模块三机械加工质量课题一机械加工精度

机械制造工艺与装备课题一机械加工精度模块三机械加工质量知识点机械加工精度概念获得机械加工精度的方法影响机械加工精度的因素机械加工精度的综合分析技能点正确认识产生加工误差的原因掌握提高机械加工精度的方法一.任务引入

如图3-1所示为压机导杆加工示意图，零件材料为45号钢，加工后出现弯曲、鼓形、锥度、失圆等，试分析产生原因及提出改进措施。材料：45表面硬度HRC：50图3-1压机导杆二.任务分析

零件加工后，必须满足设计图样所规定的加工精度和表面质量要求。机械产品的质量与零件的加工质量和装配质量有着非常密切的关系，它直接影响机械产品的使用性能和寿命。压机导杆是个支撑和导向元件，外圆表面尺寸精度、形状精度和位置精度要求较高。又由于长径比L/d>20，属细长轴，细长轴刚性差，在切削力、切削热等作用下易弯曲变形，如加工方法、刀具几何参数等选择不当，很难保证加工精度。本课题主要学习影响机械加工精度的因素和提高机械加工精度的途径。

三.相关知识加工质量指标分为：加工精度——宏观几何参数加工表面质量——微观几何参数和表面物理-机械性能等方面的参数

机械产品是由若干零件装配而成，因而零件的加工质量是整台机器质量的基础，它直接影响机械产品的使用性能和寿命。零件的机械加工质量包括机械加工精度和加工表面质量两大方面。1、机械加工精度——零件在加工后的几何参数（尺寸、几何形状、表面间的相互位置）的实际值与理论值相符合的程度。

所谓理想零件，即对表面形状而言，就是绝对正确的圆柱面、平面、锥面等；对表面位置而言，就是绝对的平行、垂直、同轴和一定的角度等；对尺寸而言，就是零件尺寸的公差带中心。由于机械加工中的种种原因，不可能把零件做得绝对精确，总会产生偏差。这种偏差即加工误差。机械加工精度包括：尺寸精度、形状精度、位置精度。

三者之间是存在联系的，通常形状误差应限制在位置公差之内，而位置误差应限制在尺寸公差之内。（一）机械加工精度概念2.获得加工精度的方法(1)获得尺寸精度的方法试切法：通过试切—测量—调整—再试切，反复进行到工件尺寸达到规定要求为止。（动画）调整法：先调整好刀具和工件在机床上的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这个位置不变，以保证工件被加工尺寸。

（动画）定尺寸刀具法：通过刀具的相应尺寸保证加工表面的尺寸精度。自动控制法：将测量、进给装置和控制系统组成一个自动加工系统，通过自动测量和数字控制装置，在达到尺寸精度后自动停止加工。主动测量法：边加工边测量加工尺寸。(2)获得形状精度的方法刀尖轨迹法：通过刀尖运动的轨迹来获得形状精度的方法（动画）仿形法：刀具依照仿形装置进给获得工件形状精度的方法（插图）成形法：利用成形刀具对工件加工获得形状精度的方法（插图）展成法：利用工件和刀具的展成切削运动进行加工的方法（动画）(1)获得位置精度的方法直接找正定位法：用划针或百分表直接在机床上找正工件位置（动画）划线找正定位法：先按零件图在毛坯上划好线，再以所的划线为基准找正它在机床的位置（动画）夹具定位法：在机床上安装好夹具，工件放在夹具中定位机床控制法：利用机床的相对位置精度保证位置精度夹具定位法法示例在机械加工工中，零件件的尺寸、、几何形状状和表面间间相互位置置的形成，，取决于工工件和刀具具在切削运运动过程中中相互位置置的关系，，而工件和和刀具，又又安装在夹夹具和机床床上，受到到夹具和机机床的约束束。