1、第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社第4章 机械加工精度控制4.1 影响机械加工精度的因素4.2 工艺系统的几何误差及磨损4.3 工艺系统受力变形4.4 工艺系统热变形4.5 其他影响加工精度的因素及其改进措施4.6 加工误差的统计学分析4.7 控制加工精度的途径第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社4.1影响机械加工精度的因素加工精度加工精度是零件机械加工质量的重要指标，直接影响整台机器的是零件机械加工质量的重要指标，直接影响整台机器的工作性能和使用寿命。工作性能和使用寿命。深入研究影响加工精度的各种因素及其规律，探究提高和保证加深入研究
2、影响加工精度的各种因素及其规律，探究提高和保证加工误差的措施和方法是机械制造工艺学研究的重要内容。工误差的措施和方法是机械制造工艺学研究的重要内容。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社1.影响机械加工精度的因素影响机械加工精度的因素研究提高加工精度的工艺措施要从减少加工误差入手。研究提高加工精度的工艺措施要从减少加工误差入手。加工误差加工误差是指零件加工的实际几何参数相对理想几何参数的偏是指零件加工的实际几何参数相对理想几何参数的偏离程度。离程度。按照几何参数类型可将加工误差分类为按照几何参数类型可将加工误差分类为尺寸加工误差尺寸加工误差、形状加形状加工误差工误差和
3、和位置加工误差位置加工误差。尺寸加工误差、形状加工误差和位置加工误差分别是加工零件尺寸加工误差、形状加工误差和位置加工误差分别是加工零件的实际尺寸、形状和位置相对理想的尺寸、形状和位置的偏差。的实际尺寸、形状和位置相对理想的尺寸、形状和位置的偏差。在机械加工中，零件的尺寸、几何形状和表面间相对位置的形在机械加工中，零件的尺寸、几何形状和表面间相对位置的形成，取决于工件和刀具在切削过程中的相互位置关系，而工件安装成，取决于工件和刀具在切削过程中的相互位置关系，而工件安装在夹具上，夹具和刀具安装于机床之上，机床、夹具、刀具和工件在夹具上，夹具和刀具安装于机床之上，机床、夹具、刀具和工件组成工艺系统
4、。组成工艺系统。直接或间接影响机械加工工艺系统的因素直接或间接影响机械加工工艺系统的因素都将影响机械加工精都将影响机械加工精度。度。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社将工艺系统中能够直接引起加工误差的因素统称为将工艺系统中能够直接引起加工误差的因素统称为原始误差原始误差。原始误差中的一部分与工艺系统的初始状态有关，即零件未加工之原始误差中的一部分与工艺系统的初始状态有关，即零件未加工之前工艺系统本身就具有的某些误差因素，称为前工艺系统本身就具有的某些误差因素，称为与工艺系统的初始状态有与工艺系统的初始状态有关的原始误差关的原始误差，或称，或称几何误差几何误差。而另
5、一部分原始误差与加工过程有关，即受到力、热、磨损等原因而另一部分原始误差与加工过程有关，即受到力、热、磨损等原因的影响，工艺系统原有精度受到破坏而产生的附加误差因素，称为的影响，工艺系统原有精度受到破坏而产生的附加误差因素，称为与加与加工过程有关的原始误差工过程有关的原始误差，或，或动误差动误差。机械加工过程中可能出现的原始误差如图机械加工过程中可能出现的原始误差如图4.1所示。所示。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社原始误差产生加原始误差产生加工误差的根源工误差的根源工艺系统静误差工艺系统静误差主轴
6、回转误差主轴回转误差导轨误差导轨误差传动链误差传动链误差一般刀具一般刀具定尺寸刀具定尺寸刀具成形刀具成形刀具展成法刀具展成法刀具 试切法试切法调整法调整法外力作用点变化外力作用点变化外力方向变化外力方向变化外力大小变化外力大小变化机床几何误差机床几何误差工艺系统几何误差工艺系统几何误差原理误差原理误差调整误差调整误差测量误差测量误差定位误差定位误差工艺系统动误差工艺系统动误差工艺系统力变形工艺系统力变形工艺系统热变形工艺系统热变形工艺系统内应力变形工艺系统内应力变形刀具几何误差刀具几何误差夹具几何误差夹具几何误差机床热变形机床热变形工件热变形工件热变形刀具热变形刀具热变形第4章 机械加工精度控
