《机械制造技术》第21课 分析影响活塞销孔精镗加工精度的原始误差

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课题分析影响活塞销孔精镗加工精度的原始误差——机械加工精度（1）课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）掌握机械加工精度的概念及其影响因素（2）掌握机械加工精度的几何误差思政育人目标：树立客观、严谨的工作作风教学重难点教学重点：机械加工精度的获得方法，机械加工精度原始误差的概念，几何误差对机械加工精度的影响教学难点：几何误差对机械加工精度的影响教学方法启发式、讲授法、案例分析法、讨论法、总结法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计→考勤（2min）→教学过程主要教学内容及步骤设计意图课前任务【教师】上传预习资料，发布预习任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，完成课前任务查找机械加工质量相关的资料，理解机械加工质量的定义及内容，通过发起的线上任务，分析讨论机械加工质量的影响因素。【学生】完成课前任务通过课前任务，培养学生独立收集资料的能力，初步建立有关机械加工质量分析的概念，锻炼其观察、分析、总结的能力考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况互动导入

（3min）【教师】讲述“任务引入”案例（详见教材），并提出问题机械加工精度对机器的性能有着如此重要的影响，那么它包含哪些内容，有哪些影响因素，又该如何保证和提高呢？【学生】聆听、思考、回答通过设置疑问的方式，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣传授新知（50min）【教师】通过学生的回答，引出本节课知识点，引出机械加工精度的相关知识一、机械加工精度概述1、机械加工精度与机械加工误差机械加工精度是指零件在机械加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与设计几何参数的符合程度。机械加工误差是指零件在机械加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与设计几何参数之间偏离的值，它是表示机械加工精度的数量指标。零件的机械加工误差越小，机械加工精度就越高。零件的机械加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度三方面，而且这三者之间是有联系的。☞【教师】提问：“想一想，这三者之间存在什么样的联系？”，并随机抽取学生回答问题☞【学生】聆听、思考、回答问题☞【教师】总结学生的回答通常情况下，零件的形状公差应限制在位置公差之内，而位置公差又应限制在尺寸公差之内。当零件的尺寸精度要求高时，相应的位置精度、形状精度要求也高；但零件的形状精度要求高时，其位置精度和尺寸精度要求不一定高，而要根据零件具体功能的要求来确定。2、机械加工精度的获得方法1）尺寸精度的获得方法（1）试切法试切法是指先在工件上试切出很小一部分加工表面并测量，按照加工要求适当调整刀具切削刃相对工件的位置，然后再进行试切、测量和调整，直到加工尺寸达到所要求的精度后再切削整个待加工表面的方法。试切法生产率较低，且对操作工人的技术水平要求较高，主要用于单件小批生产。（2）调整法调整法是指预先用样件或标准件调整好刀具相对于工件加工表面的位置，并在一批零件的加工过程中保持这一位置不变，从而获得所要求尺寸精度的方法。调整法有较高的生产率，较试切法获得尺寸精度的稳定性好，对操作工人技术水平要求不高，但调整过程较为复杂，主要用于成批大量生产。（3）定尺寸刀具法定尺寸刀具法是指用具有一定尺寸精度的刀具（如铰刀、扩孔钻、钻头等）来保证被加工工件尺寸精度的方法。这种方法生产率高，加工精度稳定，几乎与操作工人的技术水平无关，主要用于孔、螺纹和成形表面的加工。4）自动控制法自动控制法是指是在加工过程中，通过由尺寸测量装置、进给装置和控制机构等组成的自动控制系统，自动完成工件尺寸的测量、刀具的补偿调整和切削加工等一系列动作，从而获得所要求尺寸精度的方法。……详见教材2）形状精度的获得方法（1）成形运动法成形运动法是指使刀具相对于工件做有规律的成形切削运动，从而获得所要求形状精度的方法。如零件表面成形方法中所介绍的轨迹法、成形法、展成法和相切法等。☞【教师】提问：“想一想，哪些表面会使用成形运动法进行加工？”