1、2022-8-11河南科技大学机电工程学院1第第5章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制n5.1 机械加工质量概述机械加工质量概述n5.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.3 保证和提高加工精度的主要措施保证和提高加工精度的主要措施n5.4 加工误差的统计分析加工误差的统计分析 n5.5 影响加工表面质量的因素影响加工表面质量的因素 n5.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动 2022-8-11河南科技大学机电工程学院25.1 概述概述n5.1.1 机械加工质量概述机械加工质量概述n1机械产品质量机械产品质量n是指用户对产品的满意程度。有三层含意：产品设计
2、质量、产品制造质量和服务。n机械加工质量机械加工质量 n通常包括机械加工精度和加工表面质量两个指标；n前者指零件加工后宏观的尺寸精度、形状精度和相互位置精度；n后者主要指零件加工后表面的微观几何形状精度和物理机械性能。2022-8-11河南科技大学机电工程学院35.1 概述概述机械加工质量机械加工质量尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力图5-1 机械工质量包含的内容2022-8-11河南科技大学机电工程学院45.1 机械
3、加工质量概述机械加工质量概述n5.1.2 机械加工精度的基本概念机械加工精度的基本概念n1 1加工精度、加工误差与公差加工精度、加工误差与公差 2022-8-11河南科技大学机电工程学院55.1 机械加工质量概述机械加工质量概述n5.1.2 机械加工精度的基本概念机械加工精度的基本概念n2 2研究加工精度的目的与方法研究加工精度的目的与方法n研究加工精度的目的在于弄清各种原始误差对加工精度的影响规律，掌握控制加工误差的方法，找出减少加工误差、提高加工精度的工艺措施和途径，把加工误差控制在规定的公差范围内。n研究加工精度的方法有两种：一是因素分析法，通过分析计算或实验、测试等方法，研究某一确定因
4、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。二是统计分析法，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。主要研究各项误差综合的变化规律，一般只适合于大批量生产。2022-8-11河南科技大学机电工程学院65.1 机械加工质量概述机械加工质量概述n5.1.3 机械加工表面质量的概念机械加工表面质量的概念n1 1加工表面质量的含义加工表面质量的含义 图5-2 粗糙度和波度之间的关系示意图2022-8-11河南科技大学机电工程学院75.1 机械加工质量概述机械加工质量概述n5.1.3 机械加工表面质量的概念机械加工表面质
5、量的概念n1 1加工表面质量的含义加工表面质量的含义 n主要包括表面层的冷作硬化、残余应力、金相组织变化等三个方面的内容。n2 2表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响表面粗糙度值 配合质量Ra（m）初始磨损量重载荷轻载荷图5-3 表面粗糙度与初始磨损量2022-8-11河南科技大学机电工程学院85.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.1 概述概述1.1.原始误差原始误差引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀
6、具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具静止状态下的误差工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差2022-8-11河南科技大学机电工程学院95.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n1 1加工原理误差加工原理误差n指采用近似的成形运动或近似的刀具轮廓进行加工而产生的误差。例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图5-4)式中式中 R R 球头刀半径；球头刀半径；h h 允许的残留高度。允许的残留高度。例2：用阿基米德蜗杆滚刀滚切
7、渐开线齿轮8SR h（5-1）SRh图5-4 空间曲面数控加工2022-8-11河南科技大学机电工程学院105.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n2机床误差机床误差n1)机床主轴的回转误差 n(1)主轴回转误差的基本形式 b）纯端面圆跳动a）纯径向圆跳动c）纯角向摆动图5-5 主轴回转误差基本形式2022-8-11河南科技大学机电工程学院115.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n2机床误差机床误差n1)机床主轴的回转误差 n(2)主轴回转误差对加工精度的影响 主轴纯轴向窜
