1、第七章：机械加工精度第七章：机械加工精度（约（约6学时）学时）本章提要本章提要 机器零件的加工质量是整台机器质量的基础，零件的加工质量一般用机械加工精度和加工表面质量两个重要指标表示，本章仅研究机械加工精度的问题，其讨论的内容有机械加工机械加工精度的基本概念、影响加工精度的因精度的基本概念、影响加工精度的因素、加工误差的综合分析及提高加工素、加工误差的综合分析及提高加工精度的途径精度的途径四个方面。7.1机械加工精度的基本概念 7.1.1加工精度与加工误差 加工精度：零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数相符的程度。零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度称为加工误
2、差加工误差。7.1.2研究加工精度的方法研究加工精度的方法研究加工精度的方法的一般有两种：一是因素分析法一是因素分析法(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变化规律)。二是统计分析法二是统计分析法(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。主要是研究各项误差综合的变化规律，只适用于大批、大量的生产条件)7.2影响加工精度的因素影响加工精度的因素 零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统中进行的。工艺系统中凡是直接引起加工误差的因素都称为原始误差。*原始误差
3、的原始误差的分类归纳如下：分类归纳如下：图7.1为活塞销孔精镗工序中的各种原始误差：图图7.2以车削为例说明原始误差与加工误差的关系以车削为例说明原始误差与加工误差的关系。(图中实线为刀尖正确位置，虑线为误差位置。)图7.2(a)刀尖位移Z与加工半径误差 R的的关系：R2+Z2（R+R）2 化简推导得：R Z2/(2R)图7.2(b)刀尖位移Y与加工半径误差 R的的关系：R=Y 前者数值极小以致可忽略前者数值极小以致可忽略 后者造成的加工误差较大后者造成的加工误差较大 前者是在加工表面切线方向前者是在加工表面切线方向 后者是在加工表面法线方向后者是在加工表面法线方向 后者加工表面的法线方向称后
4、者加工表面的法线方向称加工误差敏感方向加工误差敏感方向*结论：结论：加工误差敏感方向上刀尖位移会造成大加工误差敏感方向上刀尖位移会造成大的加工误差的加工误差7.2.1加工原理误差 加工原理加工原理是指加工表面的形状原理。*加工原理误差加工原理误差是由于采用了近似的切削运动或近似的切削刃形状所产生的加工误差(如：齿轮滚刀：一 阿基米德或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆；二 近似折线代替渐开线。)7.2.2机床误差 机床误差机床误差是指在无切削负荷下，来自机床本身的制造误差、安装误差和磨损。其常见形式：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差 7.2.2.1主轴回转误差主轴回转误差的概念(图图7.3
5、机床主轴回转误差的类型机床主轴回转误差的类型)纯径向跳动：实际回转轴线始终平行于理想回转轴线，在一个平面内作等幅的跳动。纯轴向跳动：实际回转轴线始终沿理想回转轴线作等幅的窜动。纯角度摆动：实际回转轴线与理想回转轴线始终成一倾角，在一个平面上作幅摆动，且交点位置不变。由于主轴回转误差总是上述三者的合成。造成主轴回转误差的主要因素与主轴部件的制造精度有关。主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触，主轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向回转精度则影响不大；主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大
