机械制造工程学 课件 第四章机械加工精度综述

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1、第4章 机械加工精度 4.1 概述 4.2 工艺系统的几何误差 4.3 工艺系统的受力变形 4.4 工艺系统受热变形引起的误差 4.5 内应力对加工精度的影响 4.6 加工误差的统计分析法 4.7 提高加工精度的途径 1.加工精度与加工误差 所谓加工精度是指零件加工后的实际几何参 数 (尺寸、形状和位置) 与理想几何参数的符合 程度。实际值愈接近理想值，加工精度就愈高。 实际加工不可能把零件做得与理想零件完全 一致，总会有大小不同的偏差，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 工误差。 4.1 概述 4.1.1 加工精度与加工误差的概念 3. 误差敏感方向的概念 原始误差对

2、加工误差的影响程度，主要取决于 原始误差是否作用在加工误差的敏感方向上。所谓敏 感方向是指切削平面的法线方向，即法向分量。 作用在敏感方向上的原始误差将以1:1的关系转 化为加工误差。它对加工误差影响最大。其它方向的 原始误差对加工误差的影响都不同程度地减小。 根据敏感方向的特点，可将机床分为两大类： 一类是敏感方向固定的机床，如车床。因刀具是 固定的，切削时其切削平面固定不变，故其敏感方向 保持不变。 另一类是敏感方向变化的机床，如镗床。因刀具 是回转的，切削时其切削平面将随刀尖的旋转而变化 的，故其敏感方向是变化的。因此对这类机床的主轴 回转精度要求要严格一些。 4.加工经济精度 图4-1

3、 加工成本与加工误差之间的关系 指在正常加工条件下(采用符合质量标准的加工设 备、工艺装备和标准技术等级的工人）所能保证的加工 精度和表面质量。 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 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 4.1.2 获得加工精度的方法 获得尺寸精度的方法 1试切法 2调整法 3定尺寸刀具法 4自动控制法 调整法可以分为静调整法（静调整法又称样件法）和动调整法（按试切 零件进行调整，直接

4、测量试切零件的尺寸）两类。 试切法 镗孔时的静调整法对刀 铣削时的静调整法对刀 车刀 千分表 V型块 镗刀杆 镗刀 工件 加工面 铣刀 厚薄规尺寸 加工要求尺寸 对刀块 主动测量法 支架 千分表 砂轮 工件 （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）仿形法 刀具按照仿形装置进给对工件进行加工 4）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 由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺 系统 (简称工艺系统) 会有各种各样的误差产生，这 些误差在

5、各种不同的具体工作条件下都会以各种不同 的方式 (或扩大、或缩小) 反映为工件的加工误差。 工艺系统的误差是“因”，是根源；工件的加工误差是 “果”，是表现；因此，我们把工艺系统的误差称为原 始误差。 4.1.3 原始误差的概念及种类 原始误差可由施行方法、机械实体、切削过程三个 部分组成，即原始误差可分为三大类十二项： 施行方法误差包括以下四项原始误差： 原理误差、安装误差、调整误差、测量误差 机械实体误差包括以下四项原始误差： 机床误差、夹具误差、刀具误差、毛坯误差 切削过程误差包括以下四项原始误差： 工艺系统受力变形误差、工艺系统受热变形误差、 工艺系统磨损误差、内应力变形误差 分析计算

6、法是在掌握各原始误差对加工精度影响规律的基础 上，分析工件加工中所出现的误差可能是哪一个或哪几个 主要原始误差所引起的，并找出原始误差与加工误差之间 的影响关系，进而通过估算来确定工件的加工误差的大小 ，再通过试验测试来加以验证。 统计分析法是对具体加工条件下加工得到的几何参数进行实 际测量，然后运用数理统计学方法对这些测试数据进行分 析处理，找出工件加工误差的规律和性质，进而控制加工 质量。分析计算法主要是在对单项原始误差进行分析计算 的基础上进行的，统计分析法则是对有关的原始误差进行 综合分析的基础上进行的。 4.1.4 研究机械加工精度的方法 加工原理误差（理论误差） 原理误差即在加工中