8、动对内外圆柱面的加工没有影响车床上车端面时，车出的工件端面与圆柱面不垂直，图5-6（a）加工螺纹时，主轴的轴向窜动使导程产生周期误差，图5-6（b）故精密车床主轴的轴向窜动误差控制在23m内，甚至更严。图5-6 主轴纯轴向窜动a）工件端面与轴线不垂直；b）螺纹导程周期误差2022-8-11河南科技大学机电工程学院125.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)主轴回转误差对加工精度的影响 主轴纯径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为
9、：式中R 刀尖回转半径；主轴转角。显然，式（5-2）为一椭圆。()cossinXReYR（5-2）图5-7 主轴纯径向圆跳动对镗孔精度影响e2022-8-11河南科技大学机电工程学院135.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)主轴回转误差对加工精度的影响 主轴纯径向跳动对加工精度的影响（车外圆）仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆（图5-8）思考：主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率为主轴转速两倍，被车外圆形状如何？12345678e图5-8
10、 径向跳动对车外圆精度影响2022-8-11河南科技大学机电工程学院145.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)主轴回转误差对加工精度的影响主轴轴线纯角度摆动对加工精度的影响(情形1：主轴在绕其轴线自转的同时，其轴线在某一平面内，在平均轴线附近作纯角度摆动。)如果摆动频率与主轴回转频率相一致，在垂直于平均轴线的截面内，相当于几何轴心绕平均回转轴心作简谐直线运动。由前面分析可知，车削外圆表面仍是一个圆，就整体而言车削出来的工件是一个圆柱，其半径等于刀尖到平均轴线的距离。如图6-9a）所示。在刀具回转镗孔时，在垂直于主轴平均轴线的各
11、个截面内都形成椭圆，就工件内表面整体来说，镗削出来的是一个椭圆柱孔，如图6-9b）所示。如果是刀具主轴送进镗孔，在各个截面内椭圆的长轴将是变化的。图5-9 主轴纯角度摆动的第一种情况 （a）车削外圆；（b）镗孔2022-8-11河南科技大学机电工程学院155.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)主轴回转误差对加工精度的影响主轴轴线纯角度摆动对加工精度的影响(情形2：主轴在绕其轴线自转的同时，又绕其平均轴线沿圆锥轨迹公转。)此时，几何轴线相对于平均轴线在空间形成一个圆锥轨迹。如果沿平均轴线与之垂直的各个截面看，等于几何轴心绕平均回
12、转轴心作圆周运动，只是各截面内的圆周回转半径不同而已。在此种情况下，无论车削或镗削都能得到一个正圆柱，如图6-10所示。图5-10 主轴纯角度摆动的第二种情况 （a）车削外圆；（b）镗孔2022-8-11河南科技大学机电工程学院165.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)主轴回转误差对加工精度的影响 表5-1主轴回转误差对车削和镗削加工误差的影响 主轴回转误差的基本形式车床上车削镗床上镗削内、外圆端面螺纹孔端面纯径向跳动影响极小无影响无影响圆度误差无影响纯轴向窜动无影响平面度误差 垂直度误差螺距误差无影响平面度误差 垂直度误差纯
13、角度摆动影响极小影响极小螺距误差圆柱度误差平面度误差2022-8-11河南科技大学机电工程学院175.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(3)影响主轴回转精度的主要因素。AB图5-11 轴径不圆引起车床主轴径向跳动图5-12 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动滑动轴承车床（图5-11）轴径不圆引起车床主轴向跳动镗床（图5-12）轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动静压轴承对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用滚动轴承内、外滚道的圆度误差、滚道相对于轴承内孔的偏心及滚动体的形状误差和直径误差 与滑动轴承一样，不同的机床类型，滚道形状误差的影响是不同的
14、 2022-8-11河南科技大学机电工程学院185.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(3)影响主轴回转精度的主要因素。推力轴承滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差（图5-13）其他因素轴承孔、轴径圆度误差；轴承孔同轴度误差；轴肩、隔套端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差；装配质量等a）b）0图5-13 止推轴承端面误差对主轴轴向窜动影响2022-8-11河南科技大学机电工程学院195.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(4)提高主轴回转精度的措施 a、设计和制造