7、制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社dRR+RRYoDRZ原始误差与加工误差的关系原始误差与加工误差的关系(以车削为例以车削为例)切向误差切向误差 径向误差径向误差第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社2.加工误差及误差敏感方向加工误差及误差敏感方向以图以图4.2车削外圆为例，工件车削外圆为例，工件的回转中心为的回转中心为O，刀尖的理想位，刀尖的理想位置在置在A处，工件理想半径处，工件理想半径R0OA。假设各种原始误差的综合影假设各种原始误差的综合影响使刀尖的位置偏离到，实际加响使刀尖的位置偏离到，实际加工工件半径工工件半径R OA。AA即为原即为原始误差始误差
8、，它与，它与OA间的夹角为间的夹角为。因而工件半径上因而工件半径上(即工序尺寸即工序尺寸方向上方向上)的加工误差的加工误差R 为为02002202coscos2RRRROAAOR第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社分析可知，当原始误差的方分析可知，当原始误差的方向为加工表面的法向方向时，即向为加工表面的法向方向时，即0，引起的加工误差最大，引起的加工误差最大.。当原始误差的方向为加工表当原始误差的方向为加工表面的切线方向时，即面的切线方向时，即90，引，引起的加工误差最小，通常可以忽起的加工误差最小，通常可以忽略。略。022RR022RR022RR022RR原始误差
9、对加工精度影响最大的方向称为原始误差对加工精度影响最大的方向称为误差的敏感方向误差的敏感方向，而原始误，而原始误差对加工精度影响最小的方向称为差对加工精度影响最小的方向称为误差的不敏感方向误差的不敏感方向。一般加工表面的法。一般加工表面的法线方向为误差敏感方向，而加工表面的切线方向为误差非敏感方向。通常线方向为误差敏感方向，而加工表面的切线方向为误差非敏感方向。通常在研究工艺系统的加工精度时，在研究工艺系统的加工精度时，主要研究误差敏感方向的精度主要研究误差敏感方向的精度。原始误差方向与工序尺寸方向相正交时，原始误差对加工方向的精度原始误差方向与工序尺寸方向相正交时，原始误差对加工方向的精度几
10、乎没有影响。几乎没有影响。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社加工中引起机床误差的原因主要有加工中引起机床误差的原因主要有机床的制造误差机床的制造误差、安装误差安装误差及及其其磨损磨损等三个方面。等三个方面。这里着重分析对工件加工精度影响较大的主轴回转误差、导轨导这里着重分析对工件加工精度影响较大的主轴回转误差、导轨导向误差和传动链误差。向误差和传动链误差。4.2工艺系统的几何误差及磨损4.2.1机床误差机床误差第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社1机床主轴回转运动误差机床主轴回转运动误差1)主轴回转误差的概念主轴回转误差的概念机床主轴回
11、转时，在主轴的任一截面上速度始终为零的点为理想回机床主轴回转时，在主轴的任一截面上速度始终为零的点为理想回转中心。理想的回转中心在空间相对刀具或工件的位置是固定不变的。转中心。理想的回转中心在空间相对刀具或工件的位置是固定不变的。主轴各截面回转中心的连线称为回转轴线。主轴各截面回转中心的连线称为回转轴线。主轴回转误差主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对于理想回转轴线的最大变是指主轴实际回转轴线相对于理想回转轴线的最大变动量。动量。显然变动量越小，即主轴回转误差越小，主轴回转精度越高；反之显然变动量越小，即主轴回转误差越小，主轴回转精度越高；反之越低。越低。主轴理想的回转轴线是一条在空间位置不变
12、的回转轴线。主轴理想主轴理想的回转轴线是一条在空间位置不变的回转轴线。主轴理想的回转轴线是客观存在的，但现实中难以确定其位置，通常以主轴各瞬的回转轴线是客观存在的，但现实中难以确定其位置，通常以主轴各瞬时回转轴线的平均位置作为主轴轴线，也称为时回转轴线的平均位置作为主轴轴线，也称为平均轴线平均轴线。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社2)主轴回转误差的表现形式主轴回转误差的表现形式为便于分析和研究，主轴回转运动误差可以分解为三种基本形式：为便于分析和研究，主轴回转运动误差可以分解为三种基本形式：轴向跳动轴向跳动、径向跳动径向跳动、角度摆动角度摆动。轴向跳动轴向跳动：