由机床、夹夹具、刀具具和工件构构成的工艺艺系统中的的误差称为为原始误差，就在不同同的具体条条件下，原原始误差以以不同的程程度和方式式反映为加加工误差。。（二）影响响机械加工工精度的因因素加工原理误误差是由于于采用近似似的加工方方法所产生生的误差。。它包括近似似的成形运运动、近似似的刀刃轮轮廓或近似似的传动关关系等不同同类型。为了获得规规定的加工工表面，理理论上应采采用理想的的加工原理理以获得精精确的零件件表面。但但实践中，，理论的加加工原理很很难实现，，有时即使使能够实现现，加工效效率也很低低，甚至使使机床或刀刀具的结构构极为复杂杂，制造困困难；有时时由于结构构环节多，，造成机床床传动中的的误差增加加，使机床床刚度和制制造精度很很难保证。。采用近似似的加工原原理以获得得符合加工工质量、生生产率和经经济性要求求的产品加加工过程是是实际生产产中常用的的方法。（1）加工原理理误差齿轮加工由于工艺系系统中各组组成环节的的实际几何何参数和位位置，相对对于理想几几何参数和和位置发生生偏离而引引起的误差差，统称为为几何误差差。几何误误差只与工工艺系统各各环节的几几何要素有有关。对于于固定调整整的工序，，该项误差差一般为常常值。（2）工艺系统统的几何误误差工艺系统在在切削力、、夹紧力、、重力和惯惯性力等作作用下会产产生变形，，从而破坏坏了已调整整好的工艺艺系统各组组成部分的的相互位置置关系，导导致加工误误差等产生生，并影响响加工过程程的稳定性性。（3）工艺系统统受力变形形引起的误误差（动画）在工序调整整及加工过过程中测量量工件时，，由于测量量方法，量量具精度，，以及工件件和环境温温度等因素素对测量结结果准确性性的影响而而产生的误误差，都统统称为测量量误差。（4）工艺系统统受热变形形引起的误误差在加工过程程中，由于于受切削热热、摩擦热热以及工作作场地周围围热源的影影响，工艺艺系统的温温度会产生生复杂的变变化。在各各种热源的的作用下，，工艺系统统会发生变变形，导致致改变系统统中各组成成部分的正正确相对位位置，使工工件与刀具具的相对位位置和相对对运动产生生误差。（5）工件内应应力引起的的加工误差差内应力是工工件自身的的误差因素素。工件经经过冷热加加工后会产产生一定的的内应力。。通常情况况下，内应应力处于平平衡状态，，但对具有有内应力的的工件进行行加工时，，工件原有有的内应力力平衡状态态被破坏，，从而使工工件产生变变形。（动画）（6）测量误差差工艺系统的的几何误差差主要是机机床、刀具具和夹具的的制造误差差、磨损误误差以及调调整误差。。这一类原原始误差在在刀具与工工件发生关关系(切削)之前就已客客观存在，，在加工过过程中反映映到工件上上去。1、工艺系统统的几何误误差对加工工精度的影影响高精度的零零件要依赖赖高精度的的设备与工工艺装备来来生产，其其中最重要要的是机床床的精度。。机床精度度可以分为为：①静态态精度，机机床在非切切削状态（（无切削力力作用）下下的精度；；②动态精精度，机床床在切削状状态和振动动状态下的的精度；③③热态精度度，机床在在温度场变变化情况下下的精度。。（1）机床几何何误差静态精度：：它是由制造造、安装和和使用中的的磨损造成成的，其中中对加工精精度影响较较大的是：：主轴回转转运动误差差、导轨直直线运动误误差和传动动链传动误误差。①基本概念图3-3主轴回转误误差的三种种基本形式式机床主轴是是工件或刀刀具的安装装基准和运运动基准，，其理想状状态是主轴轴回转轴线线的空间位位置固定不不变。但由由于各种误误差因素的的影响，实实际主轴回回转轴线在在每一瞬时时的空间位位置都是变变化的。