，并随机抽取学生回答问题☞【学生】聆听、思考、回答问题☞【教师】总结学生的回答成形运动法主要用于圆柱面、圆锥面、平面、球面、回转曲面、螺旋面和齿形面等表面的加工。（2）非成形运动法非成形运动法是指通过对加工表面形状的检测，人工对其进行相应修整加工，以获得所要求形状精度的方法。虽然这种方法较为原始且生产率较低，但当零件形状精度要求很高（如超出机床加工精度范围或表面形状比较复杂）时，通常仍采用这种方法。3)位置精度的获得方法（1）一次装夹法一次装夹法是指将零件有相互位置精度要求的几个表面在同一次安装中加工出来的方法。采用这种方法时，位置精度的大小取决于机床的运动精度。（2）多次装夹法多次装夹法是指零件在加工过程中经多次装夹，由加工表面与定位基准面之间的位置精度来保证零件位置精度的方法。由于工件的安装方式可分为直接找正安装、划线找正安装和夹具安装等方法，因此采用这种方法所获得的位置精度与机床精度、工件找正精度、夹具的制造和装配精度，以及量具的精度有关。3、原始误差研究零件的加工精度，就是研究工艺系统原始误差的成因及基本规律，分析原始误差和加工误差之间定性与定量的关系，这是保证和提高零件加工精度的理论基础。1）原始误差及其成因【多媒体】展示“原始误差的成因”的图片（详见教材），引出原始误差及其成因的相关知识在机械加工中，零件的尺寸、形状和位置的形成，取决于工件和刀具在切削过程中的相互位置关系。由于工件和刀具安装在夹具和机床上并受其约束，因此加工精度与整个工艺系统的精度直接相关。在不同的具体条件下，工艺系统中的各种误差不同程度地通过多种方式反映为加工误差。工艺系统的误差是“因”，是根源；加工误差是“果”，是表现。因此，把工艺系统的误差称为原始误差。几何误差：又称为工艺系统原有误差，是指加工前工艺系统本身存在的误差，它主要包括原理误差、工艺系统静误差、工件安装误差、测量误差和调整误差等。其中，工艺系统静误差又包括机床误差、刀具误差和夹具误差。动误差：又称为工艺过程原始误差，是指加工过程中工艺系统受力变形和受热变形、工件残余应力变形和工艺系统磨损等引起的误差。2）误差敏感方向工艺系统中各种原始误差的方向是不同的，不同方向的原始误差对加工误差的影响程度不同。原始误差当其方向与工序尺寸方向一致时，对加工误差的影响最大，因此将此方向称为误差敏感方向。☞【教师】展示“车削外圆的误差敏感方向”的图片（详见教材），提问：“如何表示车削外圆的误差敏感方向？”，安排学生小组讨论并派代表回答问题☞【学生】聆听、分组、思考、讨论、回答问题☞【教师】总结学生的回答，详细讲解误差敏感方向的相关知识如图8-2（a）所示（详见教材），为刀具与工件接触点法线方向的偏移分量，其反映到工件半径方向上的误差为，它们之间的关系式为：为刀具与工件接触点切线方向的偏移分量，其反映到工件半径方向上的误差为，它们之间的关系式为：常把对加工误差影响最大的方向（即通过刀刃的加工表面的法向）称为误差敏感方向，把与误差敏感方向垂直的方向（即工件加工表面的切线方向）称为误差非敏感方向。原始误差的方向与误差敏感方向一致时，其对加工误差的影响最大。……详见教材4、加工精度的研究方法1）单因素分析法单因素分析法一般不考虑其他因素的作用，而只研究某一确定因素对加工精度的影响，通过分析计算或试验测试得出该因素与加工误差之间的关系。2）统计分析法统计分析法以现场观察和实测所得的数据为基础，用数理统计的方法进行数据处理和分析，从而揭示各种因素对加工精度的综合影响。【经验传承】在实际生产中，单因素分析法和统计分析法常常结合起来使用。一般先用统计分析法寻找误差出现的规律，初步判断产生加工误差的可能原因，然后运用单因素分析法进行分析、试验，以找出影响加工精度的主要原因。二、影响机械加工精度的因素1．几何误差工艺系统的几何误差在加工过程开始之前就已经客观存在，并会在加工过程中反映到工件上，从而影响加工精度。1）原理误差原理误差是指因采用近似的成形运动或近似的切削刃轮廓所产生的误差。因为它是在加工原理方面存在的误差，所以称原理误差。……详见教材【点拨】教师补充知识点在精加工时，对加工原理误差需要仔细分析，必要时还需要进行计算，以确保由其引起的加工误差不会超过所允许的精度范围。2）机床误差引起机床误差的原因主要有机床的制造误差、安装误差和机床使用过程中的磨损。（1）主轴回转误差机床主轴是装夹工件或刀具，并传递主要切削运动的重要零件，它的回转精度直接影响工件的加工精度，是机床精度的主要指标之一。主轴回转误差可以分解为轴向误差运动、纯径向误差运动和倾斜误差运动三种基本形式。☞【多媒体】展示“主轴回转误差的形式”的图片，详细讲解主轴回转误差的三种基本形式轴向误差运动：又称轴向窜动，是指任一瞬时主轴回转轴线沿平均回转轴线的轴向运动。