13、瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动，如图：瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动，如图4.3(a)所示。主轴的轴向跳动对工件的圆柱面加工没有影响，主要影响所示。主轴的轴向跳动对工件的圆柱面加工没有影响，主要影响端面形状、轴向尺寸精度端面垂直度。主轴存在轴向跳动误差时，车削端面形状、轴向尺寸精度端面垂直度。主轴存在轴向跳动误差时，车削加工螺纹会将使加工后的螺旋产生螺距误差。加工螺纹会将使加工后的螺旋产生螺距误差。径向跳动径向跳动：瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动：瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动，如图，如图4.3(b)所示。主轴的纯径向跳动会使工件产生圆柱
14、度误差，对加所示。主轴的纯径向跳动会使工件产生圆柱度误差，对加工端面基本没有影响。但加工方法不同，所引起的加工误差形式和程度工端面基本没有影响。但加工方法不同，所引起的加工误差形式和程度也不同。也不同。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社纯角度摆动纯角度摆动：瞬时回转轴线与平均回转轴线方向成一倾斜角度，但：瞬时回转轴线与平均回转轴线方向成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动，如图其交点位置固定不变的运动，如图4.3(c)所示。所示。主轴的角度摆动不仅影响工件加工表面的圆柱度误差，而且影响工主轴的角度摆动不仅影响工件加工表面的圆柱度误差，而且影响工件端面误差。件端面
15、误差。实际上，主轴回转误差是三种基本形式误差综合作用的结果，见图实际上，主轴回转误差是三种基本形式误差综合作用的结果，见图4.3(d)。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社3)影响主轴回转精度的主要因素影响主轴回转精度的主要因素可以产生主轴回转误差因素较多，主要来可以产生主轴回转误差因素较多，主要来自于零件加工和整机装配。因主轴结构不同，自于零件加工和整机装配。因主轴结构不同，因素也不同，主轴回转误差亦不同，往往需要因素也不同，主轴回转误差亦不同，往往需要具体问题具体分析。具体问题具体分析。这里主要探讨主轴径向误差的影响。为了这里主要探讨主轴径向误差的影响。为了讨论
16、问题方便将主轴结构简化处理，将其处理讨论问题方便将主轴结构简化处理，将其处理成轴孔与轴颈配合的简单结构。成轴孔与轴颈配合的简单结构。车床、外圆磨床等工件回转类机床切削加工过车床、外圆磨床等工件回转类机床切削加工过程中，程中，切削力切削力的方向相对机床床身大致不变，相对的方向相对机床床身大致不变，相对主轴孔大致不变，所以主轴孔大致不变，所以主轴转动过程中主轴轴颈的主轴转动过程中主轴轴颈的圆周不同部位都将有机会与主轴孔的某一固定部位圆周不同部位都将有机会与主轴孔的某一固定部位相接触相接触。这种情况使得主轴颈的圆度误差对加工误差影这种情况使得主轴颈的圆度误差对加工误差影响较大，而主轴孔的圆度误差影响
17、较小。响较大，而主轴孔的圆度误差影响较小。如图如图4.4(a)所示，假如主轴孔为理想轴孔，主所示，假如主轴孔为理想轴孔，主轴颈为椭圆形时，主轴径向跳动误差为轴颈为椭圆形时，主轴径向跳动误差为。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社镗床等刀具回转类机床镗床等刀具回转类机床切削加工过切削加工过程中，切削力的方向相对主轴（镗刀杆程中，切削力的方向相对主轴（镗刀杆）大致不变，所以主轴转动过程中主轴）大致不变，所以主轴转动过程中主轴轴颈的的某一固定部位将始终与主轴孔轴颈的的某一固定部位将始终与主轴孔圆周不同部位相接触。圆周不同部位相接触。这种情况使得主轴孔的圆度误差对这种情况使
18、得主轴孔的圆度误差对加工误差影响较大，而主轴颈的圆度误加工误差影响较大，而主轴颈的圆度误差影响较小，如图差影响较小，如图4.4(b)所示所示,主轴径向主轴径向跳动误差为跳动误差为。4)提高主轴回转精度的措施提高主轴回转精度的措施(1)提高主轴部件的制造精度和装配精度。提高主轴部件的制造精度和装配精度。(2)当主轴采用滚动轴承时，应对其适当预紧，使消除轴承间隙当主轴采用滚动轴承时，应对其适当预紧，使消除轴承间隙，增加轴承刚度，均化误差，可提高主轴的回转精度。，增加轴承刚度，均化误差，可提高主轴的回转精度。(3)采用运动和定位分离的主轴结构，可减小主轴误差对零件加采用运动和定位分离的主轴结构，可减
19、小主轴误差对零件加工的影响，使主轴的回转精度不反映到工件上去。实际生产中，通常工的影响，使主轴的回转精度不反映到工件上去。实际生产中，通常采用两个固定顶尖支承定位加工，主轴只起传动作用，如外圆磨床。采用两个固定顶尖支承定位加工，主轴只起传动作用，如外圆磨床。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社2导轨导向误差导轨导向误差导轨是机床实现成形运动法加工的基准。导轨误差直接影响加工导轨是机床实现成形运动法加工的基准。导轨误差直接影响加工精度。导轨导向误差是指机床导轨副的运动件实际运动方向与理想运精度。导轨导向误差是指机床导轨副的运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差值。动方