所所谓主轴回回转误差，，就是主轴轴的实际回回转轴线相相对于平均均回转轴线线（实际回回转轴线的的对称中心心线）的变变动量。1）主轴回转转运动误差差图3-3主轴回转误误差的三种种基本形式式主轴回转误误差对加工工精度的影影响对于不不同类型的的机床和不不同的加工工内容将产产生不同性性质的加工工误差，其其影响比较较复杂，尤尤其对于主主轴回转误误差所表现现出来的那那种随机性性和综合性性，很难从从理论上定定量地加以以描述。②主轴回转误误差产生的的原因主轴回转误误差主要有有主轴的制制造误差、、轴承的误误差、轴承承配合件的的误差及配配合间隙、、主轴系统统的径向不不等刚度和和热变形等等。③主轴回转误误差对加工工精度的影影响a、导轨在水水平面内的的直线度(弯曲)；b、导轨在垂垂直面内的的直线度(弯曲)；c、前后导轨轨的平行度度(扭曲)；d、导轨与主主轴回转轴轴线的平行行度。2）机床导轨轨误差机床导轨副副是实现直直线运动的的主要部件件，其制造造误差、装装配误差以以及磨损是是影响直线线运动的主主要因素。。①导轨误差的的表现形式式a、导轨在水水平面内弯弯曲（图3-4）处在误差差敏感方向向上，其直直线度误差差将直接反反映到工件件上去，使使刀尖的成成形运动不不呈直线，，从而造成成工件加工工表面的轴轴向形状误误差。②导轨误差对对加工精度度的影响机床导轨误误差对加工工精度的影影响应根据据不同的机机床类型以以及制造与与磨损所造造成的变形形情况进行行具体分析析。下面以以外圆磨床床及卧式车车床为侧进进行讨论。。图3-4导轨在水平内内弯曲b、导轨在垂直直面内弯曲（图3-5）这同样使刀刀具的成形运运动不呈直线线，但由于是是处在误差非非敏感方向上上，所以，其其直线度误差差对工件半径径的影响极小小，可忽略不不计。图3-5导轨在垂直平平面内弯曲图3-6导轨扭曲引起起的加工误差差如果前后导轨轨在垂直方向向存在平行度度误差(图3-6)，刀具在直线线进给运动中中将产生摆动动，刀尖的成成形运动也将将变成一条空空间曲线，若若前后导轨在在某一长度上上的平行度误误差（即高度度差）为δ，则对零件加加工截面所造造成的形状误误差（半径误误差）可由图图示几何关系系得到：c、导轨扭曲图3-6导轨扭曲引起起的加工误差差一般卧式车床床，，外圆磨床床。。理论上要求车车刀刀尖的直直线运动轨迹迹与主轴回转转轴线在水平平面内和垂直直面内都应相相互平行，但但实际上存在在误差：在水平面内不不平行：两者处于同一一平面，即为为相交两直线线，这使工件件产生锥度；；在垂直方向不不平行：两者不在同一一平面，即为为空间交叉两两直线。该项项误差与导轨轨在垂直面内内的直线度误误差上相似的的，均处于误误差非敏感方方向，故对工工件的加工精精度影响很小小。d、导轨与主轴轴回转轴线的的平行度对于某些表面面，如螺纹表表面、齿形面面、蜗轮、螺螺旋面等的加加工，必须保保证工件与刀刀具间有严格格的运动关系系。传动链的的传动误差常常常是加工误误差的主要来来源。机床传动链中中构成传动副副的各传动元元件（如齿轮轮、蜗轮副及及丝杠螺母副副等）的制造造误差、装配配误差以及使使用过程中的的磨损等，会会破坏刀具与与工件之间准准确的速比关关系，从而影影响加工表面面的精度。3）传动链误差差机械加工中常常用的刀具有有：一般刀具具、定尺寸刀刀具和成形刀刀具。一般刀具（如普通车刀刀、单刃镗刀刀、平面铣刀刀等）的制造造误差对工件件精度没有直直接影响。定尺寸刀具（如钻头、铰铰刀、拉刀及及槽铣刀等））的尺寸误差差直接影响加加工工件的尺尺寸精度。刀刀具的尺寸磨磨损、安装不不正确、切削削刃刃磨不对对称等都会影影响加工尺寸寸。