15、高精度的主轴部件 在主轴部件的制造中，注意提高主轴轴颈、箱体支承孔及与轴承相配合零件有关表面的加工精度。在主轴部件的装配中，可通过调整轴承的径向圆跳动，使其误差相互补偿或抵消，以提高主轴回转精度。a、对滚动轴承进行预紧 c、使回转精度不依赖于主轴 工件的回转成形运动不是靠机床主轴的回转运动来实现，而是靠工件的定位基准或被加工面本身与夹具定位元件组成的回转运动副来实现。例如采用死顶尖磨外圆，理论上讲，回转轴线是固定不变的，可加工出高精度的外圆。2022-8-11河南科技大学机电工程学院205.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(5)主
16、轴回转误差的测量传统测量方法存在问题 准确测量方法图5-14 传统测量方法a)b)图5-15 主轴回转误差测量法1 摆动盘 2，4 传感器 3 精密测球 5 放大器 6 示波器2022-8-11河南科技大学机电工程学院215.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n2机床误差机床误差n2)导轨导向误差对加工精度的影响。n机床导轨误差:导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差。在机床的精度标准中，直线导轨的导向精度一般包括：导轨在水平面内的直线度（弯曲）、在垂直面内的直线度（弯曲）、前后导轨的平行度（扭曲）、导轨对主轴回转轴线的平行度（
17、或垂直度）等。n(1)导轨在水平面内的直线度误差会使加工工件产生鼓形或鞍形 图5-16 导轨在水平面内的直线度误差引起的加工误差2022-8-11河南科技大学机电工程学院225.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(1)导轨在水平面内的直线度误差会使加工工件产生鼓形或鞍形导轨在水平面内向“后凸”图5-1（a），纵向车削圆柱面时使工件产生“鞍形”误差图5-1（b）。同理可知，如果导轨在水平面内向“前凸”，纵向车削圆柱面时会使工件产生“鼓形”误差。图5-1 导轨在水平面内的直线度误差引起的加工误差(a)(b)2022-8-11河南科技大学
18、机电工程学院235.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)导轨在垂直平面内的直线度误差对工件加工的影响导轨在垂直平面内出现“下凹”图5-18（a），会导致车刀刀尖切线方向偏移z图5-18（b），显然工件的半径由R增致，其增量为R，图5-18 导轨在垂直面内的直线度误差 DZRZRRR2222022-8-11河南科技大学机电工程学院245.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(3)前后导轨之间的扭曲对工件加工的影响 X图5-19 导轨扭曲引起的加工误差HRDBXYHRHB（
19、5-3）2022-8-11河南科技大学机电工程学院255.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(4)导轨对主轴回转轴线位置误差对工件加工精度的影响 图5-20 成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响fZzzc）HyR0fXZLfdDdxa）b）2022-8-11河南科技大学机电工程学院265.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(5)影响导轨导向精度的主要因素2022-8-11河南科技大学机电工程学院275.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺
20、系统几何误差工艺系统几何误差n3）机床传动链误差n(1)机床传动误差对加工精度的影响以齿轮机床传动链为例：式中 n 传动链末端元件转角误差；kj 第j 个传动元件的误差传递系数，表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度，其数值等于该元件至末端元件的传动比；n 传动链末端元件角速度；j 第j 个传动元件转角误差的初相角。111s i nnnjjjnjjjjkktk（5-4）图5-21 齿轮机床传动链z7=z8=16z1=64zn =96z5=z6=23z3=z4=23bz2 =16zn-1=1icefacd2022-8-11河南科技大学机电工程学院285.2 影响加工精度的因素分析影响加工精
21、度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)提高传动精度措施图5-22 传动链误差的频谱分析a)nA1A2Aib)（频 率）A（幅 值）12i2022-8-11河南科技大学机电工程学院295.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差2022-8-11河南科技大学机电工程学院305.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差 n1）定位误差；n2）刀具导向（对刀）误差；n3）夹紧误差；n4）夹具制造误差；n5）夹具安装误差；n通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应
22、公差的1/3。L0.056F710F7k620H 7g 6YZ图5-23 钻径向孔的夹具2022-8-11河南科技大学机电工程学院315.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n问题思考n机械加工过程中，工艺系统在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等外力作用下会产生相应的弹性变形和塑性变形，破坏刀具和工件之间的正确位置关系，使工件产生几何形状误差和尺寸误差。观察以下几种加工情况：（1）在一台新车床的两顶尖间车削细长轴时，观察切屑厚度的变化。（2）在一台旧车床的两顶尖间车削短粗工件时，观察切屑厚度的变化。（3）在一台外圆磨床上“无进