20、向的偏差值。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、导轨在垂直面内的直线度、前后导轨的平行度面内的直线度、导轨在垂直面内的直线度、前后导轨的平行度(即扭曲即扭曲度度)等。等。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社1)导轨在水平面内直线度误差的影响导轨在水平面内直线度误差的影响卧式车床在水平面内存在直线度误差卧式车床在水平面内存在直线度误差Y，见图，见图4.5(a)，则车刀，则车刀尖的直线运动轨迹也要产生直线度误差尖的直线运动轨迹也要产生直线度误差Y，从而造成工件圆柱度误，从而造成工件
21、圆柱度误差，差，R=Y，如图，如图4.5(b)所示。所示。这表明这表明水平方向是卧式车床加工误差对导轨误差的敏感方向水平方向是卧式车床加工误差对导轨误差的敏感方向。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社外圆磨床情况与卧式车床类似。外圆磨床情况与卧式车床类似。而平面磨床、龙门刨床的加工误差对导轨误差的敏感方向在铅锤而平面磨床、龙门刨床的加工误差对导轨误差的敏感方向在铅锤方向上，故平面磨床、龙门刨床、铣床等设备加工误差对导轨在水平方向上，故平面磨床、龙门刨床、铣床等设备加工误差对导轨在水平面内的直线度误差不敏感。面内的直线度误差不敏感。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺
22、学 常同立等 清华大学出版社2)导轨在垂直面内直线度误差的影响导轨在垂直面内直线度误差的影响 卧式车床在垂直面内存在直线度误差卧式车床在垂直面内存在直线度误差Z，见图，见图a，则车刀尖的直，则车刀尖的直线运动轨迹也要产生直线度误差线运动轨迹也要产生直线度误差Z，从而造成工件圆柱度误差，从而造成工件圆柱度误差，R=Z2/(2R)=Z2/d,见见图图b说明说明卧式车床对导轨在垂直面内直线度误差不敏感卧式车床对导轨在垂直面内直线度误差不敏感。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社外圆磨床外圆磨床情况与卧式车床类似。情况与卧式车床类似。由于由于平面磨床平面磨床、龙门刨床龙门刨
23、床的加工误差对导轨误差的敏感方向在铅的加工误差对导轨误差的敏感方向在铅锤方向上，所以平面磨床、龙门刨床、铣床等设备的导轨在垂直面内锤方向上，所以平面磨床、龙门刨床、铣床等设备的导轨在垂直面内的直线度误差将直接反映被加工件的表面，造成加工误差。的直线度误差将直接反映被加工件的表面，造成加工误差。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社3)导轨面间平行度误差的导轨面间平行度误差的影响影响卧式车床两导轨间存在平卧式车床两导轨间存在平行度误差时，将使床鞍产生横行度误差时，将使床鞍产生横向倾斜，引起刀架和工件的相向倾斜，引起刀架和工件的相对位置发生偏斜，刀尖的运动对位置发生偏斜，
24、刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，从而引轨迹是一条空间曲线，从而引起工件产生形状误差。起工件产生形状误差。根据图根据图4.7几何关系，可知几何关系，可知因导轨平行度误差所引起的工因导轨平行度误差所引起的工件半径的加工误差件半径的加工误差R=H/B一般车床一般车床H/B约为约为2/3，外，外圆磨床圆磨床H/B约为约为1，因此导轨间，因此导轨间的平行度误差对加工精度影响的平行度误差对加工精度影响很大。很大。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社 若车床导轨与主轴回转轴线在若车床导轨与主轴回转轴线在水平面水平面内有内有平行度误差平行度误差，车出的内外圆，车出的内外圆柱面就产生柱
25、面就产生锥度锥度；若在若在垂直面垂直面内有内有平行度误差平行度误差，则圆柱面成，则圆柱面成双曲线回转体双曲线回转体,因是误差非因是误差非敏感方向故可略。敏感方向故可略。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社4)导轨误差产生的原因导轨误差产生的原因导轨误差主要来自于导轨误差主要来自于机床安装机床安装、机床制造机床制造、机床变形机床变形(在重力作在重力作用下），以及机床使用中的磨损。用下），以及机床使用中的磨损。机床的安装机床的安装(包括安装地基和安装方法包括安装地基和安装方法)对导轨的原有精度影响非对导轨的原有精度影响非常大，一般远大于导轨的制造误差。常大，一般远大于导
