H /B)l3 的偏的偏移量，使工件半径产生移量，使工件半径产生R=y的误差，对加的误差，对加工精度影响较大。工精度影响较大。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制除了导轨本身的制造误差之外，导轨磨损也是造除了导轨本身的制造误差之外，导轨磨损也是造成机床精度下降的主要原因。成机床精度下降的主要原因。选用合理的导轨形状和导轨组合形式，采用耐磨选用合理的导轨形状和导轨组合形式，采用耐磨合金铸铁导轨、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨合金铸铁导轨、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨以及对导轨进行表面淬火处理等措施均可提高导以及对导轨进行表面淬火处理等措施均可提高导轨的耐磨性。轨的耐磨性。

28、第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制3. 传动误差传动误差传动误差是指传动链始末两端传动元件间相对运传动误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。一般用传动链末端件的转角误差来衡动的误差。一般用传动链末端件的转角误差来衡量。有些加工方法（如车削螺纹、滚齿、插齿量。有些加工方法（如车削螺纹、滚齿、插齿等），要求刀具与工件之间必须具有严格的传动等），要求刀具与工件之间必须具有严格的传动比关系。机床传动误差是影响这类表面加工精度比关系。机床传动误差是影响这类表面加工精度的主要原因之一。的主要原因之一。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制图图4 - 8所示为滚

29、齿机传动系统图。所示为滚齿机传动系统图。 图图4-8 滚齿机传动系统图滚齿机传动系统图第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制由于各传动件在传动链中所处的位置不同，它们由于各传动件在传动链中所处的位置不同，它们对工件加工精度的影响程度亦不相同。对工件加工精度的影响程度亦不相同。设滚刀主轴均匀旋转，若齿轮设滚刀主轴均匀旋转，若齿轮Z1有转角误差有转角误差 ,而其它各传动件假设无误差，则由而其它各传动件假设无误差，则由 产生的工产生的工件转角误差为件转角误差为 111172156422828282828282080 Kdcbafei=n差1 1 第第四四章章 机械加工质量及其控制机械

30、加工质量及其控制式中式中 i差差为差动机构的传动比；为差动机构的传动比；K1为为 Z1到工作台的到工作台的传动比，传动比，K1反映了齿轮反映了齿轮 Z1 的转角误差对终端工作的转角误差对终端工作台传动精度的影响程度，称为误差传递系数。台传动精度的影响程度，称为误差传递系数。同理，若第同理，若第 j 个传动元件有转角误差个传动元件有转角误差 ，则该，则该转角误差通过相应的传动链传递到被切齿轮的转转角误差通过相应的传动链传递到被切齿轮的转角误差角误差 式中式中Kj为第为第 j 个传动件的误差传递系数。个传动件的误差传递系数。 j jjjK =n第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制

31、由于所有传动件都可能存在误差，因此，被切齿由于所有传动件都可能存在误差，因此，被切齿轮转角误差的总和轮转角误差的总和 为为 （41）提高传动链传动精度可采取的措施：提高传动元提高传动链传动精度可采取的措施：提高传动元件尤其是传动链中末端传动元件与升速传动元件件尤其是传动链中末端传动元件与升速传动元件的制造精度和装配精度，减少传动件数，采用降的制造精度和装配精度，减少传动件数，采用降速传动（速传动（ ），末端传动副尽量用大降速），末端传动副尽量用大降速比等。比等。 =njjjnjjnK11 1jK第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（二）刀具的几何误差（二）刀具的几何误差刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。定尺寸刀具的尺寸