23、给光磨”一根长轴。这些现象的发生说明了什么问题？2022-8-11河南科技大学机电工程学院325.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n1工艺系统刚度n1）工艺系统刚度的一般概念n刚度的一般定义是作用力与由它所引起的在作用力方向上的变形量的比值。n将此定义引入工艺系统，并注意误差敏感方向的受力变形，n工艺系统的刚度kxt可定义为：切削力在加工表面法线方向的分力Fp与在总切削力作用下产生的沿法向的变形yxt的比值.n亦有,在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比.kxtFp/yxt 式（5-5）思考:（1）为什么使用切削分力F
24、p而不使用总切削力？（2）yxt是由什么力引起的？yxt的方向是否一定会与Fp方向一致？2022-8-11河南科技大学机电工程学院335.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n2）工艺系统刚度的计算工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加。由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：kjc、kjj、kdj和kgj分别表示：机床刚度、夹具刚度、刀具刚度和工件刚度在用上式求解某一系统刚度时，应针对具体情况进行分析。例如外圆车削时，车刀的受力变形很小，可忽略不计，于是可省去刀具刚度一项。又如镗箱体零件的孔时，镗杆
25、的受力变形严重影响加工精度，而箱体零件的刚度一般较大，其受力变形可忽略不计。11111xtjcjjdjgjkkkkk2022-8-11河南科技大学机电工程学院345.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n2工艺系统刚度对加工精度的影响n1）切削力作用点位置变化引起的加工误差加工过程中，工艺系统刚度会随切削力作用点的位置变化而变化，因此使工艺系统受力变形也随之变化，引起加工误差。如图5-24所示，假定工件短而粗、而车刀悬伸长度很小，此时工艺系统的变形只考虑机床的变形。再假定加工余量均匀，切削深度基本不变化，则切削力Fp保持不变。于是根
26、据图5-24所示关系可以推导出机床的总变形为：图5-24 工艺系统变形随切削力位置变化而变化2022-8-11河南科技大学机电工程学院355.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n1）切削力作用点位置变化引起的加工误差机床的总变形:这说明工艺系统的变形是x的函数。随着车刀位置（即切削力作用点）的变化，工艺系统的变形也是变化的。变形大的地方，从工件上切去较少的金属层；变形小的地方，切去较多的金属层。因此工艺系统变形只考虑机床的变形加工出来的工件呈两端粗、中间细的鞍形，如图5-25所示。)(11122xykLxkLxLkFyjcdjwz
27、tjpjc图5-25 工件在顶尖上车削后的形状1机床不变形的理想情况；2考虑主轴箱、尾座变化的情况；3包括考虑刀架变形在内的情况2022-8-11河南科技大学机电工程学院365.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n1）切削力作用点位置变化引起的加工误差假如车削的工件是一根细长轴，在切削力作用下，其变形大大超过机床、夹具和刀具所产生的变形。此时机床、夹具和刀具的受力变形可忽略不计，工艺系统的变形完全取决于工件的变形。根据材料力学关于简支梁变形的计算公式，切削点的变形量为：LxxLEIFypw22)(3图5-26 工件受力变形引起的加
28、工误差2022-8-11河南科技大学机电工程学院375.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n2）切削力大小变化引起的加工误差误差复映规律n 以椭圆截面车削为例说明（图5-27）式中 g 工件圆度误差；m 毛坯圆度误差；k 工艺系统刚度；误差复映系数。图5-27 误差复映现象ap11ap22毛坯外形工件外形1212121gppppmCFFaakk （5-6）由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”。2022-8-11河南科技大学机电工程学院385.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5
29、.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n误差复映程度可用误差复映系数来表示，误差复映系数与系统刚度成反比。由式（5-6）可得：n机械加工中，误差复映系数通常小于1。可通过多次走刀，消除误差复映的影响。kCmg（5-7）123n（5-8）2022-8-11河南科技大学机电工程学院395.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n3夹紧力、惯性力和重力引起的变形对加工精度的影响n（1）夹紧力引起的加工误差 由于夹紧不当，夹紧后套筒成三棱形图5-28（a），镗孔后内孔呈正圆形图5-28（b），松开卡爪后内孔又变为三棱形图5-28（c）