26、轨的制造误差。特别是龙门刨床、龙门铣床和导轨磨床等，其床身导轨的刚性较特别是龙门刨床、龙门铣床和导轨磨床等，其床身导轨的刚性较差，在自重的作用下容易产生变形，导致工件产生加工误差。此外，差，在自重的作用下容易产生变形，导致工件产生加工误差。此外，导轨的不均匀磨损也是造成导轨误差的重要因素。导轨的不均匀磨损也是造成导轨误差的重要因素。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社3机床传动链误差机床传动链误差1)机床传动链误差含义机床传动链误差含义机床传动链误差机床传动链误差是指机床内部传动机构传动过程中出现传动链首是指机床内部传动机构传动过程中出现传动链首末两端传动元件间相对
27、运动的误差。末两端传动元件间相对运动的误差。传动链误差一般不影响圆柱面和平面的加工精度，但对齿轮、蜗传动链误差一般不影响圆柱面和平面的加工精度，但对齿轮、蜗轮蜗杆、螺纹和丝杆等加工有较大影响。轮蜗杆、螺纹和丝杆等加工有较大影响。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社例如车削单头螺纹时，见图例如车削单头螺纹时，见图4.8，要求工件旋转一周，相应刀具移，要求工件旋转一周，相应刀具移动一个螺距动一个螺距S，这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的，即，这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的，即通过保持总传动比恒定实现。总传动比反映了误差传递的程度，故也称通过保持总
28、传动比恒定实现。总传动比反映了误差传递的程度，故也称为误差传递系数。为误差传递系数。TiTzzzzzzzzSf87654321第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社2)传动链误差产生的原因传动链误差产生的原因(1)传动链元件数量影响传动误差大小。每增加一个传动元件，必传动链元件数量影响传动误差大小。每增加一个传动元件，必然会带来一部分传动误差。然会带来一部分传动误差。(2)传动副的加工和装配精度影响传动误差。特别是保证末端传动传动副的加工和装配精度影响传动误差。特别是保证末端传动件的精度，并尽量减小传动链中的齿轮副或螺旋副中存在的间隙，避件的精度，并尽量减小传动链中的
29、齿轮副或螺旋副中存在的间隙，避免传动速比的不稳定和不均匀；免传动速比的不稳定和不均匀；(3)采用减速传动链有助于减小传动误差采用减速传动链有助于减小传动误差。按降速比递增的原则按降速比递增的原则分分配各传动副的传动比。传动链末端传动副的减速比越大，则传动链中配各传动副的传动比。传动链末端传动副的减速比越大，则传动链中其余各传动元件的误差影响越小，从而减小末端传动元件转角误差的其余各传动元件的误差影响越小，从而减小末端传动元件转角误差的影响。为此，可增加蜗轮的齿数或加大母丝杆的螺距，这都有利于减影响。为此，可增加蜗轮的齿数或加大母丝杆的螺距，这都有利于减小传动链误差。小传动链误差。第4章 机械加
30、工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社4.2.2 夹具制造误差及磨损夹具制造误差及磨损夹具主要用于在机床上安装工件时，使工件相对于切削工具占有正夹具主要用于在机床上安装工件时，使工件相对于切削工具占有正确的相对位置。如果夹具存在误差，工件与切削刀具间的正确位置关系确的相对位置。如果夹具存在误差，工件与切削刀具间的正确位置关系将可能受到破坏，从而可能影响机械加工精度。将可能受到破坏，从而可能影响机械加工精度。夹具误差主要来源于夹具误差主要来源于夹具的定位元件、导向元件、夹具体等的加工夹具的定位元件、导向元件、夹具体等的加工与装配误差，还包括使用过程中发生的工作表面磨损。与装配误差，还
31、包括使用过程中发生的工作表面磨损。为减小因夹具制造精度而引起的加工误差，在设计夹具时，应严格为减小因夹具制造精度而引起的加工误差，在设计夹具时，应严格控制与工件加工精度有关的结构尺寸和要求。控制与工件加工精度有关的结构尺寸和要求。精加工用夹具精加工用夹具的有关尺寸公差一般取工件公差的的有关尺寸公差一般取工件公差的1/2 l/5，粗加工用夹具粗加工用夹具一般取工件公差的一般取工件公差的1/5 l/10。而对于容易磨损的元件，如定位元件与导向元件等，均应采用较为而对于容易磨损的元件，如定位元件与导向元件等，均应采用较为耐磨的材料进行制造，且便于磨损后更换。耐磨的材料进行制造，且便于磨损后更换。第4
