PPT机械加工精度

6机械加工精度本章提要机器零件的加工质量是整台机器质量的基础。机器零件的加工质量一般用机械加工精度和加工表面质量两个重要指标表示，它的高低将直接影响整台机器的使用性能和寿命。本章研究机械加工精度的问题。本章讨论的内容有机械加工精度的基本概念、影响加工精度的因素、加工误差的综合分析及提高加工精度的途径四个方面。内容提纲6.16.26.36.4机械加工精度的概念获得加工精度的方法影响加工精度的因素加工误差的分析与控制6.1机械加工精度概述

随着机器速度、负载的增高以及自动化生产的需要，对机器性能的要求也不断提高，因此保证机器零件具有更高的加工精度也越显得重要。我们在实际生产中经常遇到和需要解决的工艺问题，多数也是加工精度问题。研究机械加工精度的目的是研究加工系统中各种误差的物理实质，掌握其变化的基本规律，分析工艺系统中各种误差与加工精度之间的关系，寻求提高加工精度的途径，以保征零件的机械加工质量。本章讨论的内容有机械加工精度的基本概念、影响加工精度的因素、加工误差的综合分析及提高加工精度的途径四个方面。一、加工精度与加工误差

1、加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度越高。一般机械加工精度是在零件工作图上给定的，其包括：

1）零件的尺寸精度：加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸相符的程度。

2）零件的形状精度：加工后零件的实际形状与零件理想形状相符的程度。

3）零件的位置精度：加工后零件的实际位置与零件理想位置相符的程度。

2、获得加工精度的方法

1）试切法：即试切--测量--再试切--直至测量结果达到图纸给定要求的方法。

2）定尺寸刀具法：用刀具的相应尺寸来保证加工表面的尺寸。

3）调整法：按零件规定的尺寸预先调整好刀具与工件的相对位置来保证加工表面尺寸的方法。

4）自动控制法：使用一定的装置(自动测量或数字控制)，在工件达到要求尺寸时，自动停止加工。

3、加工误差：实际加工不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。

加工误差的大小表示了加工精度的高低。生产实际中用控制加工误差的方法来保证加工精度。

4、误差的敏感方向：加工误差对加工精度影响最大的方向，为误差的敏感方向。当原始误差方向恰为加工表面法线方向时，引起的加工误差为最大；而当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向时，引起的加工误差为最小，通常可以忽略。为了便于分析原始误差对加工精度的影响，我们把影响加工精度最大的那个方向（即通过刀刃的加工表面的法向）称为误差的敏感方向。当原始误差的方向与误差敏感方向一致时，对加工精度的影响最大。

二、研究机械加工精度的方法

因素分析法：通过分析、计算或实验、测试等方法，研究某一确定因素对加工精度的影响。一般不考虑其它因素的同时作用，主要是分析各项误差单独的变化规律。

统计分析法：运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数据处理，用以控制工艺过程的正常进行。主要是研究各项误差综合的变化规律，只适合于大批、大量的生产条件。三、原始误差

由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统（简称工艺系统）会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式（或扩大、或缩小）反映为工件的加工误差。

工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。工艺系统的原始误差主要有：

1、加工前的误差（原理误差、调整误差、工艺系统的几何误差、定位误差）

2、加工过程中的误差（工艺系统的受力变形引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的加工误差）

3、加工后的误差（工件内应力重新分布引起的变形以及、测量误差）等。6.2获得加工精度的方法一、获得尺寸精度的方法

1）试切法用于单件小批生产

2）调整法用于成批大量生产

3）定尺寸刀具法生产率高，刀具制造复杂

4）自动控制法切削测量补偿调整二、获得形状精度的方法

1）轨迹法利用刀尖运动轨迹形成工件表面形状

2）成形刀具法由刀刃的形状形成工件表面形状

3）展成法由切削刃包络面形成工件表面形状三、获得相互位置精度的方法主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证6.3影响机械加工精度的因素零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统中进行的。工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。原始误差的存在，使工艺系统各组成部分之间的位置关系或速度关系偏离了理想状态，致使加工后的零件产生了加工误差。若原始误差是在加工前已存在，即在无切削负荷的情况下检验的，称为工艺系统静误差；若在有切削负荷情况下产生的则称为工艺系统动误差。

