1、实验二实验二 机械加工精度分析机械加工精度分析 中国地质大学（北京）中国地质大学（北京）机械工程实验教学中心机械工程实验教学中心 吕战竹吕战竹实验二实验二 机械加工精度分析机械加工精度分析 一、机械加工精度概述一、机械加工精度概述二、工艺系统几何误差二、工艺系统几何误差三、调整误差三、调整误差四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差五、工艺系统受热变形引起的误差五、工艺系统受热变形引起的误差六、内应力重新分布引起的误差六、内应力重新分布引起的误差七、实验目的与内容七、实验目的与内容一一、机械加工精度概述、机械加工精度概述（一）概述（一）概述1.1.加工精度与加工误差加工精度
2、与加工误差加工精度加工精度：零件加工后的实际几何参数（尺寸、：零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与形状和位置）与理想几何参数理想几何参数的的。加工误差：加工误差：零件加工后的实际几何参数（尺寸、零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）对理想几何参数的形状和位置）对理想几何参数的。（一）概述（一）概述2.原始误差原始误差 工艺系统存在着误差是引起加工误差的根工艺系统存在着误差是引起加工误差的根本原因，将工艺系统的误差称为原始误差。本原因，将工艺系统的误差称为原始误差。包括包括工艺系统的几何误差、定位误差、受力变形引起的加工艺系统的几何误差、定位误差、受力变形引起的加工误差、受热变形
3、引起的加工误差、内应力重新分布引起工误差、受热变形引起的加工误差、内应力重新分布引起的变形以及原理误差、调整误差和测量误差等。的变形以及原理误差、调整误差和测量误差等。原理误差原理误差 工件装夹误差工件装夹误差 调整误差调整误差 机床误差机床误差 夹具误差夹具误差 刀具制造误差刀具制造误差刀具磨损刀具磨损工艺系统受力变形工艺系统受力变形工艺系统受热变形工艺系统受热变形内应力引起的变形内应力引起的变形测量误差测量误差加工前加工前加工中加工中加工后加工后与初始状态有关与初始状态有关与工艺过程有关与工艺过程有关工艺系统工艺系统静误差静误差工艺系统工艺系统动误差动误差（一）概述（一）概述3.3.误差敏
4、感方向误差敏感方向RYRRR=X202YYRRXRX 显然：XYRR 误差敏感方向YR0Xa）YR0Xb）二、工艺系统几何误差二、工艺系统几何误差1 1、机床的几何误差、机床的几何误差机床、刀具、夹具的几何误差机床、刀具、夹具的几何误差主轴回转误差、导轨误差、传动链误差主轴回转误差、导轨误差、传动链误差（1）主轴回转误差：主轴各瞬间实际回转轴）主轴回转误差：主轴各瞬间实际回转轴线对其理想回转轴线的变动量。可分解为线对其理想回转轴线的变动量。可分解为径径向圆跳动向圆跳动、轴向窜动轴向窜动和和角度摆动角度摆动三种形式。三种形式。1 1、机床的几何误差、机床的几何误差（2）导轨误差）导轨误差导轨副运
5、动件实际运动方向与理想运动方向的偏差此外，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。导轨精度要求包括：在水平面内的直线度；在垂直面内的直线度；前后导轨的平行度（扭曲）；导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等。1 1、机床的几何误差、机床的几何误差（3）传动链误差）传动链误差指传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差。主要影响刀具与工件之间速比关系的准确性（如螺纹、齿轮加工时），一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。以滚齿机为例减小传动链误差的措施减小传动链误差的措施:1）尽可能缩短传动链，减少误差源数2）尽可能降速传动，并使末端传动副采用大的降速比，且要提高末端传动件的精度3）提
6、高传动元件的制造精度和装夹精度，减小误差源，特别是升速传动元件。此外，还可采用传动误差补偿装置4211nnjnjjjjK（5-2）111180282828421202828285672neaciKfbd 差2 2、刀具的几何误差、刀具的几何误差 定尺寸刀具定尺寸刀具的尺寸和形状误差影响加工的尺寸和形状误差影响加工尺寸和形状精度尺寸和形状精度 成形刀具成形刀具的形状误差和安装误差影响加工的形状误差和安装误差影响加工形状精度形状精度 展成刀具展成刀具的尺寸、形状及安装误差影响加工的尺寸、形状及安装误差影响加工形状精度形状精度 一般刀具一般刀具的制造误差的制造误差不直接影响不直接影响加工精度加工精度
7、 刀具磨损刀具磨损对加工精度的影响对加工精度的影响三个阶段：三个阶段：初期磨损阶段初期磨损阶段正常磨损阶段正常磨损阶段急剧磨损阶段急剧磨损阶段000()10001000KllK l刀具正常磨损量刀具正常磨损量 （5-3）O l0 l l切削路程 l/m0尺寸磨损量/m图5-9 刀具的尺寸磨损与切削路程的关系3 3、夹具的几何误差、夹具的几何误差1）定位误差；2）刀具导向（对刀）误差；3）夹紧误差；4）夹具制造误差；5）夹具安装误差；通常取精加工夹具公差为工件上相应尺寸公差的1/21/3，粗加工夹具则取1/51/10。三、调整误差三、调整误差1 1、试切法调整、试切法调整调整调整机床、刀具、夹具