6、，而主轴颈圆度误差的影响则不大。主轴回转误差对加工精度的影响 不同型式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的；而同一类型的回转误差在不同的加工方式中的影响也不相同。如图7.5图7.8和表7.1所示 7.2.2.2导轨误差导轨在垂直面内的直线度误差导轨在垂直面内的直线度误差 卧式车床或外圆磨床的导轨垂直面内有直线度误差，是误差非敏感方向，可忽略不计(图7.9(a)。平面磨床、龙门刨床这时是误差敏感方向，所以导轨误差将直接反映到被加工的零件上。导轨在水平面内的直线度误差导轨在水平面内的直线度误差 Y（见图7.9(b)）对于卧式车床是误差敏感方向，影响较大，零件的加工误差R Y。对于平面磨床、龙门刨
7、床这时是误差非敏感方向，影响可忽略。前后导轨的平行度误差前后导轨的平行度误差 半径加工误差R Y Z（H/B）较大导轨与主轴回转轴线的平行度误差导轨与主轴回转轴线的平行度误差 若车床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行误差，车出的内外圆柱面就产生锥度；若在垂直面内有平行误差，则圆柱面成双曲线回转体(图7.11)，因误差非敏感方向故可略7.2.2.3传动链误差传动链误差 传动链误差是指机床内联系传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差。njnjjjjnK11减少传动链误差的措施：减少传动链误差的措施：尽可能缩短传动链，减少传动元件数目；尽可能缩短传动链，减少传动元件数目；尽量尽量采用降速传动，误差
8、被缩小；采用降速传动，误差被缩小；提高传动元件、特别是末端元件的制造和提高传动元件、特别是末端元件的制造和 装配精度；装配精度；消除传动间隙；消除传动间隙；采用误差补偿机构或自动补偿装置。采用误差补偿机构或自动补偿装置。7.2.3工艺系统受力变形7.2.3.1工艺系统刚度 工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、重力和惯性力等外力作用下，使零件产生加工误差。例如图7.12(a)车细长轴，图7.12(b)车削粗短工件时，图7.12c所示在车床加工薄壁零件的内孔。由于刚度较低或着力点不当，都会引起工件变形，造成加工误差。特别是薄壁套、薄板件，夹紧力常常会引起很显著的加工误差。工艺系统刚度(K系统系统)是
9、指切削力在加工表面法向的分力FY与FX、FY、FZ同时作用下产生的沿法向的变形Y系统系统之间的比值：K系统系统=FY/Y系统系统 (刚度的倒数称为柔度，柔度刚度的倒数称为柔度，柔度C1/K系统系统 Y系统系统/FY）由于力与变形一般都是在静态条件下进行考虑和测量的，故上述刚度、柔度分别 为静刚度静刚度和静柔度静柔度 为分析工艺系统各组成部分的变形规律及其特点，现介绍工艺系统各组成部分的刚度零件的刚度 形状规则、简单的零件的刚度可用有关力学公式推算，如公式7.9;公式7.10等。机床部件的刚度机床部件的刚度 机床部件(如 图7.13)的受力变 形主要影响是间隙、油膜层和薄弱零件变形。其刚度远比单
10、个零件小，一般用实验方法测定。工艺系统的刚度工艺系统的刚度 由工艺系统受力总变形是各个组成部分变形的叠加，即 Y系统=Y机床+Y夹具+Y刀具+Y工件 而工艺系统各部件的刚度又为：K系统=FY/Y系统 K机床=FY/Y机床 K夹具=FY/Y夹具 K刀具=FY/Y刀具 K工件=FY/Y工件 推导得P202公式7.11：K系统（1/K机床+1/K夹具+1/K刀具+1/K工件）1由公式7.11知：知道工艺系统各组成部分的刚度后，就可以求出整个工艺系统的刚度。整个工艺系统的刚度比其中刚度最小的那个环节的刚度还小。从减小形状误差的角度来看，机床各个部分的刚度相差不从减小形状误差的角度来看，机床各个部分的刚