30、。为减小夹紧变形，采用如图5-28（d）所示的开口过渡环或图5-28（e）所示的专用卡爪可使夹紧力均匀分布。图5-28 夹紧力引起的误差 2022-8-11河南科技大学机电工程学院405.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n（2）惯性力引起的加工误差图5-29 传动力对加工精度的影响zlRXYFpFcFcdFcdxra）OOr0XYFpAFcdrcd=Fcd/kcOFcFc/kcFp/kcb）O2022-8-11河南科技大学机电工程学院415.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统
31、的受力变形n（3）机床部件和工件本身重力引起的加工误差【例】龙门铣横梁解决1：重量转移解决2：变形补偿图5-32 龙门铣横梁变形补偿图5-30 龙门铣横梁变形图5-31 龙门铣横梁变形转移2022-8-11河南科技大学机电工程学院425.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n4减小工艺系统受力变形的途径n（1）合理的结构设计 n在设计工艺装备时，除应合理选择零件结构和截面形状外，还应尽量减少连接面的数量，并注意各部分刚度匹配。n（2）提高接触刚度。n常用的方法有：改善工艺系统主要零件接触面的配合质量；给机床部件预加载荷，如对轴承进行
32、预紧、滚珠丝杠螺母副的调整等。n（3）采用合理的装夹方式和加工方式，提高工艺系统刚度。n如车削细长轴时采用中心架或跟刀架增加支承以提高工件的刚度；采用反向车削细长轴，使工件由原来的轴向受压变为受拉，也可提高工件的刚度；当加工呈悬臂加工状态时，设法通过增加支承改成简支梁状态，提高刚度；在机床上安装工件时，尽量降低工件的重心。2022-8-11河南科技大学机电工程学院435.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n1工艺系统的热源n在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约4070%。n温度场工艺系统各部分温度分布n热平衡单
33、位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上n温 度场与热平衡研究目前以实验研究为主 工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热源辐射热2022-8-11河南科技大学机电工程学院445.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n2机床热变形引起的误差n体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长n结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著车、铣、钻、镗类机床，主要热源是主轴箱轴承的摩擦热和主轴箱中油池的发热，使主轴箱及与它相连接部分（如床身或立柱）的温度升高，从而引起主轴的抬高和倾斜。图5-33（a
34、）所示为车床热变形趋势。图5-33（b）所示万能铣床的热源也是主传动系统，由于左箱壁温度高也导致主轴线升高并倾斜。图5-33 常见机床的热变形趋势(a)车床；(b)卧式铣床 2022-8-11河南科技大学机电工程学院455n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n2机床热变形引起的误差磨床类机床通常都有液压传动系统并配有高速磨头，它的主要热源为砂轮主轴轴承的发热和液压系统的发热。主要表现在砂轮架位移，工件头架的位移和导轨的变形。其中，砂轮架的回转摩擦热影响最大，而砂轮架的位移，直接影响被磨工件的尺寸。对于大型机床如导轨磨床、外圆磨床、立式车床、龙门铣床等的长床身部件，机床床身的热变形将是影响
35、加工精度的主要因素。a）铣床受热变形形态b）外圆磨床受热变形形态c）导轨磨床受热变形形态图5-34 立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形2022-8-11河南科技大学机电工程学院465.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n3工件热变形引起的加工误差n1)工件均匀受热 LLtDDt式中 L，D 长度和直径热变形量；L，D 工件原有长度和直径；工件材料线膨胀系数；t 温升。5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性531.1 1040014.410()4.4()LLtmmm2022-8-11河南科技大学机电工程学院475.2 影响加工精度的
36、因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n2)工件不均匀受热 式中 X 变形挠度；L，S 工件原有长度和厚度；工件材料线膨胀系数；t 温升。28LtXS板类工件单面加工时的热变形（图板类工件单面加工时的热变形（图5-355-35）221.120003886000.022()LtXSmm此值已大于精密导轨平直度要求结果结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。例例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：图5-35 平面加工热变形X/4LS2022-8-11河南科技大学机电工程学院485.2 影响加工精度