8、机床、刀具、夹具的过程中产生的误差的过程中产生的误差度量误差、加工余量的影响、微进给误差度量误差、加工余量的影响、微进给误差2 2、按定程机构调整、按定程机构调整3 3、按样件或样板调整、按样件或样板调整四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差1 1、基本概念、基本概念机械加工工艺系统在力的作用下产生变形，破坏了工件机械加工工艺系统在力的作用下产生变形，破坏了工件与刀具之间正确的相对位置，产生加工误差。与刀具之间正确的相对位置，产生加工误差。四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差1 1、基本概念、基本概念工艺系统刚度：加工误差敏感方向上工艺系统所受径向
9、切削分力与变形量之比pFky系式中 Fp径向切削分力（背向力、吃刀抗力）；y 工艺系统在切削合力作用下的变形。fpcFFFyyyy四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差2 2、工件刚度、工件刚度工件刚度对加工精度的影响细长轴加工细长轴加工四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差3 3、刀具刚度、刀具刚度刀具刚度对加工精度的影响内孔加工内孔加工四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差4 4、机床部件刚度、机床部件刚度（1）机床部件刚度及其特点v 非线形关系，不完全是弹性变形v 加载和卸载曲线不重合，所围面积表示克服摩擦和接触变形所作的
10、功v 存在残余变形，反复加载卸载后残余变形0v 机床部件刚度比按实体估算值小许多，表明其变形受多种因素影响四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差4 4、机床部件刚度、机床部件刚度（2）影响机床部件刚度的因素1）结合面接触变形的影响2）摩擦力的影响3）低刚度零件的影响4）间隙的影响表面粗糙度、宏观几何形状表面粗糙度、宏观几何形状误差、材料硬度、纹理方向。误差、材料硬度、纹理方向。四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差5 5、工艺系统刚度及其对加工精度的影响、工艺系统刚度及其对加工精度的影响11111kkkkk刀工系夹机工艺系统刚度的倒数等于各组成部分刚
11、度的倒数之和。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：yyyyy刀工系夹机一般情况下，常见工艺系统的低刚度环节如下：1）对于车床，k头架 k尾架 k刀架；车细长轴时，k工件最小。2）对于卧式铣床，k升降台 k工作台 k主轴 k刀杆。3）对于镗床，k镗杆最小。4）对于内圆磨床，k磨杆最小。工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差xyyy系刀架p221111Fkylxxkklkl系系尾刀架主11111kkkkk刀工系夹机221111lxxkkklkl尾系刀架主即即比较式（比较
12、式（5-6）22p111lxxFkklkl尾刀架主工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差【例5-1】经测试，某车床的k主=300000N/mm，k尾56600N/mm，k刀架30000N/mm，在加工长度为 l 的刚性轴时，径向切削分力Fp400N，试计算该轴加工后的圆柱度误差。22p111lxxyFkklkl系尾刀架主令a=k主/k尾，则x=l/(1+a)时，y系最小：p111ayFkka系min刀架主工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差 由于工件变形，使工件加工后成鼓形 223pF
13、lxxyE Il工式中 E 工件材料的弹性模量；I 工件截面的惯性矩。工件变形：工件变形：工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差考虑工件变形时的工艺系统总变形考虑工件变形时的工艺系统总变形2222p1113xlxxlxxyyyyFkklklEIl工系刀架尾刀架主p222211113FkylxxlxxkklklEIl系系尾刀架主工艺系统刚度则为工艺系统刚度则为工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（2）由于切削力变化引起的误差以椭圆车削为例说明误差复映可用误差复映系数来表示：误差复映：由于工艺系统受力变形量的变化，使毛坯误差