11、度相差不要悬殊是很重要的。在很多情况下，某一部件的刚度过高要悬殊是很重要的。在很多情况下，某一部件的刚度过高于其他部分意义不大。找出刚度薄弱的环节加以提高，使于其他部分意义不大。找出刚度薄弱的环节加以提高，使其和其他部分大体接近的办法，称为刚度平衡。这是提高其和其他部分大体接近的办法，称为刚度平衡。这是提高工艺系统刚度的一个有效措施。工艺系统刚度的一个有效措施。*7.2.3.2工艺系统受力对加工精度的影响切削过程中力作用位置的变化对加工精度的影响 (见图7.18)图图7.19表示表示内圆磨床、卧式镗床上加工时工艺系统受力变形随受力点位置变化而变化的情况。切削过程中受力大小变化对加工精度的影响切
12、削过程中受力大小变化对加工精度的影响 图7.20为车削有椭圆形圆度误差的短圆柱毛坯外圆，刀尖调整到要求尺寸(图中虚线位置)，在工件的每一转中切深由毛坯长半径的最大值 变化到短半径的最小值 时，切削力也就是由最大 的变化到最小 的，由Y=FY/K可知切削力变化引起对应的让刀变形Y1、Y2。图7.20 毛坯形状误差复映 工件转一周，工艺系统变形不同，加工后工件表工件转一周，工艺系统变形不同，加工后工件表面仍有椭圆形的圆度误差。面仍有椭圆形的圆度误差。车削时切削深度在车削时切削深度在p2p2p1p1之间变化。之间变化。因此切削分力因此切削分力F Fy y也随着切削深也随着切削深度度p p的变化由最小
13、的变化由最小(F Fy2y2)变到变到最大最大(F Fy1y1)，工艺系统将产生相应的变形，即由工艺系统将产生相应的变形，即由y y2 2变到变到y y1 1(刀刀尖相对于工件在法线方向的位移变化尖相对于工件在法线方向的位移变化)，Y1Y 2 工件工件 毛坯毛坯 误差复映系数误差复映系数 （系统系统）误差复映规律：误差复映规律：当毛坯有形状或位置误差时，加工后工件仍会有当毛坯有形状或位置误差时，加工后工件仍会有同类的加工误差。但每次走刀后工件的误差将逐步减少。同类的加工误差。但每次走刀后工件的误差将逐步减少。*毛坯的误差复映：毛坯的误差复映：降低复映误差的主要工艺措施降低复映误差的主要工艺措施
14、 提高工艺系统刚度：由公式7.14可知提高工艺系统刚度是降低误差复映的一个有效措施。增加走刀次数:设每次走刀的误差复映系数 为 、,总误差复映系数为:12n1n21 因此增加走刀次数，可大大降低工件的复映误差。但走刀次数太多，会降低生产率。提高毛坯精度(减少尺寸变动范围)和材质的均匀性:可降低复映误差。*7.2.4工艺系统的热变形 7.2.4.1机床热变形对加工精度的影响图7.21(a)是车床的热变形趋势图7.21(b)万能铣床的热变形趋势 导轨磨床热变形立式铣床受热变形形态外圆磨床受热变形形态7.2.4.2刀具的热变形对加工精度的影响 刀具热变形的热源是切削热 图图7.22车刀的车刀的热伸长
15、热伸长7.2.4.3工件的热变形对加工精度的影响 工件热变形的热源主要是切削热。当加工较短零件时，由于走刀行程短，可忽略轴向热变形引起的误差；当车削较长零件时，在沿零件轴向位置上切削时间有先后，开始切削时零件温升为零，随着切削的进行零件受热膨胀，到走刀终了时零件直径增量最大，因此车刀的切深随走刀而逐渐增大，零件冷却之后会出现圆柱度误差。1.1.减少热源的发热减少热源的发热 减少和控制工艺系统热变形的主要途径减少和控制工艺系统热变形的主要途径为减少机床的热变形，凡是可能分离出去的热源，如电动机、变速箱、液压系统、冷却系统等，均应移出。对于不能分离的热源，如主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等
