《机械制造技术 第2版》课件 -张善文 第3、4章 机床夹具设计原理、机械加工质量

第一节概述

为了加工出符合规定技术要求的表面，在加工前需将工件装夹在机床上或夹具中。

机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。其作用是将工件定位，以使工件获得相对于机床或刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。（图）

定位：使工件在机床或夹具中占有正确位置的过程。

夹紧：工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作。

图4-2套筒钻夹具

1－快换钻套2－衬套3－钻模板4－开口垫圈

5－螺母6－定位销7－夹具体图4-1套筒零件简图

1.保证加工精度

用机床夹具装夹工件，能准确确定工件与刀具、机床之间的相对位置关系，可以保证加工精度。

2.提高生产效率

机床夹具能快速地将工件定位和夹紧，可以减少辅助时间，提高生产效率。

一、机床夹具的作用3.减轻劳动强度

机床夹具采用机械、气动、液动夹紧装置，可以减轻工人的劳动强度。

4.扩大机床的工艺范围

利用机床夹具，能扩大机床的加工范围。机床夹具1.按夹具的应用分2.按机床类型分：车床夹具、钻床夹具（示例）、铣床夹具（示例）、磨床夹具、镗床夹具和组合机床夹具等。3.按夹具所用夹紧动力源分①通用夹具②专用机床夹具③组合夹具④成组夹具⑤随行夹具二、机床夹具的分类三、专用机床夹具的组成

机床夹具组成1.定位元件２.夹紧装置３.对刀元件、导向元件４.夹具联接元件５.夹具体６.其他元件及装置四、基准及其分类基准定位基准工序基准装配基准测量基准设计基准工艺基准用于确定零件上其它点、线、面位置所依据的那些点、线、面。设计图样上所采用的基准就是设计基准。（图）在加工时用于工件定位的基准，称为定位基准。（图）1、粗基准2、精基准3、辅助基准4、主要基准5、附加基准在加工中或加工后用来测量工件时采用的基准在装配时用来确定零件或部件在产品中相对位置所采用的基准在工序图上使用的基准。加工、测量、装配过程中使用的基准。图4-3设计基准示例图齿轮的装配基准图4-4工序简图第二节工件在夹具中的定位设计合理的定位方法、定位装置有足够的定位精度

定位的任务一、定位的原理1.六点定位原理

用适当分布的六个支承点消除工件的六个自由度，使工件在夹具中位置完全确定，这个原理称为六点定位原理。图4-5六点定位原理XZY

六点定位原理

要确定其空间位置，就需要限制其6个自由度

将6个支承抽象为6个“点”，6个点限制了工件的6个自由度，这就是六点定位原理。

任何一个物体在空间直角坐标系中都有6个自由度——用表示2.定位元件与限制的自由度

在具体的夹具中，与工件为点接触的支承点是由对工件起定位作用的定位元件如支承钉、支承板、圆柱销等来体现的。一个定位元件可以体现一个或多个支承点。某一定位元件相当支承点的数目，由该定位元件限制的工件自由度数来判断。（图示）

常见定位方式中的定位元件所限制的自由度和相当的支承点数见表4.1。图连杆的定位1－定位销2－支承板3－圆柱销4－工件

表4.1典型定位元件的定位分析

工件限制几个、限制哪几个自由度完全取决于加工技术要求。（图示）限制自由度与加工技术要求的关系定位与夹紧的区别定位是工件在夹具中获得正确的位置夹紧是保证定好的位置不因外力的作用而发生改变图4.7完全定位与不完全定位工件的6个自由度均被限制，称为完全定位。工件6个自由度中有1个或几个自由度未被限制，称为不完全定位。3.完全定位与不完全定位不完全定位主要有两种情况：

①工件本身相对于某个点、线是完全对称的，则工件绕此点、线旋转的自由度无法被限制（即使被限制也无意义）。例如球体绕过球心轴线的转动，圆柱体绕自身轴线的转动等。

②工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。如加工平板上表面，要求保证平板厚度及与下平面的平行度，则只需限制3个自由度就够了。完全定位与不完全定位ZYXa）ZYXb）ZYXc）ZYXd）e）ZYXf）ZYX图工件应限制的自由度欠定位——应该消除的自由度没有消除，不允许。过定位——几个支承点重复限制某个自由度，一般不允许，应用是有条件的。（图）4.欠定位与过定位