一、原始误差零件加工的误差是由于工件与刀具在切削过程中相互位置发生变动而造成。工件和刀具安装在夹具和机床上，工件、刀具、夹具、机床构成了一个完整的工艺系统。工艺系统的种种误差，是造成零件加工误差的根源，故称之为原始误差。

原始误差

加工前误差加工中误差加工后误差调整误差机床误差刀具制造误差夹具误差加工原理误差工件装夹误差工艺系统受力变形刀具磨损残余应力引起变形测量误差工艺系统热变形二、工艺系统的几何误差

1、机床误差加工中，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有：主轴回转误差、导轨误差和传动误差。主轴回转误差理论上机床主轴回转时，回转轴线的空间位置是固定不变的，即它的瞬时速度为零。而实际主轴系统中存在着各种影响因素，使主轴回转轴线的位置发生变化。将主轴实际回转轴线对理想回转轴线漂移在误差敏感方向上的最大变动量称为主轴回转误差。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。

径向圆跳动是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。产生径向圆跳动误差的主要原因有：主轴支承轴颈的圆度误差、轴承工作表面的圆度误差等。

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。产生轴向国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。

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。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。导轨误差

导轨是机床中确定各主要部件相对位置关系的基准。（1）导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨在水平面内有直线度误差Δy时，在导轨全长上刀具相对于工件的正确位置将产生Δy的偏移量，使工件半径产生ΔR=Δy的误差。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，对加工精度的影响最大。（2）导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度的影响

导轨在垂直平面内有直线度误差Δz时，也会使车刀在水平面内发生位移，使工件半径产生误差ΔR。与Δz值相比，ΔR属微小量，由此可知，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。

（3）导轨间的平行度误差对加工精度的影响当前后导轨在垂直平面内有平行度误差（扭曲误差）时，刀架将产生摆动，刀架沿床身导轨作纵向进给运动时，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生圆柱度误差。导轨间在垂直方向有平行度误差时，将使工件与刀具的正确位置在误差敏感方向产生偏移量，使工件半径产生ΔR=Δy的误差，对加工精度影响较大。

除了导轨本身的制造误差之外，导轨磨损是造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轨的耐磨性。图4-7滚齿机传动系统图传动链误差

传动链误差：是指传动链始末两端传动元件相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。机床传动链误差是影响表面加工精度的主要原因之一。提高传动元件的制造精度和装配精度，减少传动件数，均可减小传动链误差。

2、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不同。采用定尺寸刀具（例如钻头、铰刀、键槽铣刀、圆拉刀等）加工时，刀具的尺寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度。采用成形刀具（例如成形车刀、成形铣刀、齿轮模数铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的形状误差和磨损将直接影响工件的形状精度。对于一般刀具（例如车刀、健刀、铣刀等），其制造误差对工件加工精度无直接影响。刀具的尺寸磨损量NB是在被加工表面的法线方向上测量的。新刃磨刀具切削初期，刀具磨损较剧烈，这段时间的刀具磨损量称为初期磨损量NB；进入正常磨损阶段后，磨损量与切削路程成正比，其斜率称为相对磨损，相对磨损表示每切削1000m路程刀具的尺寸磨损量；当切削路程时，磨损急剧增加，这时应停止切削。

刀具的尺寸磨损量可用下式计算

选用新型耐磨刀具材料，合理选用刀具几何参数和切削用量，正确刃磨刀具，正确采用冷却润滑液等，均可减少刀具的尺寸磨损。必要时，还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿。

夹具的作用是使工件相对于刀具和机床占有正确的位置，夹具的几何误差对工件的加工精度（特别是位置精度）有很大影响。在如图所示钻床夹具中，影响工件孔轴线a与底面B间尺寸L和平行度的因素有：钻套轴线与夹具定位元件支承平面C间的距离和平行度误差；夹具定位元件支承平面C与夹具体底面d的垂直度误差；钻套孔的直径误差等。