16、，则可以从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热；也可用隔热材料将发热部件和机床大件(如床身、立柱等)隔离开来。对于发热量大的热源，如果既不能从机床内移出，又不便隔热，则可采用冷却措施，如增加散热面积或使用强制式的风冷、水冷、循环润滑等，控制机床的局部温升和热变形。(1)采用热对称结构 将轴、轴承、传动齿轮尽量对称布置，可使变速箱箱壁温升均匀，减少箱体变形。机床大件的结构和布局对机床的热态特性有很大影响。以加工中心为例，在热源的影响下，单立柱结构的机床会产生相当大的扭曲变形，而双立柱结构的机床由于左右对称，仅产生垂直方向的热位移，很容易通过调整的方法予以补偿。因此双立柱结构的机床的热变形比单
17、立柱结构的机床小得多。2.2.用热补偿方法减少热变形用热补偿方法减少热变形(均衡温度场均衡温度场)单纯的减少温升有时不能收到满意的效果，可采用热补偿的方法使机床的温度场比较均匀，从而使机床产生不影响加工精度的均匀变形。合理的结构设计：合理的结构设计：采用热对称结构 将轴、轴承、传动齿轮尽量对称布置，可使变速箱箱壁温升均匀，减少箱体变形。机床大件的结构和布局对机床的热态特性有很大影响。以加工中心为例，在热源的影响下，单立柱结构的机床会产生相当大的扭曲变形，而双立柱结构的机床由于左右对称，仅产生垂直方向的热位移，很容易通过调整的方法予以补偿。因此双立柱结构的机床的热变形比单立柱结构的机床小得多。3
18、.3.采用合理的机床部件结构减少热变形的影响采用合理的机床部件结构减少热变形的影响 （1 1）合理的结构设计：）合理的结构设计：(2)(2)合理选择机床部件的装配基准合理选择机床部件的装配基准下图为车床主轴箱在床身上的两种不同的定位方式。因主轴部件是车床主轴箱的主要热源，故在图a中，主轴轴心线相对于装配基准H而言，主要在Z方向产生热位移，对加工精度影响较小；而在图b中，y方向的受热变形对加工精度的影响较大。空转加热或人为加热。空转加热或人为加热。4.4.加速达到工艺系统热平衡状态加速达到工艺系统热平衡状态 对于精密机床特别是大型机床，达到热平衡的时间较长。为了缩短这个时间，可以在加工前，使机床
19、高速空运转，或在机床的适当部位设置控制热源，人为地给机床加热，使之较快达到热平衡状态，然后进行加工。基于同样原因，精密机床应尽量避免中途停车。恒温。恒温。5控制环境温度控制环境温度精密机床一般安装在恒温车间，恒温室平均温度一般为20，其恒温精度一般控制在1，精密级为0.5。7.2.5工件残余应力引起的变形 图7.23床身因内应力引起的变形 图7.24冷校直引起的残余应力7.3加工误差的统计分析7.3.1加工误差的分类 加工误差按其性质的不同可归纳为：（1）系统误差 （2）随机误差(也称偶然误差)。7.3.1.1系统误差 在连续加工一批零件时，加工误差的大小和方向基本上保持不变，称为常值系统误差
20、；如果加工误差是按零件的加工次序作有规律变化的，则称为变值系统误差变值系统误差。原理误差，机床、刀具、夹具、量具的制造误差及调整误差，工艺系统静力变形等 原始误差都会引起常值系统误差。刀具的正常磨损是随着加工过程(或加工时间)而有规律地变化的，由此产生的加工误差属于变值系变值系统误差统误差 (工艺系统的热变形，在温升过程温升过程中，一般将引起变值系统误差变值系统误差，在达到热平衡后，则又引起常值系统误差)。7.3.1.2随机误差 在连续加工一批零件中，出现的误差如果大小和方向是不规则地变化着的，则称为随机误差随机误差。定位误差、夹紧误差、工件内应力等因素都是变化不定的，都是引起随机误差随机误差