正确配置支承点正确处理过定位提高工件定位表面与定位元件之间的位置精度；改变定位元件的结构。（如图）一般按三、二、一布置。主要定位表面受力面积越大越好。图4.8常见的几种过定位实例图4.9改善过定位的措施

过定位是否允许，要视具体情况而定：1）如果工件的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高，则过定位是允许的。有时还是必要的，因为合理的过定位不仅不会影响加工精度，还会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。2）反之，如果工件的定位面是毛坯面，或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不允许的，因为它可能造成定位不准确，或定位不稳定，或发生定位干涉等情况。

过定位分析（桌子与三角架）图过定位分析

过定位分析图2-18过定位示例a）ZYXYc）ZYXYb）ZYYX

过定位分析图2-19过定位示例XYa）ZYb）ZYXY

一面两孔定位分析D1D2d2d1b图2-20一面两孔定位干涉分析刀柄主轴拉杆涨套

过定位应用图2-21HSK刀柄与传统刀柄结构HSK刀柄传统刀柄1:107:24间隙主轴拉杆刀柄定位端面配合锥面

过定位讨论如图示，齿轮坯以内孔和一小端面定位，车削外圆和大端面。加工后检测发现大端面与内孔垂直度超差。试分析原因，提出改进意见。4A0.02A间隙配合刚性心轴图过定位示例图过定位引起夹紧变形橡胶垫图过定位处理分析

讨论分析图示定位方案：①各方案限制的自由度②有无欠定位或过定位③对不合理的定位方案提出改进意见。

b）XZYXc）XZYXa）YXZ图过定位分析a）YXZa1）YXZa2）YXZa3）YXZ过定位示例分析b）XZYXb1）XZYXXZb2）YXXZb3）YX过定位示例分析应该限制五个自由度：

2.六点定位原理应用举例1）在长方体工件上铣通槽2）在长方体工件上铣不通槽OXYZ应该限制六个自由度：不完全定位完全定位应该限制一个自由度：3）在球面上铣平面4）在车床上车外圆应该限制四个自由度：不完全定位不完全定位OXYZ分析下列定位方案中各定位元件限制了那些自由度？1）车光轴外圆

2）车套筒外圆

起传动作用，不起定位作用

起夹紧作用，不起定位作用1.固定支承（一）工件以平面定位常用定位元件支承钉支承板二、机床夹具定位元件图4.10支承钉支承板

常用于大、中型工件的精基准面的定位。图4.11支承板2.可调支承

主要用于工件的毛坯制造精度不高，而又以粗基准面定位的工序中。图4.12可调支承3.自位支承

常用于毛坯表面、断续表面、阶梯表面以及有角度误差的表面的定位。注意：自位支承只限制工件的一个自由度。图4.13自位支承4.辅助支承

不起定位作用，用来提高工件的装夹刚度和稳定性，承受工件重力、夹紧力或切削力。图4-14辅助支承1.定位销

图4-15固定式定位销的结构形式（二）工件以孔定位常用定位元件2.心轴刚性心轴

间隙配合心轴

过盈配合心轴

弹性心轴

小锥度心轴

工件装卸方便，但定心精度不高。

定心精度高，但工件装卸不方便。

不需另加夹紧装置，小锥度心轴定心精度高。图4-16定位心轴（三）工件以外圆定位常用定位元件1.V形块

用V形块定位时，对中性好，装卸工件方便，且可用于非完整外圆表面的定位。长的V形块限制工件四个自由度，短V形块限制两个自由度。

图4-17V形块的结构尺寸图V形块的结构形式2.定位套图4-18定位套3．半圆孔图4-19半圆孔定位装置（四）工件以组合表面定位常用定位元件

在实际生产中，为满足加工要求，有时采用几个定位面相组合的方式进行定位。常见的组合形式有：两顶尖孔、一端面一孔、一端面一外圆、一面两孔等，与之相对应的定位元件也是组合式的。加工误差的构成与要求1.加工误差的构成因素加工过程中的误差Δgc夹具设计时一般取：定位误差dw15~（13）T<三、定位误差分析与计算与夹具有关的误差△J△za△dw总加工误差：

△总=△dw+△za+△gc2.加工误差的控制要求△总＜T通常要求：△dw＜1/3T,

△za＜

1/3T,

△gc＜1/3T；

同批工件在夹具中定位时，工序基准位置在工序尺寸方向或加工要求方向上的最大变动量，称定位误差。

1.基准不重合误差

由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。其值等于定位基准至工序基准的尺寸公差。（一）定位误差及其产生原因设计基准