轴向误差运动主要影响工件端面的形状和轴向尺寸精度。纯径向误差运动：又称纯径向圆跳动，是指任一瞬时主轴回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动。纯径向误差运动主要影响工件的圆度和圆柱度。倾斜误差运动：又称纯角度摆动，是指任一瞬时主轴回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动。倾斜误差运动主要影响工件的形状精度。在主轴回转过程中，上述三种基本形式的误差运动往往同时存在，主轴回转误差是它们的综合体现。……详见教材☞【教师】提问：“根据主轴回转误差的概念，思考应该如何提高主轴回转精度？”，安排学生小组讨论并派代表回答问题☞【学生】聆听、分组、思考、讨论、回答问题☞【教师】总结学生的回答提高主轴回转精度常采取以下方法：①提高主轴部件的制造精度；②对主轴滚动轴承进行适当预紧；③使主轴回转误差不反映到工件上。……详见教材（2）导轨导向误差。机床导轨是机床工作台或刀架等实现直线运动的主要部件，因此导轨导向误差是影响工件和刀具直线运动精度的主要因素。导轨导向误差是指机床导轨副运动件的实际运动方向与理想运动方向之间的偏差。☞【多媒体】展示“导轨在水平面内的直线度误差”的图片导轨在水平面内的直线度误差：使刀尖相对于工件回转轴线在加工表面的法线方向（误差敏感方向）上产生位移，工件表面产生半径误差，使工件表面产生圆柱度误差。☞【多媒体】展示“导轨在垂直面内的直线度误差”的图片 导轨在垂直面内的直线度误差：使刀尖相对于工件回转轴线在加工表面的切线方向（误差非敏感方向）上产生位移，工件表面产生半径误差，其值很小，因此对工件加工精度的影响很小。☞【多媒体】展示“前后导轨的平行度误差”的图片 前后导轨的平行度误差：使刀尖相对于工件回转轴线在加工表面的法线和切线方向上都产生位移，工件表面产生的半径误差为，该误差对加工精度的影响很大。导轨对机床主轴轴线的平行度误差：这项误差会使工件产生形状误差。☞【教师】提问：“思考应该如何提高导轨导向精度？”，安排学生小组讨论并派代表回答问题☞【学生】聆听、分组、思考、讨论、回答问题☞【教师】总结学生的回答提高导轨导向精度常采取以下方法：①提高机床导轨、溜板的制造精度及安装精度；②提高导轨的耐磨性，如采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨或对导轨表面进行淬火等；③正确安装机床，确保地基牢固，并定期进行复校和调整。……详见教材（3）传动链的传动误差传动链的传动误差是指机床内联系传动链始末两端传动件之间的相对运动误差。在加工螺纹或用展成法加工齿轮或蜗轮等零件时，传动链传动误差是影响加工精度的主要因素。提高传动链传动精度常采取以下方法：①缩短传动链，减小传动比；②减小传动链中各传动件的加工误差和装配误差；③采用校正装置进行校正。3）刀具误差刀具误差主要是指刀具的制造误差。刀具的制造误差对加工精度的影响与刀具的种类有关。（1）采用定尺寸刀具（如钻头、绞刀、键槽铣刀、浮动镗刀和拉刀等）加工时，刀具的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度。（2）采用成形刀具（如成形车刀、成形铣刀和成形砂轮等）加工时，刀具的形状精度直接影响工件的形状精度。（3）采用展成刀具（如齿轮滚刀、花键滚刀和插齿刀等）加工时，刀刃的形状必须是加工表面的共轭曲线。因此，刀刃的形状精度会影响工件的形状精度。（4）采用一般刀具（如普通的车刀、铣刀和镗刀等）加工时，其制造精度对加工精度无直接影响，但刀具磨损对零件的加工精度和表面粗糙度有直接影响。4）夹具误差夹具误差主要包括三方面内容：①定位元件、引导元件、分度装置和夹具体等的制造误差；②夹具元件的装配误差；③夹具在使用过程中工作表面的磨损。夹具误差直接影响工件加工表面的位置精度或尺寸精度。5）调整误差在零件加工的每一道工序中，为了获得加工表面的尺寸、形状和位置精度，通常需要对工艺系统中的机床、夹具和刀具等进行调整。由于任何调整工作不可能绝对精确，因此必然会产生误差，这种误差称为调整误差。工艺系统的调整通常采用调整法和试切法两种方法。【多媒体】展示“不同调整方法调整误差的影响因素”的表格（详见教材），并讲解具体内容【学生】聆听、理解、记忆运用多媒体课件，通过提问引导和小组讨论的方式，对机械加工精度的概念及影响因素进行讲解，开展课堂活动，加强学生的学习兴趣和积极性，训练学生的逻辑性思维能力项目实践（30min）分析影响工件加工精度的几何误差【教师】组织学生以小组形式开展项目训练活动，描述任务并发布任务要求如图所示为活塞销孔精镗加工示意图，工件以止口面