14、部分地反映到工件上，此种现象称为“误差复映”工毛工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（2）由于切削力变化引起的误差1212121ppppCyyFFaakk工毛系系利用误差复映系数可由毛坯误差估算加工后的工件误差利用误差复映系数可由毛坯误差估算加工后的工件误差Ck系机械加工中，误差复映系数通常小于1，定量地反映了毛坯误差经加工后减小的程度。可通过多次走刀，消除误差复映的影响。123n 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（2）由于切削力变化引起的误差误差复映概念的推广：误差复映概念的推广：1）每一件毛坯的误差都会因切削余量不均匀而复映）每一件毛坯的误差都会
15、因切削余量不均匀而复映2）工艺系统刚度低的场合，误差复映现象较明显）工艺系统刚度低的场合，误差复映现象较明显3）大批量生产中，有必要查明误差复映的大小）大批量生产中，有必要查明误差复映的大小工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（3）由于夹紧变形引起的误差（4）其它作用力的影响如：重力、惯性力、传动力等如：重力、惯性力、传动力等a）b）图5-21 夹紧力引起的加工误差五、工艺系统受热变形引起的误差五、工艺系统受热变形引起的误差1 1、工艺系统的热源、工艺系统的热源（1）内部热源）内部热源 1）切削热 2）摩擦热和能量损耗 3）派生热源（2）外部热源）外部热源 1）环境温度 2
16、）辐射热刀具、工件变形某个关键部位变形机床其它部位变形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%。五、工艺系统受热变形引起的误差五、工艺系统受热变形引起的误差2 2、工件热变形对加工精度的影响、工件热变形对加工精度的影响（1）工件均匀受热（轴类零件处于相对稳定的温度场中）工件均匀受热（轴类零件处于相对稳定的温度场中）5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性51.171040010.0047()4.7()LLmmm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；温升。LLDD五、工艺系统受热变形引起的误差五、工艺系统受热变形引
17、起的误差2 2、工件热变形对加工精度的影响、工件热变形对加工精度的影响（2）工件不均匀受热（）工件不均匀受热（板类工件单面加工时）式中 f 工件凸起量（变形挠度）；L，H 工件原有长度和厚度；工件材料线膨胀系数；上下表面之间的温差。28LfH图5-24 平面加工热变形 f/4LH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，冷却后工件上表面下凹。措施措施：控制上下表面的温差。五、工艺系统受热变形引起的误差五、工艺系统受热变形引起的误差3 3、刀具热变形对加工精度的影响、刀具热变形对加工精度的影响特点A连续切削变形曲线连续切削变形曲线B冷却变形曲线冷却变形曲线C间断切削变形曲线
18、间断切削变形曲线五、工艺系统受热变形引起的误差五、工艺系统受热变形引起的误差4 4、机床热变形对加工精度的影响、机床热变形对加工精度的影响结构复杂，热源分布不均匀，工作条件变化大，机床各部分的温升不同，影响加工精度。车、铣、钻、镗等机床，主要热源为车、铣、钻、镗等机床，主要热源为主轴箱的发热主轴箱的发热五、工艺系统受热变形引起的误差五、工艺系统受热变形引起的误差4 4、机床热变形对加工精度的影响、机床热变形对加工精度的影响牛头刨、龙门刨、立车等机床，主要热源为牛头刨、龙门刨、立车等机床，主要热源为工作台与工作台与床身导轨间的摩擦热床身导轨间的摩擦热五、工艺系统受热变形引起的误差五、工艺系统受热
19、变形引起的误差4 4、机床热变形对加工精度的影响、机床热变形对加工精度的影响磨床的主要热源为磨床的主要热源为磨头轴承和液压系统的发热磨头轴承和液压系统的发热六、内应力重新分布引起的误差六、内应力重新分布引起的误差1 1、基本概念、基本概念内应力：没有外力作用而存内应力：没有外力作用而存在于零件内部的应力在于零件内部的应力2 2、内应力的产生、内应力的产生（1）热加工中内应力的产生）热加工中内应力的产生（2）冷校直产生的内应力）冷校直产生的内应力六、内应力重新分布引起的误差六、内应力重新分布引起的误差3 3、减小内应力变形误差的途径、减小内应力变形误差的途径（1）改进零件结构）改进零件结构（2）
20、增设消除内应力的热处理工序）增设消除内应力的热处理工序（3）合理安排工艺过程）合理安排工艺过程七、实验目的与内容七、实验目的与内容（一）实验目的（一）实验目的：1、学会机械加工精度的测量方法和仪器使用；、学会机械加工精度的测量方法和仪器使用；2深入理解原始误差对机械加工精度的影响；深入理解原始误差对机械加工精度的影响；3锻炼实验设计能力和动手能力。锻炼实验设计能力和动手能力。七、实验目的与内容七、实验目的与内容（二）实验内容：（二）实验内容：1、工艺参数的选取及实验方案的设计；、工艺参数的选取及实验方案的设计；2、实际工件的车削加工；、实际工件的车削加工；3、工件形状误差测量曲线及数据分析；、工件形状误差测量曲线及数据分析；4、分析工件形状误差的产生原因及影响因素；、分析工件形状误差的产生原因及影响因素；5、思考本次实验所用测量方法的不足之处。、思考本次实验所用测量方法的不足之处。