32、章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社4.2.3刀具制造误差及磨损刀具制造误差及磨损刀具的种类不同，对加工精度的影响也不同。刀具的种类不同，对加工精度的影响也不同。(1)定尺寸刀具定尺寸刀具(如钻头、铰刀、拉刀、槽铣刀等如钻头、铰刀、拉刀、槽铣刀等)的尺寸精度将直接的尺寸精度将直接影响工件的尺寸精度。影响工件的尺寸精度。(2)成形刀具成形刀具(如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等)的切削刃形状精的切削刃形状精度将直接影响加工表面形状精度。度将直接影响加工表面形状精度。(3)展成加工展成加工(如齿轮加工、花键加工等如齿轮加工、花键加工等)时，刀具
33、切削刃形状精度和时，刀具切削刃形状精度和有关尺寸精度都会影响加工精度。有关尺寸精度都会影响加工精度。(4)一般刀具一般刀具(如普通车刀、单刃镗刀和平面铣刀等如普通车刀、单刃镗刀和平面铣刀等)的制造误差对加的制造误差对加工精度没有直接影响。工精度没有直接影响。在切削过程中，刀具不可避免地要产生磨损，使原有的尺寸和形状发在切削过程中，刀具不可避免地要产生磨损，使原有的尺寸和形状发生变化，从而引起加工误差。在精加工以及大型工件加工时，刀具磨损对生变化，从而引起加工误差。在精加工以及大型工件加工时，刀具磨损对加工精度可能会有较大的影响。刀具磨损磨损往往是影响工序加工精度稳加工精度可能会有较大的影响。刀
34、具磨损磨损往往是影响工序加工精度稳定性的重要因素。定性的重要因素。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社4.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形在机械加工过程中，工艺系统受到切削力、夹紧力、惯性力和重力在机械加工过程中，工艺系统受到切削力、夹紧力、惯性力和重力等作用，会产生相应的变形和振动，使得工件和刀具之间已调整好的等作用，会产生相应的变形和振动，使得工件和刀具之间已调整好的正确的相对位置发生变动，从而造成工件的尺寸、形状和位置等方面正确的相对位置发生变动，从而造成工件的尺寸、形状和位置等方面的加工误差。的加工误差。工艺系统的受力变形亦会影响加工表面质量，甚至导
35、致工艺系统产工艺系统的受力变形亦会影响加工表面质量，甚至导致工艺系统产生振动，而且在某种程度上还可能制约生产率的提高。生振动，而且在某种程度上还可能制约生产率的提高。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社1.工艺系统刚度的概念工艺系统刚度的概念从材料力学可知，任何一个物体在外力作用下，总要产生一定的变从材料力学可知，任何一个物体在外力作用下，总要产生一定的变形。作用力形。作用力(单位单位N)与力作用下产生的相应变形与力作用下产生的相应变形(单位单位mm)的比值称为物的比值称为物体的刚度，用表示体的刚度，用
36、表示(单位单位N/mm)，即，即 工艺系统各部分在切削力作用下，将在各个受力方向产生相应变形工艺系统各部分在切削力作用下，将在各个受力方向产生相应变形。为了切实反映工艺系统刚度对零件加工精度的实际影响，将。为了切实反映工艺系统刚度对零件加工精度的实际影响，将法向切法向切削分力削分力与在与在总切削力作用下总切削力作用下工艺系统在该方向所产生的变形的法向位工艺系统在该方向所产生的变形的法向位移量之比定义为工艺系统刚度，移量之比定义为工艺系统刚度，即即 4.3.1 工艺系统刚度工艺系统刚度yFK xtyxtyFK第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社在实际加工中，法向切削分
37、力与法向位移有可能方向相反，计在实际加工中，法向切削分力与法向位移有可能方向相反，计算刚度为负值，即出现负刚度现象。算刚度为负值，即出现负刚度现象。如图如图4.9所示，在车床上加工工件外圆时，车刀在切削力所示，在车床上加工工件外圆时，车刀在切削力F作用作用下将主要产生变形，使车刀尖在水平方向产生位移，位移下将主要产生变形，使车刀尖在水平方向产生位移，位移yy方向与切方向与切削力水平削力水平Fy方向分力方向相反，故工艺系统刚度为负值。方向分力方向相反，故工艺系统刚度为负值。负刚度现象对加工质量是不利的，应尽量避免。负刚度现象对加工质量是不利的，应尽量避免。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学