若本道工序的加工精度为δ，则只要δ≤δA2，即可满足加工要求例：图示零件加工台阶面切削平面δ（本道工序加工精度）（定位基准）设计基准定位基准若要满足加工精度必须有：－称为基准不重合误差2）基准位移误差

由于工件的定位表面或夹具上的定位元件制造不准确引起的定位误差，称为基准位移误差。其值等于定位基准在加工尺寸方向的最大变动量。

ABDOO1dminDmaxAmaxOO2dmaxDminAminΔjwCΔjw

=（Dmax-dmin）/2二、定位误差的计算

合成法极限位置法1）极限位置法

机械加工中，加工尺寸的大小取决于工序基准相对于刀具的位置。工序基准相对于刀具切削平面的两个极限位置间的距离就是定位误差。因此，计算定位误差时，可先画出工序基准相对于刀具的两个极限位置，再根据几何关系求出这两个极限位置间的距离，便得到了定位误差。2）合成法如果工序基准不在定位基面上，取+；如果工序基准在定位基面上，需具体分析：①分析定位基面直径由小变大（或由大变小）时，定位基准的变动方向；②当定位基面直径作同样变化时，设定位基准的位置不变动，分析工序基准的变动方向；③两者的变动方向相同时，取“+”，相反时取“-”。

先分别计算出基准不重合误差和基准位移误差。然后将两项误差合成。即：

Δdw=Δbc±ΔjwOO1O2HDminHminHmaxDmaxΔjwαBAT在ΔO2O1T中：O1T=O1B-O2A=（Dmax-Dmin

）=TDΔjw

=O1O2=图4-22工件在V形块上定位

图4-22工件在V形块上定位

△bc（h2）=Td/2

第三节工件在夹具中的夹紧一、夹紧装置的组成和要求

由动力装置和夹紧机构两大部分组成图4-23夹紧装置组成示例

1－气缸（动力装置）2－压板（夹紧机构）3－弹簧销4－偏心轮5－调整螺钉1.夹紧装置的组成2.夹紧装置的基本要求（1）夹紧时不能破坏工件在夹具中占有的正确位置；（2）夹紧力要适当，既要保证工件在加工过程中不移动、不转动、不振动，又不因夹紧力过大而使工件表面损伤、变形；（3）夹紧机构的操作应安全、方便、迅速、省力；（4）结构应尽量简单，制造、维修要方便。2）夹紧力的作用点应位于工件刚性较好的部位（图4-25）。1）夹紧力的作用点应正对支承元件或位于支承元件所形成的支承平面内（图4-24）；3）夹紧力的作用点应尽量靠近加工面，以减小切削力对夹紧点的力矩，防止或减小工件的加工振动或弯曲变形（图）。1.确定夹紧力作用点的原则二、夹紧力的确定图4-24夹紧力作用点的选择1－夹具体2－工件3－定位支承图4-25夹紧力作用点对工件变形的影响图4-26夹紧点靠近加工表面2.确定夹紧力作用方向的原则1）夹紧力的方向应使定位基面与定位元件接触良好，以保证工件定位准确可靠（图4-27）2）夹紧力的方向应与工件刚度最大的方向一致，以减小工件变形（图4-28）3）夹紧力的方向应尽量与工件受到的切削力、重力等的方向一致，以减小夹紧力图4-27夹紧力垂直指向主要支承面图4-28夹紧力方向与工件刚性关系3.夹紧力的计算

一般采用机动（气动、液动）夹紧装置时，需对夹紧力进行计算，而采用手动夹紧机构时，常根据经验或类比法确定所需的夹紧力。（三）典型夹紧机构

夹紧机构是夹紧装置的重要组成部分，因为无论采用何种动力源装置，都必须通过夹紧机构将原始力转化为夹紧力、各类机床夹具应用的夹紧机构多种多样，以下介绍几种利用机械摩擦实现夹紧，并可自锁的典型夹紧机构。1.斜楔夹紧特点：(1)有增力作用；(2)夹紧行程小；(3)结构简单，但操作不方便。斜楔夹紧的受力分析夹紧时，FQ、FJ、FR三力平衡。夹紧力：斜楔夹角的自锁条件：通常为安全起见，取