成形刀具（如成形车刀刀、成形铣刀刀以及齿轮滚滚刀等）的制制造和磨损误误差主要影响响被加工表面面的形状精度度。（2）工艺系统其其它几何误差差1）刀具误差夹具的误差主主要包括：①定位元件、、刀具引导元元件、分度机机构、夹具体体等的制造误误差。②夹具装配后后，以上各种种元件工作面面间的位置误误差。③夹具在使用用过程中工作作表面的磨损损。④夹具使用中中工件定位基基面与定位元元件工作表面面间的位置误误差。这些误差主要要与夹具的制制造与装配精精度有关。所所以在夹具的的设计制造以以及安装时，，凡影响零件件加工精度的的尺寸和形位位公差应严格格控制。2）夹具误差工艺系统中、、工件、刀具具在机床上的的相对位置精精度往往由调调整机床、刀刀具、夹具、、工件等来保保证。要对工工件进行检验验测量，再根根据测量结果果对刀具、夹夹具、机床进进行调整。3）测量误差工件在加工过过程中，要用用各种量具、、量仪等进行行检验测量，，再根据测量量结果对工件件进行试切和和调整机床。。由于量具本本身的制造误误差，测量时时的接触力、、温度、目测测正确程度等等都直接影响响加工精度。。因此，要正正确地选择和和使用量具，，以保证测量量精度。4）调整误差在机械加工中中，工艺系统统在切削力、、夹紧力、传传动力、重力力、惯性力以以及内应力等等内外力作用用下都会产生生弹性变形，，当超过弹性性极限时就会会产生塑性变变形，严重时时还会引起系系统振动，从从而破坏已经经调整好的工工件与刀具间间的相对位置置，使工件产产生加工误差差。工艺系统的受受力变形是机机械加工精度度中一项很重重要的原始误误差。它不仅仅严重地影响响着工件的加加工精度，而而且还影响着着工件的表面面质量，同时时也限制了切切削用量和生生产率的提高高。2、工艺系统力力效应对加工工精度的影响响工艺系统抵抗抗变形的能力力越大，工艺艺系统的变形形就越小。我我们用刚度表表示工艺系统统抵抗变形的的能力。由于于一般只研究究工艺系统在在误差敏感方方向的变形，，即在通过刀刀尖的加工表表面的法线方方向的变形。。因此，工艺艺系统的刚度度(用表示)定义为：（1）工艺系统刚刚度在切削过程中中，刀具相对对于工件的位位置是不断变变化的，所以以切削力的大大小及作用点点的位置总是是变化的，因因而，工艺系系统的受力变变形也随之变变化。1）切削力大小小变化引起的的加工误差——误差复映规律律工件在切削削过程中，由由于被加工表表面的几何误误差及材料硬硬度不均，引引起切削力和和工艺系统变变形的变化，，如图3-7所示（2）工艺系统受受力变形引起起的加工误差差图3-7毛坯误差的复复映①切削过程中受受力点位置变变化引起的工工件形状误差差2）切削力作用用点位置变化化引起的加工工误差图3-8受力点变化引引起的变形在工艺系统中中，由于零部部件的自重也也会产生变形形。如龙门铣铣床、龙门刨刨床刀架横梁梁的变形，镗镗床镗杆伸长长下垂变形等等，都会造成成加工表面产产生误差，如如图3-11所示。（3）工艺系统其其它外力作用用引起的加工工误差图3-11机床部件自重重引起的横梁梁变形工艺系统在各各种热源作用用下，会产生生相应的热变变形，从而破破坏工件与刀刀具间正确的的相对位置，，造成加工误误差。据统计计，由于热变变形引起的加加工误差约占占总加工误差差的40％～70％。工艺系统统的热变形不不仅严重地影影响加工精度度，而且还影影响加工效率率。实现数控控加工后，加加工误差不能能再由人工进进行补偿，全全靠机床自动动控制，因此此热变形的影影响更突出。。