37、的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n4刀具热变形引起的加工误差特点(min)图5-36 车刀热变形曲线连续切削升温曲线冷却曲线间断切削升温曲线（m）maxb0c0.63max变形曲线（图6-36）max1ce2022-8-11河南科技大学机电工程学院495.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n5减少热变形对加工精度影响的措施n减少热源发热和隔离热源 n减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。n充分冷却和强制冷却。n隔离热源。n加强散热能力 n增加散热面积或使用 强制性的风冷、水冷 n均衡温度场n立式平面
38、磨床立柱前壁温度高，产生后倾。n解决解决：采用热空气加热立柱后壁（图5-37）图5-37 均衡立柱前后壁温度场2022-8-11河南科技大学机电工程学院505.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n采用合理的机床结构 n热对称结构n热补偿结构图5-38，主轴热补偿n合理选择装配基准（图5-39）n控制环境温度n恒温n人体隔离n加速达到热平衡n高速空运转n人为加热图5-38 双端面磨床主轴热补偿1主轴 2壳体 3过渡套筒图5-39 支承距影响热变形L1L22022-8-11河南科技大学机电工程学院515.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度
39、的因素分析n5.2.5.工件内应力引起的变形工件内应力引起的变形n毛坯制造和热处理产生的残余应力（图5-40）n冷校直带来的残余应力n切削加工带来的残余应力n设计合理零件结构n 粗、精加工分开n 避免冷校直n 时效处理图5-41 冷校直引起的残余应力压拉加载压压拉拉卸载图5-40 铸件残余应力引起的变形2022-8-11河南科技大学机电工程学院525.3 保证和提高加工精度的主要措施保证和提高加工精度的主要措施n5.3.1 误差预防技术误差预防技术n1、误差预防技术的措施误差预防技术是指在源头直接采取减少原始误差或减少原始误差影响的措施.具体的措施有:n合理采用先进工艺和设备 n直接减少原始误
40、差法 n加工细长轴时采用中心架或跟刀架；采用反向进给切削，使轴向力对工件起拉伸作用，同时尾座改用可伸缩的弹性顶尖。n均分原始误差法 n将上工序加工的工件（或毛坯）按误差大小分为n组，然后按组分别调整加工 n转移原始误差法 n把影响加工精度的原始误差从敏感方向转移到非敏感方向或其它零部件上去 2022-8-11河南科技大学机电工程学院535.3 保证和提高加工精度的主要措施保证和提高加工精度的主要措施n5.3.1 误差预防技术误差预防技术n1、误差预防技术的措施n均化原始误差法 n如对于配合精度要求很高的轴和孔，常采用研磨方法来制造n就地加工法 n如为使牛头刨床、龙门刨床的工作台面分别对滑枕和横
41、梁保持很高的平行度，就在装配后在机床自身上进行“自刨自”的精加工。平面磨床的工作台面也是在装配后作“自磨自”的最终加工。图5-42 立轴转塔车床刀架转位误差的转移2022-8-11河南科技大学机电工程学院545.3 保证和提高加工精度的主要措施保证和提高加工精度的主要措施n5.3.2 误差补偿技术误差补偿技术误差补偿的方法就是人为地制造一种新的原始误差去抵消当前成为问题的原有的原始误差，并应尽量使两者大小相等，方向相反，从而达到减少加工误差，提高加工精度的目的。n1、误差补偿法 在横梁导轨制造时故意使导轨面产生向上凸的几何形状误差，从而抵消由于铣头自重产生向下的弯曲变形，保证加工精度。图5-4
42、3 龙门铣床横梁导轨预加变形 2022-8-11河南科技大学机电工程学院555.3 保证和提高加工精度的主要措施保证和提高加工精度的主要措施n5.3.2 误差补偿技术误差补偿技术n2控制误差法 n对于变值系统误差的补偿就不是用一种固定的补偿量所能解决的。于是生产中就发展了所谓积极控制的误差补偿技术，又叫控制误差法。在加工循环中，利用测量装置连续地测量出工件的实际尺寸，随时给刀具以附加的补偿量以控制刀具和工件间的相对位置，直至实际值与调定值的差不超过预定的公差为止。这样，工件尺寸的变动范围始终在自动控制之中。现代机械加工中的在线测量和在线补偿就属于这种形式。图5-44 精密丝杠螺距误差补偿装置2
43、022-8-11河南科技大学机电工程学院565.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.1 加工误差的分类加工误差的分类在顺序加工一批工件中，其大小和方向均不改变，或按一定规律变化的加工误差。n常值系统误差其大小和方向均不改变。如机床、夹具、刀具的制造误差，工艺系统在均匀切削力作用下的受力变形，调整误差，机床、夹具、量具的磨损等因素引起的加工误差。n 变值系统误差误差大小和方向按一定规律变化。如机床、夹具、刀具在热平衡前的热变形，刀具磨损等因素引起的加工误差。加工误差系统误差随机误差常值系统误差变值系统误差2022-8-11河南科技大学机电工程学院575.4加工误差的统计分析加工误差的