工件夹紧后力FP消失，则斜楔应能自锁。

2.螺旋夹紧机构特点：(1)夹紧结构简单，夹紧可靠，在加剧中得到广泛应用；(2)夹紧力比斜楔夹紧力大，螺旋夹紧行程不受限制，所以在手动夹紧中应用极广；(3)螺旋夹紧动作慢，辅助时间长，效率低，在实际生产中，螺旋一压板组合夹紧比单螺旋夹紧用的更为普遍。图6-31单个螺旋夹紧机构图4-32摆动压块图4-33螺旋压板夹紧机构3.偏心夹紧机构特点：由于圆偏心夹紧时的夹紧力小，自锁性能不是很好，且夹紧行程小，故多用于切削力小，无振动，工件尺寸公差不大的场合，但是圆偏心夹紧机构是一种快速夹紧机构。

4.其它夹紧机构图4-35机械定心夹紧机构图4-36弹性定心夹紧机构图4-37铰链夹紧机构四.夹紧的动力装置1.气动夹紧1—雾化器2—减压阀3—止回阀4—转向阀

5—调速阀6—气压表7—气缸

图为单作用气缸，夹紧靠气压顶紧，松开由弹簧推回，用于夹紧行程较短的情况。活塞在压缩空气作用下产生的原始推动力。原始推动力：

右图为双作用气缸，活塞的双向移动均由压缩空气驱动，用于行程较大或往复均需动力推动的情况。

压缩空气进入无杆腔一侧时，活塞杆的推力：压缩空气作用在有杆腔一侧时，活塞杆的拉力：2.液压夹紧特点：(1)工作压力高，传动力大，不需增力机构，夹具结构简单；(2)油液不可压缩，夹紧刚性大，工作平稳，夹紧可靠；(3)噪声小，劳动条件好。(4)适用于重力切削或加工大型工件时的多处夹紧。3.气-液压组合夹紧1—气缸2—增压缸3—活塞杆4—活塞杆5—工作缸6—活塞

由于，故增压器输出的油压比输入的气压增大倍（为总效率），这是它的主要优点。其缺点是行程小。因油液容积不变，故活塞6的行程和活塞3的行程与相应的活塞、活塞杆面积成反比，即第四节典型机床夹具一、钻床夹具（一）钻模的主要类型及其结构特点1．固定式钻模2．回转式钻模3．翻转式钻模4．滑柱式钻模图4-42固定式钻模图4-43回转式钻模（二）钻床夹具设计要点1．钻套图4-44钻套2．钻模板（1）固定式钻模板（2）铰链式钻模板（3）悬挂式钻模板图4-46铰链式钻模板图4-47悬挂式钻模板二、铣床夹具图4-48对刀装置图4-49定位键联接图图4-50铣床夹具三、车床夹具图4-51车床专用夹具第四章机械加工质量第一节概述

第二节影响加工精度的因素

第三节加工精度的统计分析

第四节提高加工精度的工艺措施

第五节影响表面质量的因素

第六节提高表面质量的途径第一节概述一、机械加工精度

二、机械加工表面质量

机械加工精度产品质量是企业的生命线按现代质量观它包括设计质量、制造质量和服务质量零件制造质量是保证产品质量的基础(一)、加工精度的基本概念加工质量指标分加工精度和加工表面质量加工精度指零件加工后实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数相符的程度。符合程度愈高，加工精度愈高。实际值与理想值之差称为加工误差。一、机械加工精度

零件的加工精度包括

尺寸精度、形状精度、位置精度

通常尺寸精度要求高形位精度要求也越高常用加工误差的大小来评价加工精度的高低加工误差越小，加工精度越高获得加工精度的方法

（1）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（2）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（3）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

本章学习目的：

了解各种因素对加工精度的影响规律，找出提高加工精度的途径，以保证零件的加工质量。

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)、影响加工精度的因素图5-3由δz引起的加工误差原始误差所引起的切削刃与工件间的相对位移，如果产生在加工表面的法线方向，则对加工误差有直接的影响；如果产生在加工表面的切线方向上，就可以忽略不计。我们把加工表面的法向称之为误差的敏感方向。(三)误差的敏感方向1）表面层的加工硬化2）表面层金相组织的变化3）表面层的残余应力（2）表面层的物理力学性能（1）表面的几何形状特征1）表面粗糙度微观误差波距＜1mm2）表面波度微观与宏观之间波距1～10mm（一）、概述1.表面质量的基本概念二、机械加工表面质量（二）.表面质量对使用性能的影响（1）表面质量对零件耐磨性的影响零件磨损三个阶段：初期磨损阶段正常磨损阶段剧烈磨损阶段一般来说表面粗糙度值越小耐磨性越好。但太小不易储油接触面发生分子粘接，磨损增加。表面加工硬化使表层硬度增加耐磨性提高。但硬化过度会使表层剥落，加快零件的磨损。表面金相组织的变化会导致表层硬度发生变化，影响零件的耐磨性。（2）表面质量对疲劳强度的影响（4）表面质量对配合质量的影响（3）表面质量对耐腐蚀性的影响表面粗糙度值越大，抗疲劳破坏能力越差；表面残余拉应力促使裂纹扩展，压应力阻止裂纹扩展；表层加工硬化适度会提高疲劳强度，过大易产生裂纹表面粗糙度值越大，抗腐蚀性越差；表层加工硬化及金相组织变化易产生内应力，导致应力腐蚀开裂，降低零件腐蚀性，而压应力有利微裂纹闭合表面粗糙度值越大，零件配合精度越低。第二节影响加工精度的因素一、原理误差