3、工艺系统热热变形对加工工精度的影响响（1）机床热变形形对加工精度度的影响（2）工件热变形形对加工精度度的影响（3）刀具热变形形对加工精度度的影响（三）机械加加工精度的综综合分析加工精度的高高低，是用加加工误差的大大小来表示的的。机械加工工精度的综合合分析也即加加工误差的综综合分析。按加工一批工工件所出现的的误差规律来来看，可以分分为系统性误误差和随机性性误差。（1）系统性误差差1）常值系统性性误差在顺序加工一一批工件时，，误差的大小小和方向保持持不变者，称称为常值系统统性误差。如如原理误差和和机床、刀具具、夹具的制制造误差，一一次调整误差差以及工艺系系统受力变形形引起的误差差都属常值系系统误差。2）变值系统性性误差在顺序加工一一批工件时，，误差的大小小和方向呈有有规律变化者者，称为变值值系统性误差差。如由于刀刀具磨损引起起的加工误差差，机床、刀刀具、工件受受热变形引起起的加工误差差等都属于变变值系统性误误差。1、加工误差的的性质在顺序加工一一批工件时，，误差的大小小和方向呈无无规律变化者者，称为随机机性误差。如加工余量不不均匀或材料料硬度不均匀匀引起的毛坯坯误差复映，，定位误差以以及由于夹紧紧力大小不一一引起的夹紧紧误差，多次次调整误差，，残余应力引引起的变形误误差等都属于于随机性误差差。对于常值系统统性误差，若若能掌握其大大小和方向，，就可以通过过调整消除；；对于变值系系统性误差，，若能掌握其其大小和方向向随时间变化化的规律，则则可通过自动动补偿消除；；但是随机性性误差，只能能缩小它们的的变动范围，，而不可能完完全消除。（2）随机性误差差统计分析法是是以生产现场场观察和对工工件进行实际际检验的结果果为基础，用用数理统计的的方法分析处处理这些结果果，从而揭示示各种因素对对加工精度的的综合影响，，获得解决问问题的途径的的一种分析方方法。分布曲线法和点图法是两种常用的的统计分析方方法。2、加工误差的的统计分析（1）分布曲线法法1）实际分布曲曲线图——直方图分布曲线法是是测量一批加加工后工件的的实际尺寸，，根据测量得得到的数据作作尺寸分布的的直方图。图3-14磨外圆的尺寸寸分布图①正态分布曲线线正态分布曲线线的形状如图图3-15所示，其概率率密度函数式式为2）理论分布曲曲线式中y——分布的概率密密度；X——样件尺寸；——样件的平均值值，且——均方根误差(标准差)图3-15正态分布曲线线的特殊性a、分布曲线呈呈钟形，中间间高，两边低低，对称于线线，与轴轴相交于于无限远。b、决定定曲线的位置置，若改变值值，则分布布曲线沿横坐坐标移动而不不改变其形状状。它主要受受常值系统误误差的影响。。c、σ决定曲线的形形状，σ越小，曲线越越陡峭；σ越大，曲线越越平坦。它主主要受随机误误差的影响。。d、正态分布曲曲线与轴轴所包包围的面积为为1，代表了全部部工件。而在在一定尺寸范范围内所围成成的面积，就就是该范围内内工件出现的的概率。正态分布曲线线特点：f、当时时，，2F=2×0.49865=0.09973=99.73％。这说明99.73％的工件尺寸寸出现在±3σ范围内，几乎乎包含了整批批工件，仅0.27％的工件在此此范围之外。。因此，对于于正态分布，，通常取6σ等于整批工件件加工尺寸的的分布范围，，这样，可能能只有0.27％的废品。图3-16不同和的正态态分布曲线工件的实际分分布，有时并并不近似于正正态分布，也也可能出现其其它的分布形形式。a、双峰分布将将两次调整下下加工出来的的零件混在一一起测量，则则其分布曲线线即为双峰型型(图3-17a)，实质上是两两组正态分布布的迭加。