3、夹具的几何误差

在设计夹具时，对夹具上直接影响工件加工精度的有关尺寸的制造公差一般取为工件上相应尺寸公差的1／2－1／5。夹具元件磨损将使夹具的误差增大。为保证工件加工精度，夹具中的定位元件、导向元件、对刀元件等关键易损元件均需选用高性能耐磨材料制造。

（一）工艺系统刚度1、工艺系统刚度机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、惯性力和重力等的作用下，将产生相应变形,使工件产生加工误差。工艺系统在外力作用下产生变形的大小，不仅取决于作用力的大小，还取决于工艺系统的刚度。三、工艺系统受力变形引起的误差

垂直作用于工件加工表面的背向力与工艺系统在该方向上的变形y的比值，称为工工艺系统刚度（N／㎜）工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量应为工艺系统各组成环节在此位置受该力作用产生的变形量的代数和，即根据刚度定义，知，，，将它们代入上式得，

由式（4－6）知，工艺系统刚度的倒数等于系统各组成环节刚度的倒数之和。若已知各组成环节的刚度，即可由式（4－6）求得工艺系统刚度。工艺系统刚度主要取决于薄弱环节的刚度。

2．机床刚度

机床结构较为复杂，它由许多零、部件组成，其刚度值迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法进行测定。测得机床部件刚度、、之后，就可以通过计算求得机床刚度。由刚度定义，上式可写为机床刚度与各组成部件的刚度的关系式为:

分析上式可知，机床刚度取决于其组成部件的刚度，并主要取决于薄弱部件的刚度，提高机床刚度要从提高弱刚度部件的刚度人手。

3．机床部件刚度如下图是一台车床刀架部件的实测度曲线图，曲线反映了三次加载、卸载过程中的变形情况。分析如图所示刀架刚度试验曲线可知，机床部件刚度具有以下特点；

l）变形与载荷不成线性关系，曲线上各点的实际刚度（各点斜率）是不同的，这说明机床部件的变形不纯粹是弹性变形。

2）加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线；两曲线所包容的面积代表加载和卸载循环中消耗的能量，它消耗于克服部件内零件间摩擦力和接触塑性变形所做的功。

3）第一次卸载后，刀架恢复不到第一次加载的起点，这说明有残余变形存在，经多次加载和卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零。

4）部件实测刚度远比按实体结构估算值小。一个外形尺寸很大的刀架，它的实测平均刚度值只相当于一个截面积较小的铸铁悬臂梁的刚度，其原因在于刀架外形尺寸看起来很大，但它是由许许多多零件组装而成，零件间有间隙，结合面间有接触变形，由于这些因素的影响，总的变形就大了。（二）工艺系统刚度对加工精度的影响

1．加工过程中由于工艺系统刚度发生变化引起的误差

2．由于切削力变化引起的误差

加工过程中，由于毛坯加工余量和工件材质不均等因素，会引起切削力变化，使工艺系统变形发生变化。从而产生加工误差。误差复映现象：车削一具有锥形误差的毛坯，加工表面上必然有锥形误差；待加工表面上有什么样的误差，加工表面上必然也有同样性质的误差，这就是切削加工中的误差复映现象。

误差复映系数：加工前后误差之比值，称为误差复映系数，它代表误差复映的程度。分析式（4－11）可知ε与成反比；这表明工艺系统刚度愈大，误差复映系数愈小，加工后复映到工件上的误差值就愈小。尺寸误差和形位误差都存在复映现象。如果我们知道某加工工序的复映系数，就可以通过测量待加工表面的误差统计值来估算加工后工件的误差统计值。当工件表面加工精度要求高时，须经多次切削才能达到加工要求。第一次切削的复映系数；第二次切削的复映系数，…，则该加工表面总的复映系数因每个复映系数均小于1，故总的复映系数将是一个很小的数值。