二、工艺系统的几何误差

三、加工过程误差原始误差

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。一、原理误差（1）加工原理误差

近似的成形运动或刃形所产生的误差，多为形状误差（2）机床的误差

1）主轴回转误差①主轴回转误差概念主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量

三种基本形式：

a.

纯径向跳动b.纯角度摆动c.轴向窜动

二、工艺系统的几何误差②影响主轴回转精度的主要因素

轴承本身误差、轴承间隙、轴承间同轴度误差，各段轴颈、轴孔的同轴度误差主轴系统的刚度和热变形等。

但它们对主轴回转精度的影响大小随加工方式而不同主轴采用滑动轴承的车床类，主轴受力方向一定，主轴颈圆度误差影响较大，轴承内径圆度误差没影响镗床主轴受力随镗刀旋转方向不断变化轴承孔误差影响大滚动轴承结构复杂，影响主轴精度因素也较复杂除轴承本身精度外，与配合件精度有很大关系如主轴轴颈、支承座孔等精度产生轴向窜动主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。主轴不同形式的回转误差引起的加工误差不同车床上加工外圆内孔时，主轴径向跳动引起工件圆度和圆柱度误差，对工件端面无影响；

轴向窜动对圆柱表面影响不大，对端面垂直度平面度影响大，车削螺纹时会造成导程的周期性误差；

纯角度摆动会造成车削外圆或内孔的锥度误差；在镗孔时，会使镗出的孔为椭圆形。纯角度摆动会造成车削外圆或内孔的锥度误差；在镗孔时，若工件进给会使镗出的孔为椭圆形。提高主轴及支承座孔的加工精度，选用高精度轴承，提高主轴部件装配精度、预紧和平衡等，提高主轴回转精度。2）机床导轨误差

导轨精度要求主要有以下三方面：

①在水平面内的直线度（以卧式车床为例）Δ1将直接反映在工件加工表面法线方向（误差敏感方向）上，误差ΔR=Δ1

，对加工精度影响最大。刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。②在垂直面内的直线度

Δ２对工件的尺寸和形状误差影响比Δ1小得多对卧式车床ΔR≈Δ22/D若设Δ2=

0.1mm,D=40mm，则ΔR

=0.00025mm，影响可忽略不计。而对平面磨床、龙门刨床误差将直接反映在工件上。导轨在垂直面内的直线度的特殊情况为斜坡状，加工的工件轴向形状为鞍形。③前后导轨的平行度（扭曲）卧式车床或外圆磨床若前后导轨存在平行度误差时，刀具和工件之间相对位置发生变化，刀尖运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。

若扭曲误差为Δ3,工件误差ΔR≈(H/B)Δ3

，一般车床H/B≈2/3，外圆磨床H/B≈1，误差对加工精度影响很大除导轨制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也是造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。可采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨导轨表面淬火等措施。３）机床传动链误差

指机床内传动链始末两端的传动元件间相对运动的误差，一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。产生的原因是传动链中各传动元件的制造误差、装配误差及磨损等。若传动齿轮i在某一时刻产生转角误差为Δφi，则它所造成传动链末端元件的转角误差：Δφwi

=Ki

Δφi

Ki

为该轴到末端元件的总传动比，称为误差传递系数，若Ki大于1则误差被扩大；反之，若Ki小于1误差被缩小。各传动件对工件精度影响的总和为：

Δφ∑=∑Δφwi=

∑Ki

Δφi减少传动链误差的措施：①尽可能缩短传动链，减少传动元件数目；②尽量采用降速传动，误差被缩小；③提高传动元件、特别是末端元件的制造和装配精度；④消除传动间隙；⑤采用误差补偿机构或自动补偿装置。（3）刀具的几何误差