38、常同立等 清华大学出版社2工艺系统刚度的计算工艺系统刚度的计算工艺系统在某一处的法向总变形是各个组成部分在同一处的法向变工艺系统在某一处的法向总变形是各个组成部分在同一处的法向变形量的迭加形量的迭加 yxt=yjc+yjj+yd+ygyxt 法向总变形法向总变形，mm；yjc 机床的受力变形，机床的受力变形，mm；yjj 夹具的受力变形，夹具的受力变形，mm；yd 刀具的受力变形，刀具的受力变形，mm；yg 工件的受力变形，工件的受力变形，mm；根据工艺系统刚度定义，机床刚度、夹具刚度、刀具刚度及工件刚根据工艺系统刚度定义，机床刚度、夹具刚度、刀具刚度及工件刚度可分别写为度可分别写为 jcyj
39、cyFKjjyj jyFKdydyFKgygyFK 第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社工艺系统刚度的计算公式工艺系统刚度的计算公式 如下：如下：薄弱环节刚度是主导系统刚度的薄弱环节刚度是主导系统刚度的，而刚度很大环节的影响可以忽，而刚度很大环节的影响可以忽略，所以计算工艺系统刚度时应把握主导因素，从而对问题进行简化略，所以计算工艺系统刚度时应把握主导因素，从而对问题进行简化。例如外圆车削时，车刀本身在切削力作用下的变形对加工误差的例如外圆车削时，车刀本身在切削力作用下的变形对加工误差的影响很小，可略去不计；影响很小，可略去不计；再如镗孔时，工件再如镗孔时，工件(如
40、箱体零件如箱体零件)的刚度一般较大，其受力变形很的刚度一般较大，其受力变形很小，也可忽略不计。小，也可忽略不计。因为整个工艺系统的刚度取决于薄弱环节的刚度，故而通常采用因为整个工艺系统的刚度取决于薄弱环节的刚度，故而通常采用单向载荷测定法寻找工艺系统中刚度薄弱的环节，而后采取相应措施单向载荷测定法寻找工艺系统中刚度薄弱的环节，而后采取相应措施提高薄弱环节的刚度，即可明显提高整个工艺系统的刚度。提高薄弱环节的刚度，即可明显提高整个工艺系统的刚度。gdjjjcgydyj jyjcyyxtyxtKKKKyFyFyFyFFyFK11111第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社
41、3.影响工艺系统刚度的因素影响工艺系统刚度的因素 影响工艺系统刚度的因素主要有影响工艺系统刚度的因素主要有以下几个方面。以下几个方面。(1)连接表面间的接触变形连接表面间的接触变形 连接连接零件间接合面的实际接触面积只是名零件间接合面的实际接触面积只是名义接触面积的一部分，如图义接触面积的一部分，如图4.10所示所示。在外力作用下，这些接触处将产生。在外力作用下，这些接触处将产生较大的接触应力，因而就有较大的接较大的接触应力，因而就有较大的接触变形产生，甚至可能产生局部塑性触变形产生，甚至可能产生局部塑性变形。变形与接触压强关系如图变形。变形与接触压强关系如图4.11所示。所示。实际上，连接表
42、面的接触刚度除与法向载荷大小有关外，还与接触实际上，连接表面的接触刚度除与法向载荷大小有关外，还与接触表面材料、硬度、表面租糙度、表面纹理方向，以及表面几何形状误差表面材料、硬度、表面租糙度、表面纹理方向，以及表面几何形状误差等因素有关。等因素有关。(2)部件中薄弱零件本身的变形部件中薄弱零件本身的变形 如果部件中存在某些刚度很低的薄如果部件中存在某些刚度很低的薄弱零件，受力后这些低刚度零件将会产生很大的变形，从而使整个部件弱零件，受力后这些低刚度零件将会产生很大的变形，从而使整个部件的刚度降低。的刚度降低。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社4.工艺系统刚度的测定
43、工艺系统刚度的测定实际中，通常采用实验方法测定工艺系统的总刚度。实际中，通常采用实验方法测定工艺系统的总刚度。单向静载测定法单向静载测定法是一种静刚度测试方法。是一种静刚度测试方法。这种方法是在机床静止状态下，对机床施加静载荷以模拟切削过这种方法是在机床静止状态下，对机床施加静载荷以模拟切削过程中的受力情况，根据机床各部件在不同静载荷下的变形作出刚度特程中的受力情况，根据机床各部件在不同静载荷下的变形作出刚度特性曲线，从而确定各部件的刚度。性曲线，从而确定各部件的刚度。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社单向静载测定车床静刚度的实验单向静载测定车床静刚度的实验装置见
44、右图。装置见右图。在车床上采用双顶尖定位安装大在车床上采用双顶尖定位安装大刚度短轴，螺旋加力器安装在刀架上刚度短轴，螺旋加力器安装在刀架上，短轴和螺旋加力器之间装有测力环，短轴和螺旋加力器之间装有测力环。当转动螺旋加力器的螺钉，刀架与。当转动螺旋加力器的螺钉，刀架与短轴之间便产生相互作用力，力的数短轴之间便产生相互作用力，力的数值可由测力环中的千分表值可由测力环中的千分表3读出，而读出，而主轴箱、尾座和刀架的受力变形可分主轴箱、尾座和刀架的受力变形可分别从相应的千分表别从相应的千分表1、2和和4读出。读出。调整螺旋加力器的加载力作用点调整螺旋加力器的加载力作用点和大小可以模拟切削加工时工艺系统