（三）减小工艺系统受力变形的途径由工艺系统刚度表达式（4－4）可知，减少工艺系统变形的途径为：提高工艺系统刚度；减小切削力及其变化。

1．提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度应从提高其各组成部分薄弱环节的刚度入手，这样才能取得事半功倍的效果。提高工艺系统刚度的主要途径是：

（1）设计机械制造装备时应切实保证关键零部件的刚度在机床和夹具中应保证支承件（如床身、立柱、横梁、夹具体等）。主轴部件和传动件有足够的刚度。（2）提高接触刚度提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。减少组成件数，提高接触面的表面质量，均可减少接触变形，提高接触刚度。对于相配合零件，可以通过适当预紧消除间隙，增大实际接触面积。（3）采用合理的装夹方式和加工方法提高工件的装夹刚度，应从定位和夹紧两个方面采取措施。

2．减小切削力及其变化

改善毛坯制造工艺，减小加工余量，适当增大前角和后角，改善工件材料的切削性能等均可减小切削力。为控制和减小切削力的变化幅度，应尽量使一批工件的材料性能和加工余量保持均匀。

四、工艺系统受热变形引起的误差

工艺系统在热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，使工件产生加工误差。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占到工件加工总误差的40％－70％。随着高精度、高效率及自动化加工技术的发展，工艺系统热变形问题日益突出。（一）工艺系统的热源

l．切削热

切削加工过程中，消耗于切削层弹、塑性变形及刀具与工件、切屑间摩擦的能量，绝大部分转化为切削热。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变形的主要热源。

在车削加工中，传给工件的热量占总切削热的30％左右，切削速度越高，切屑带走的热量越多，传给工件的热量就越少；在铣削、刨削加工中，传给工件的热量占总切削热的比例小于30％；在钻削和健削加工中，因为大量的切屑滞留在所加工孔中，传给工件的热量往往超过50％；磨削加工中传给工件的热量有时多达80％以上，磨削区温度可高达800～1000℃左右。

2．摩擦热和动力装置能量损耗发出的热

机床运动部件（如轴承、齿轮、导轨等）为克服摩擦所做机械功转变的热量，机床动力装置（如电动机、液压马达等）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。

3．外部热源

主要是指周围环境温度通过空气的对流以及日光、照明灯具、取暖设备等热源通过辐射传到工艺系统的热量。外部热源的热辐射及环境温度的变化对机床热变形的影响，有时也是不可忽视的。靠近窗口的机床受到日光照射的影响，上下午的机床温升和变形就不同，而且日照通常是单向的局部的，受到照射的部分与未经照射的部分之间就有温差。

热平衡：工艺系统在工作状态下，一方面它经受各种热源的作用使温度逐渐升高，另一方面，它同时也通过各种传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，单位时间内传出和传人的热量接近相等时，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。

（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

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、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。车削或磨削轴类工件外圆时，可近似看成是均匀受热的情况。工件均匀受热影响工件的尺寸精度，其变形量（mm）可按下式估算：

对于精密加工，热变形是一个不容忽视的重要问题。热变形对精密加工件的影响是很大的。磨削加工薄片类工件的平面,就属于不均匀受热的情况，上、下表面间的温差将导致工件中部凸起，加工中凸起部分被切去，冷却后加工表面呈中凹形，产生形状误差。工件凸起量与工件长度上的平方成正比，且工件越薄，工件的凸起量越大。

2．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。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，将使加工表面产生尺寸误差或形状误差。

3．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、传动热和外界热源传入热量。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。不同类型的机床，其主要热源各不相同,热变形对加工精度的影响也不相同。车床、铣床和钻、镗类机床的主要热源来自主轴箱。车床主轴箱的温升将使主轴升高；由于主轴前轴承的发热量大于后轴承的发热量，故主轴前端比后端高；主轴箱的热量传给床身，还会使床身和导轨向上凸起。磨床通常都有液压传动系统和高速回转的磨头，并使用大量切削液，它们都是磨床的主要热源。（三）减小工艺系统热变形的途径

1．减少发热量