包括刀具切削部、装夹部的制造误差及刀具安装误差①

定尺寸刀具刀具尺寸精度直接影响工件尺寸精度②成形刀具刀具形状精度直接影响工件形状精度③展成刀具刀刃形状精度会影响工件加工精度④一般刀具制造精度对工件加工精度无直接影响（4）夹具的几何误差

包括夹具制造误差、安装误差及磨损

对工件尺寸精度和位置精度影响很大（5）定位误差

包括基准不重合误差、定位副制造不准确误差

直接影响工件的尺寸精度和位置精度（6）调整误差

在工序的调整工作中所存在的误差即调整误差一次调整后存在的误差对这一批零件的影响是不变的。但大批量加工中存在多次调整，不可能每次完全相同。对全部零件来说，每次调整误差为偶然性误差。机床调整误差可理解为零件尺寸分布曲线中心的最大偏移量。加工中不产生废品的条件：Δfb+Δt≤T机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。1.基本概念图5-12受力变形对工件精度的影响

a)车长轴b)磨内孔三、加工过程误差（一）、工艺系统受力变形引起的误差工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚性不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大，其最大变形量可按材料力学有关公式估算。2.工件刚度外圆车刀在加工表面法线（y）方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。3.刀具刚度(1)机床部件刚度图5-14车床部件静刚度的测定

1—心轴2、3、6—千分表

4—测力环5—螺旋加力器4.机床部件刚度图5-15车床刀架部件的刚度曲线1—加载曲线2—卸载曲线(2)影响机床部件刚度的因素由于零件表面存在宏观几何形状误差和微观几何形状误差，结合面的实际接触面积只是名义接触面积的一小部分(图所示)，在外力作用下，实际接触区的接触应力很大，产生了较大的接触变形。1)结合面接触变形的影响图5-16两零件结合面间的接触情况4.机床部件刚度2)摩擦力的影响图5-17摩擦力对机床部件刚度的影响4.机床部件刚度

3)低刚度零件的影响在机床部件中，个别薄弱零件对刚度的影响很大。

4)间隙的影响机床部件在受力作用时，首先消除零件间在受力作用方向上的间隙，这会使机床部件产生相应的位移。4.机床部件刚度(1)由于工艺系统刚度变化引起的误差5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响图5-18车削外圆时工艺系统受力变形对加工精度的影响(2)由于切削力变化引起的误差在加工过程中，由于工件的加工余量发生变化、工件材质不均等因素引起的切削力变化，使工艺系统变形发生变化，从而产生加工误差。图5-19毛坯形状误差的复映5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响(3)由于夹紧变形引起的误差

(4)其他作用力的影响除上述因素外，重力、惯性力、传动力等也会使工艺系统的变形发生变化，引起加工误差。图5-21夹紧力引起的加工误差a)夹紧后b)镗孔后c)放松后d)加过渡环后夹紧5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响

(1)提高工艺系统刚度

1)提高工件和刀具的刚度

2)提高机床刚度

3)采用合理的装夹方式和加工方式

(2)减小切削力及其变化合理地选择刀具材料、增大前角和主偏角、对工件材料进行合理的热处理以改善材料的加工性能等，都可使切削力减小。6.减小工艺系统受力变形的途径

1)切削热切削热对工件加工精度的影响最为直接。

2)摩擦热和能量损耗工艺系统因运动副(如齿轮副、轴承副、导轨副、螺母丝杠副、离合器等)相对运动所生摩擦热和因动力源(如电动机、液压系统等)工作时的能量损耗而发热。

3)派生热源工艺系统内部的部分热量通过切屑、切削液、润滑液等带到机床其它部位，使系统产生热变形。（二）、工艺系统受热变形引起的误差1.工艺系统的热源

(1)内部热源内部热源来自工艺系统内部，其热量主要是以热传导的形式传递的。

(2)外部热源外部热源来自工艺系统外部。

1)环境温度以对流传热为主要传递形式的环境温度的变化(如气温的变化，人造冷、热风，地基温度的变化等)影响工艺系统的受热均匀性，从而影响工件的加工精度。

2)辐射热以辐射传热为传递形式的辐射热(如阳光、灯光照明、取暖设备、人体温度等)因其对工艺系统辐射的单面性或局部性而使工艺系统的热变形发生变化，从而影响工件的加工精度。2.工件热变形对加工精度的影响工件在机械加工中所产生的热变形，主要是由切削热引起的。