21、的原因。*7.3.2分布曲线法 采用调整法大批量加工的一批零件中，随机抽取足够数量的工件(称作样本)，进行加工尺寸 X的测量、记录，并作图即实际分布曲线，如7.25(a)。样本数及分组数见表7.27.3.2.1正态分布曲线方程 实践和理论分析表明，当用调整法加工一批总数极多的而且这些误差因素中又都没有任何优势的倾向时，其分布是服从正态分布曲线(又称高斯曲线)的，如图7.25(b)。正态分布曲线方程式为：a22221aXeY式中 Q：正态分布的概率密度。：正态分布曲线的均值 ：正态分布曲线的标准偏差(均方根偏差)有限的样本平均值 和样本标准 作为理论均值 和标准偏差 的估计值。niiXXnS12
22、11niiXnXa11XSa7.3.2.2正态分布曲线的特性 由图7.25(b)可见，在 处达到极大值 ；在 时，曲线以X轴为其渐近线，曲线成钟形。正态分布曲线下的面积 代表了工件(样本)的总数，即100%;如果改变参数 的值而 保持值不变，则曲线沿X轴平移而不改变其形状，如图7.26(a)。反之，如果使 值固定不变，值变化时，则曲线形状就变化了，如图7.26(b)aX 21maxYX1YdxAaa CD代表零件的公差带，在曲线下面C、D两点之间的面积代表加工零件的合格率合格率。曲线下面其余部分面积(图上无阴影线的部分)则为废品率废品率(在加工外圆时，图上左边无阴影线部分相当于不可修复的废品，
23、右边的无阴影线部分则为可修复的废品；在加工内孔时，则恰好相反)。我们采用积分表7.3(在实际应用时表中的 可用 代替)来求合格率等。从表中可以查出 时,A=49.865,2A=99.73，即工件尺寸在3 以外的频率只占0.27%，可以忽略不计忽略不计。因此，一般都取正态分布曲线的分散范围为3 。aX3aX*3 (或6 )在研究加工误差时是一个很重要的概念。6 的大小代表了某一种加工方法在规定的条件下所达到的加工精度，即工艺能力工艺能力。工艺能力系数Cp用来衡量工艺能力：一般将工艺分为五级：Cp.为特级，说明工艺能力过高，不一定经济；.Cp.为一级，说明工艺能力足够，可以允许一定的波动；.Cp.
24、为二级，说明工艺能力勉强，必须密切注意；.Cp.为三级，说明工艺能力不足，可能出少量不合格；.Cp为四级，说明工艺能力不行，必须改进。6pC 【例题7.1】检查一批在卧式镗床上精镗后的活塞销孔直径。图纸规定尺寸与公差为 ，抽直查件数n=100，分组数k=6。测量尺寸、分组间隔、频率见表7.4。求实际分布曲线图、工艺能力及合格率，分析出现废品的原因并提出改进意见。0015.028解：以组中值Xj代替组内零件实际值，绘制图7.29为实际分布曲线。分散范围=最大孔径-最小孔径 =28.04-27.992=0.012mm；样本平均值(又称尺寸分散范围中心即平均孔径):公差范围中心：常值系统误差：mmm
25、XnXkiii9979.2711mmLM9925.272015.028mm0054.0X-A系统 样本标准偏差：工艺能力系数：，工艺能力为二级；废品率由 ；查表7.3可得 A=0.3253 mmmXXnSkiii002244.0111211.16pC9358.0002244.09979.2728XX Q废品率0.5A0.50.32530.1747（17.47）Q合格率0.5A0.50.32530.8253（82.53）实测结果分析实测结果分析：部分工件的尺寸超出了公差范围，有17.47%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0.015mm 小，也就是说实际