44、统计分析n5.4.1 加工误差的分类加工误差的分类n在顺序加工一批工件中，其大小和方向随机变化的加工误差。n 随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的。n随机误差服从统计学规律。n如毛坯余量或硬度不均，引起切削力的随机变化而造成的加工误差；定位误差；夹紧误差；残余应力引起的变形等。n运用数理统计原理和方法，根据被测质量指标的统计性质，对工艺过程进行分析和控制。2022-8-11河南科技大学机电工程学院585.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法分布曲线分析法是将测量加工后所得一批工件的实际尺寸或误差，根据测量结果作出该批工件尺寸或误差的分布图
45、，按照此图来分析和判断加工误差的情况。n1实际分布曲线n1）采集数据n 样本容量通常取 n=50200n2）确定分组数、组距、组界、组中值n 初选分组数 k；n 确定组距 d：n 确定分组数 kn 确定各组组界、组中值n 统计各组频数2022-8-11河南科技大学机电工程学院595.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n3）计算样本平均值和标准差:n计算该样本的统计数字特征：平均值和标准偏差。是为了进一步分析该工序的加工精度情况，可在实际分布图上标出该工序的加工公差带位置，并比较。n4）以组中值Xj代替组内零件实际值，绘制图5-45为实际分布曲线折线
46、图（由直方图的组中值连线而得）。n样本的平均值 表示该样本的尺寸分散中心，它主要决定于调整尺寸的大小和常值系统性误差。11niixxn2111niisxxnXX2022-8-11河南科技大学机电工程学院605.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法1127.9979niiiXX mn图5-45 活塞销孔直径尺寸实际分布图 公差范围中心：LM280.015/227.9925mm;常值系统误差：cx27.997927.99250.0054mm；样本的标准偏差反映了该批工件的尺寸分散程度，它是由变值系统误差和随机误差决定的。该误差大，也大；误差小，也小。由图
47、5-45看出，部分工件的尺寸超出了公差范围，即废品（实际分布曲线图中阴影部分）；但这批工件的分散范围0.012mm比公差带0.015小，说明实际加工能力比图纸要求的要高：T6。之所以出现了废品，是由于有系统误差cx0.0054存在。如果能设法将分散中心调整到公差范围中心，工件就完全合格。2022-8-11河南科技大学机电工程学院615.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n2理论分布曲线n1）正态分布2121,02xyex yF（z）图5-46 正态分布曲线(z=0)x(z)0z-+式中和分别为 正态分布随机变量总体平均值和标准差。平均值=0，标准差
48、=1的正态分布称为标准正态分布，记为：x N(0,1)2022-8-11河南科技大学机电工程学院625.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n65.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n1）正态分布2121()2xxF xedxxz令：221()02zzF zed z则利用上式，可将非标准正态分布转换成标准正态分布进行计算（图5-47）yF（z）图5-47 正态分布曲线(z=0)x(z)0z-+2022-8-11河南科技大学机电工程学院635.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n1）正态分布n正态分布的概率密度函数有两个特征参数 图5-46可以看
49、出，当x时，这是曲线的最大值，也是曲线的分布中心。在它左右的曲线是对称的。正态分布总体的和通常是不知道的，但可以通过它的样本平均值和样本标准偏差来估计。即用样本的 代替总体的，用样本的代替总体的。表征分布曲线位置的参数是 。当不变时，改变 值，分布曲线沿横坐标移动，但形状不变，如图5-48（a）所示。是表征分布曲线形状的参数。当 不变时改变，曲线形状发生变化，如图5-48（b）所示。可见，反映了随机变量的分散程度，其大小完全由随机误差所决定。(a)不变，变化时的情形 (b)不变，变化时的情形图5-48 、对正态分布曲线的影响xxxmax1/2yxxxx2022-8-11河南科技大学机电工程学院
50、645.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n2）非正态分布曲线xy0a）双峰分布xy0b）平顶分布xy0c）偏向分布图5-49 几种非正态分布 双峰分布：两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起（图5-49a）平顶分布：工件瞬时尺寸分布呈正态，其算术平均值近似成线性变化（如刀具和砂轮均匀磨损）（图5-49b）偏向分布：如工艺系统存在显著的热变形，或试切法加工孔时宁小勿大，加工外圆时宁大勿小（图5-49c）2022-8-11河南科技大学机电工程学院655.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n3分布