(1)工件均匀受热在加工像轴类等一些形状简单的工件时，如果工件处在相对比较稳定的温度场中，此时就认为工件是均匀受热。

(2)工件不均匀受热在铣、刨、磨平面时，工件单面受切削热作用，上下表面之间形成温差△θ，导致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差。3.刀具热变形对加工精度的影响刀具热变形的热源主要是切削热。图5-25车刀的热变形曲线

4.机床热变形对加工精度的影响由于机床热源分布的不均匀、机床结构的复杂性以及机床工作条件的变化很大等原因，机床各个部件的温升是不相同的，甚至同一个零件的各个部分的温升也有差异，这就破坏了机床原有的相互位置关系。图5-26车床的热变形5.减小工艺系统热变形的途径(1)减少发热和隔热(2)改善散热条件(3)均衡温度场(4)改进机床结构(5)加快温度场的平衡(6)控制环境温度

没有外力作用而存在于零件内部的应力，称为内应力。工件上一旦产生内应力之后，就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位的稳定状态转化，并伴随有变形发生，从而使工件丧失原有的加工精度。（三）、内应力重新分布引起的误差1.基本概念2.内应力的产生

在铸、锻、焊、热处理等工序中由于工件壁厚不均、冷却不均、金相组织的转变等原因，使工件产生内应力。(1)热加工中内应力的产生图5-32铸件因内应力而引起的变形(2)冷校直产生的内应力图5-33校直引起的内应力2.内应力的产生3.减小内应力变形误差的途径

(1)改进零件结构在设计零件时，尽量做到壁厚均匀，结构对称，以减少内应力的产生。

(2)增设消除内应力的热处理工序铸件、锻件、焊接件在进入机械加工之前，应进行退火、回火等热处理，加速内应力变形的进程；对箱体、床身、主轴等重要零件，在机械加工工艺中尚需适当按排时效处理工序。

(3)合理安排工艺过程粗加工和精加工宜分阶段进行，使工件在粗加工后有一定的时间来松弛内应力。

1.机械加工过程中的强迫振动

机械加工中的强迫振动与一般机械中的强迫振动没有什么区别，强迫振动的频率与干扰力的频率相同或是它的倍数。强迫振动的振源有来自机床内部的机内振源和来自机床外部的机外振源两大类。（一）、机械加工过程中的强迫振动（四）、机械加工过程中的振动2.机械加工过程中强迫振源的查找方法图5-50振动信号的时间历程图和频谱图第一步可对在加工现场拾取的振动信号(见图a)进行频谱分析，以确定强迫振动的频率成分(如图b中的f1、f2)；第二步对机床加工中所有可能出现的强迫振源频率进行估算，列出振源频率数据表备查；第三步将经过频谱分析得到的强迫振动的频率与振源频率数据表进行比较，找出产生强迫振动的振源；第四步通过试验来验证上面所找的振源是否正确。

1)机械加工中的自激振动是在没有周期性外力(相对于切削过程而言)干扰下所产生的振动运动，这一点与强迫振动有原则区别。

2)自激振动的频率接近于系统的某一固有频率，或者说，颤振频率取决于振动系统的固有特性。这一点与强迫振动根本不同，强迫振动的频率取决于外界干扰力的频率。

3)自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动却不因有阻尼存在而衰减为零。（二）、机械加工过程中的自激振动(颤振)1.机械加工过程中的自激振动2.机械加工过程中产生自激振动的条件如果在一个振动周期内，振动系统从电动机获得的能量大于振动系统对外界做功所消耗的能量，若两者之差刚好能克服振动时阻尼所消耗的能量，则振动系统将有等幅振动运动产生。图5-53车削外圆单自由度振动系统模型3.机械加工过程中自激振动的激振机理在金属切削过程中，除极少数情况外，刀具总是部分地或完全地在带有波纹的表面上进行切削的。首先来研究车刀作径向切削的情况，此时车刀只作横向进给，车刀将完全地在工件前一转切削时留下的波纹表面上进行切削，如图所示。(1)振纹再生原理图5-54自由正交切削(2)振型藕合原理图5-57振型耦合型颤振原理示意图实际振动系统一般都是多自由度系统。3.机械加工过程中自激振动的激振机理（三）、控制机械加工振动的途径1.消除或减弱产生振动的条件(1)消除或减弱产生强迫振动的条件1)减小机内外干扰力2)调整振源频率3)采取隔振措施(2)消除或减弱产生自激振动的条件1)减小重叠系数2)减小切削刚度3)增加切削阻尼1.消除或减弱产生振动的条件(3)调整振动系统小刚度主轴的位置图5-60削扁锤杆1.消除或减弱产生振动的条件