26、加工能力比图纸要求的要高：Cp=1.11，即 。仅由于存在系统误差系统0.0054，而产生废品。如果能设法将分散中心调整到与公差范围中心重合，工件就可全部合格。具体的调整方法是将镗杆的悬伸量调整短些，以减少镗杆受力变形产生的加工误差。67.3.3点图法(简介简介)分布曲线法不能反映出零件加工的先后顺序，因此不能不能把变值系统误差和随机误差区分出来；而且分布曲线只有在一批零件加工完后才能绘出来，因此不能在加工进行过程中为控制工艺过程提供资料，以便随机调整机床保证加工精度。采用点点图法图法可以弥补上述缺点。点图法的要点点图法的要点：以零件加工的先后顺序作出尺寸的变化图，揭示整个加工过程误差变化的全
27、貌。以加工零件顺序号为横坐标，零件加工后测量所得的尺寸为纵坐标，画成点图(如图7.30所示)。点图可以在加工过程中用来估计工件尺寸的变化趋势，并决定机床重新调整的时间(图7.30例中50号工件时)7.4提高加工精度的途径7.4.1减少误差法 减少误差法是生产中应用较广的提高加工精度的一种基本方法，是在查明产生加工误差的主要因素之后，设法对其直接进行削除或减弱(例如细长轴的车削，如图7.32(a)利用中心架，图7.32(b)采用跟刀架，图7.32c在卡盘加工中用了后顶尖支承等都可提高工件的刚度。又如采用图7.33(b)装夹法，整个工艺系统刚度显然比图7.33(a)的装夹法要高许多)。下图所示为磨
28、削薄板工件，当磁力将工件吸向工作台表面时，工件将产生弹性变形（如图a、b所示）；磨完后，由于弹性恢复，已磨完的表面又产生翘曲（如图c所示）。改进的办法是在工件和磁力吸盘之间垫橡皮垫(厚)（如图d、e所示），工件受作力作用，橡皮垫被压缩，减少了工件夹紧的变形；再以磨好的一面作为定位基准磨另一面。这样经过多次正反面交替磨削即可得平面度较高的平面（如图f所示）。7.4.2误差补偿法 误差补偿法误差补偿法是人为造出一种新的误差，去抵消工艺系统中原有的原始误差。或用一种原始误差去抵消另一种原始误差(图7.34为受机床部件和工件自重影响，龙门刨床横梁导轨弯曲变形引起的加工误差。采用误差补偿法，在横梁导轨制
29、造时故意使导轨面产生向上的几何形状误差。)7.4.3误差分组法 毛坯误差对工序的影响主要有两种情况：一是误差复映，引起本工序误差的扩大；二是定位误差变化，引起本工序位置误差扩大。把毛坯按误差的大小分为n组，每组毛坯的误差范围就缩小为原来的1/n.然后按按各组分别调整加工各组分别调整加工，使各组工件的分散中心基本上一致，整批工件尺寸的分散范围就小很多。例如例如，某厂加工齿轮，产生了剃齿时心轴与工件定位孔的配合间隙问题。配合间隙大了，剃后的工件产生较大的几何偏心，反映在齿圈径向跳动超差。同时剃齿时也容易产生振动，引起齿面波度，使齿轮工作时噪声较大。因此，必须设法限制配合间隙，保证工件孔和心轴间的同
30、轴度要求。由于工件的孔已是IT6级精度，不宜提高。为此，夹具采用了多档尺寸的心轴，对工件孔进行分组选配，减少由于间隙而产生的定位误差，从而提高了加工精度。其具体分组情况如表表7.67.4.4误差转移法 误差转移法误差转移法实质上是转移工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等(以“粗干精”的方法在箱体孔系加工时经常采用，当镗床主轴线与导轨有平行度误差时，镗杆与主轴之间采用浮动联接，镗杆的位置精度由镗夹具的前后支承确定，机床主轴的原始误差就转移掉了，它不再影响加工精度。图图7.35表示在大型龙门铣床的结构中采用转移变形的例子：在横梁上再安装一根附加的梁，使它承担铣头的重量，这样一来就将横梁承受的重量转移到附加的梁上了)7.4.5“就地加工”法 例如，在六角车床制造中，转塔六个安装刀架的大孔及端面的加工与检验(图图7.36)本章小结本章小结：1加工误差的分类2误差敏感方向的概念（如：机床导轨误差影响分如：机床导轨误差影响分析析）；3原理误差的定义及举例；4工艺系统受力变形分析；5误差复映的基本概念。6分布曲线法的作用，工艺能力系数的概念。作业作业7.18：自重引起的受力变形：自重引起的受力变形