45、和大小可以模拟切削加工时工艺系统静态受力的情况，通过连续的加载和静态受力的情况，通过连续的加载和卸载可获得车床静刚度的实测曲线。卸载可获得车床静刚度的实测曲线。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社图图4.13 为车床刀架部件的三次加为车床刀架部件的三次加载载卸载循环的实验曲线，由图可以卸载循环的实验曲线，由图可以看出机床部件刚度曲线有以下特点。看出机床部件刚度曲线有以下特点。(1)受力变形与作用力不呈线性关受力变形与作用力不呈线性关系，反映刀架变形不纯粹是弹性变形系，反映刀架变形不纯粹是弹性变形；(2)加载曲线与卸载曲线不重合，加载曲线与卸载曲线不重合，卸载曲线滞后
46、于加载曲线。两曲线间卸载曲线滞后于加载曲线。两曲线间的包络面积代表了加载的包络面积代表了加载卸载循环中卸载循环中所损耗的能量，这部分能量主要用以所损耗的能量，这部分能量主要用以克服部件内零件间的摩擦和接触塑性克服部件内零件间的摩擦和接触塑性变形所作的功；变形所作的功；(3)卸载曲线不会到原点，这说明有残余变形存在。经反复加载、卸载卸载曲线不会到原点，这说明有残余变形存在。经反复加载、卸载后，残余变形逐渐减小并接近于零，加载曲线与卸载曲线封闭；后，残余变形逐渐减小并接近于零，加载曲线与卸载曲线封闭；(4)机床部件的实际刚度远比按实体估算的要小。机床部件的实际刚度远比按实体估算的要小。这种静载测定
47、法结构简单，易于操作，但很难模拟实际切削加工时的这种静载测定法结构简单，易于操作，但很难模拟实际切削加工时的切削力，与机床加工时的受力状况出入较大，故一般只用于定性比较机床部切削力，与机床加工时的受力状况出入较大，故一般只用于定性比较机床部件的刚度。件的刚度。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社4.3.2工艺系统受力变形对加工精度的影响机械加工过程中，工艺系统的受力机械加工过程中，工艺系统的受力变形将造成工件加工误差。变形将造成工件加工误差。例如，图例如，图a在车削细长轴时往往会出在车削细长轴时往往会出现腰鼓形误差；现腰鼓形误差；加工直径和长度尺寸都很大的内孔加工直
48、径和长度尺寸都很大的内孔如图如图b所示，经常会出现锥度。所示，经常会出现锥度。工艺系统的机床、夹具、刀具及工工艺系统的机床、夹具、刀具及工件等受力后都会产生变形，下面将逐一件等受力后都会产生变形，下面将逐一分析这些环节的受力变形对加工精度的分析这些环节的受力变形对加工精度的影响。影响。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社1.切削力作用点位置变化引切削力作用点位置变化引起的工件形状误差起的工件形状误差在切削过程中，工艺系统的刚在切削过程中，工艺系统的刚度随切削力的作用点位置不同而变度随切削力的作用点位置不同而变化，因而工艺系统的受力变形也是化，因而工艺系统的受力变形也
49、是变化的，使得加工后获得的工件表变化的，使得加工后获得的工件表面存在形变误差。面存在形变误差。1）机床变形）机床变形各种不同的机床，其刚度对加各种不同的机床，其刚度对加工精度影响不同。工精度影响不同。以车床顶尖间加工光轴为例，假定工件短而粗，即工件的刚度很大，以车床顶尖间加工光轴为例，假定工件短而粗，即工件的刚度很大，其受力变形可忽略不计，因而工艺系统的总变形取决于主轴箱、尾座其受力变形可忽略不计，因而工艺系统的总变形取决于主轴箱、尾座(包括包括顶尖顶尖)和刀架的变形，如图和刀架的变形，如图4.15(a)。车刀在切削工件的不同部位时，切削力对机床有关部件施加载荷大小车刀在切削工件的不同部位时，
50、切削力对机床有关部件施加载荷大小不同，所以主轴箱和尾座等部分受力变形不同。车刀在切削工件左端时，不同，所以主轴箱和尾座等部分受力变形不同。车刀在切削工件左端时，切削力集中作用在主轴箱上，使它变形最大；而切削工件右端时，切削力切削力集中作用在主轴箱上，使它变形最大；而切削工件右端时，切削力集中作用在尾座上，尾座的变形最大，刀架也有一定变形。集中作用在尾座上，尾座的变形最大，刀架也有一定变形。第4章 机械加工精度控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社设工件长度为设工件长度为L，当加工中车刀进给到图示位置，当加工中车刀进给到图示位置x时，即车刀至主轴时，即车刀至主轴箱的距离为箱的距离为x，在切