b、平顶分布如如果刀具或砂砂轮磨损较快快而无自动补补偿时，将会会促使逐渐平平移而形成平平顶型(图3-17b)。c、不对称分布布(偏态分布)工艺系统在远远未达到热平平衡而加工时时，热变形开开始较快，以以后渐慢，直直至稳定为止止，其工件尺尺寸的实际分分布会出现不不对称型(图3-17d)。又如在试切切法加工时，，由于主观上上不愿出现不不可修复的废废品，故加工工内孔时“宁宁小勿大”(峰值偏左)，而加工外圆圆时“宁大勿勿小”(峰值偏右)(图3-17e)。②非正态分布曲曲线图3-17非正态分布a）双峰分布b）平顶分布c）不对称分布布①判别加工误差差的性质若加工过程中中没有变值系系统性误差，，其尺寸分布布与正态分布布基本相符；；若分布范围围中心与公差差带中心重合合，则表明不不存在常值系系统性误差；；若分布范围围大于公差带带宽度，则随随机误差的影影响很大。②测定加工精精度由于6σ的大小代表了了某一种加工工方法在规定定的条件下所所能达到的加加工精度，所所以，我们可可在大量统计计分析的基础础上，求出每每一种加工方方法的σ值。而在确定定公差时，为为使加工不出出废品，至少少应使公差带带宽度T等于其分布范范围6σ，再考虑到各各种误差因素素使加工过程程不稳定，实实际应使公差差带宽度大于于其分布范围围，即3）分布布曲线线的应应用工艺能能力是是指工工序处处于稳稳定状状态时时，所所能加加工出出产品品质量量的实实际能能力，，用工工艺能能力系系数来来衡衡量。。四级，，，，工工艺能能力极极差，，无法法使用用。二级，T=（6~8），工工艺能能力一一般；；一级，，T=（8~10），工工艺能能力足足够；；特级，，工工艺能能力过过高，，不经经济；；根据工工艺能能力系系数的的大小小，可可将工工艺能能力分分为五五个等等级，，即三级，，T=（4~6），工工艺能能力不不足，，要产产生废废品；；③评价工工艺能能力在加工工过程程中按按工件件加工工顺序序，定定期对对工件件进行行抽样样检测测，作作出加加工尺尺寸随随时间间(或加工工顺序序)的变化化图称称之为为点图图。（2）点图图法图3-18不同形形式的的点图图a）个值值点图图b）平均均值—极差点点图机械加加工过过程中中，为为保证证和提提高加加工精精度，，必须须根据据产生生加工工误差差的主主要原原因，，采取取有效效措施施直接接控制制原始始误差差或控控制原原始误误差对对零件件加工工精度度的影影响。。1、直接接减少少或消消除原原始误误差首先应应提高高机床床、夹夹具、、刀具具和量量具等等的制制造精精度，，控制制工艺艺系统统的受受力、、受热热变形形。其其次在在查明明影响响加工工精度度的主主要原原始误误差因因素后后有针针对性性地采采取措措施，，对其其进行行消除除或减减少。。（四））提高高机械械加工工精度度的途途径误差转转移法法是把把影响响加工工精度度的原原始误误差转转移到到误差差的非非敏感感方向向或不不影响响加工工精度度的方方面去去。这这样，，在不不减少少原始始误差差的情情况下下，同同样可可以获获得较较高的的加工工精度度。如用镗模模加工箱箱体孔系系，主轴轴与镗杆杆为浮动动联接，，这样就就把机床床的主轴轴回转误误差、导导轨误差差等转移移到与箱箱体孔系系加工精精度无关关的方面面，镗孔孔精度由由夹具和和镗模来来保证。。2、转移原原始误差差图2-151工件用镗镗模装夹夹1-主轴2-万向接头头3-镗刀杆4-工件5-镗模生产中常常会由于于毛坯或或半成品品的误差差引起定定位误差差或复映映误差太太大，因因而造成成本工序序的加工工误差。。为此可可根据误误差复映映规律，，在加工工前将这这批工件件按误差差大小分分为n组，使每每组工件件