(1)高工艺系统的刚度

提高工艺系统薄弱环节的刚度，可以有效地提高机床加工系统的稳定性。增强联接结合面的接触刚度、对滚动轴承施加预载荷、加工细长工件外圆时采用中心架或跟刀架、镗孔时对镗杆设置镗套等措施，都可以提高工艺系统的刚度。

(2)增大工艺系统的阻尼

工艺系统的阻尼主要来自零件材料的内阻尼、结合面上的摩擦阻尼以及其它附加阻尼。2.工艺系统的动态特性3.各种消振减振装置(1)动力式减振器图5-62动力式减振器

1—橡皮圈2—橡皮垫3—主振系统质量m1

4—弹簧阻尼元件5—附加质量m1

(2)摩擦式减振器图5-63装在车床尾座上的摩擦减振器1—后顶尖2—填料圈3—尾座套筒3.各种消振减振装置(3)冲击式减振器图5-64冲击式减振镗杆和镗刀3.各种消振减振装置第三节加工精度的统计分析一、加工误差的性质

二、加工误差的统计分析加工误差的分类1）系统误差

常值系统误差：原理机床刀夹量具制造调整误差变值系统误差：机床刀具热变形、刀具磨损2）随机误差:误差复映定位夹紧操作误差内应力变形对系统误差可循其规律加以调整或补偿来消除对随机误差只能缩小其变动范围无法完全消除一、加工误差的性质

1）正态分布的数学模型、特征参数和特殊点

正态分布曲线方程两个特征参数：算术平均值x和标准偏差σ二、加工误差的统计分析正态分布的特殊点①处概率密度函数有最大值②x=x±σ处为拐点2）标准正态分布

=0，σ=1

实际生产中为非标准正态分布需转换

令z=(x-)/σxxx即图中阴影面积可利用概率密度积分表计算3）工件尺寸在某区间内的概率工件尺寸落在

±3σ范围内的概率为99.73%若尺寸分布中心与公差中心重合，不产生废品的条件是：T≥6σ

Q废=0.5–φ(x)若中心不重合存在常值系统误差Δ系，T≥6σ＋Δ系x工艺过程的分布图分析（1）工艺过程的稳定性指均值和标准差稳定不变的性能，取决于变值系统误差（2）工艺过程分布图分析

制作分布图了解质量指标分布、加工能力、是否有废品

1）样本容量的确定通常取n=50～2002）样本数据整理与计算

剔除异常数据，确定尺寸分散范围R、尺寸间隔数j、

区间宽度Δx3）绘制实际分布图

纵坐标为频数：同间隔尺寸工件数目

4）绘制理论分布图

纵坐标将概率密度转换成频数，分散范围±3σ

理论最大频数f′max=ymaxn

Δx

对应x=处

拐点处频数f′σ=yσn

Δx

对应x=±σ处xx5）工艺过程分布图分析

①判断加工误差性质系统误差、随机误差②确定工序能力及等级

工序能力系数Cp指满足加工精度的程度Cp=T/6σ③确定不合格率

（2）分布图分析法特点

1）采用大样本，较接近实际地反映工艺过程总体；

2）能将常值系统误差从误差中区分开；

3）在全部样本加工后绘出曲线，不能反映先后顺序，不能将变值系统误差从误差中区分开；

4）不能及时提供工艺过程精度的信息，事后分析；

5）计算复杂，只适合工艺过程稳定的场合。点图分析法计算简单，能及时提供主动控制信息，可用于稳定过程、也可用于不稳定过程。工艺过程的点图分析（1）逐点点图依次测量每件尺寸记入横坐标为零件号纵为尺寸的图表中（2）均值-极差点图

采用顺序小样本（4～6），由小样本均值点图和极差点图组成，横坐标为小样本组序号。具体作法如下：①定期测小样本尺寸；②计算均值和极差R：

R=xmax-xmin

③确定中心线和R小样本组20～30④确定上下控制线ES、EI

、UCL、LCL，定期描点xx均值点图上下控制线的确定：极差点图上下控制线的确定：均值点图反映了质量指标分布中心(系统误差)的变化极差点图反映了质量指标分布范围(随机误差)的变化（3）均值-极差点图分析

生产过程稳定的标志：①没有点子超出控制线；②大部分点在中线附近波动，小部分点在控制线附近；③点子无明显规律性