7、采用了近 似的加工运动、近似的刀具轮廓和 近似的加工方法而产生的原始误差 4.2.1 加工原理误差 4.2 工艺系统的几何误差 近似的刀具轮廓带来的误差 例如用模数铣刀铣齿轮，由于：铣刀的 成形面不是纯粹的渐开线；模数相同而 齿数不同的渐开线齿轮齿形是不同的， 一把铣刀铣一组齿数的齿轮，故存在原 理误差 再如，用齿轮滚刀加工齿轮时，滚刀也 是采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓蜗 杆代替渐开线蜗杆 影响加工精度的因素及其分析影响加工精度的因素及其分析 近似的加工方法带来的误差 例如，用尖车刀车外圆，也不是 光滑的圆柱面，而是一个螺旋面 影响加工精度的因素及其分析影响加工精度的因素及其分析 影响加工精

8、度的因素及其分析影响加工精度的因素及其分析 近似的刀具和工件的运动联系所带来 的加工误差 例如车模数螺纹时， 传动比I = = 只要能保证加工精度和零件的使用性 能，一定的原理误差是允许的。这种 误差不应超过相应公差的1015%。 机床的误差 1）主轴回转误差 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 4.2.2 机床误差 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

9、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

10、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： 在水平面内的直线度（以卧式车床为例） 1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R =1 ，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。 在垂直面内的直线度 对工件的尺寸和形状误差影响比1小得多 对卧式车床R 22/D 若设2= 0.1mm,D=40mm，则 R =0.00025mm，影响可忽略

11、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。 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3,工件误差R(H/B)3 ，一般车床 H/B2/3，外圆磨床H/B1，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。 两导轨间的平行度误

12、差 ）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i，则它所 造成传动链末端元件的转角误差：wi =Ki i 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： = wi= Ki i 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； 尽量采用降速传动，误差被缩小； 提高传动元件、特别是末端元件的制造和 装配精度； 消除传动间隙

13、； 采用误差补偿机构或自动补偿装置。 包括刀具切削部、装夹部的制造误差及 刀具安装误差 定尺寸刀具 刀具尺寸精度直接影响工件尺寸精度 成形刀具 刀具形状精度直接影响工件形状精度 展成刀具 刀刃形状精度会影响工件加工精度 一般刀具 制造精度对工件加工精度无直接影响 4.2.3 刀具的制造误差及磨损 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：fb+tT 4.2.4 调整

14、误差 夹具的作用是使工件相 对于刀具和机床具有正确的 位置，因此夹具的制造误差 对工件的加工精度 (特别是 位置精度) 有很大影响。 图5-10 工件在夹具中装夹示意 4.2.5 夹具误差 1.基本概念 4.3 工艺系统的受力变形 4.3.1 工艺系统刚度 2.工艺系统刚度 工艺系统抵抗变形的能力可用工艺系统刚度 k系来描述。 垂直作用于工件加工表面的径向切削分力Fy与工艺系统在 该方向上的变形y之间的比值，称为工艺系统刚度 k系 k系= Fy / y y = yFx+ yFy+ yFz 刀具刚度 外圆刀具在加工表面法线方向上的刚度很大变形可忽略； 镗小孔刀杆刚度很差，变形对加工精度影响很大，

15、刀杆变 形按材料力学公式估算。 零件刚度 若零件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，其变形 对加工精度影响比较大，最大变形量按材料力学公式估算。 长轴两顶尖装夹按简支梁计算，三爪卡盘装夹按悬臂梁计算 工件和刀具的刚度 可按材料力学的有关公式求得其近似值。 悬臂梁公式： ； 简支梁公式： ； 3.工艺系统刚度的测定及计算 （1）机床部件刚度 机床结构形状复杂，刚度计算主要通过实验方法来测定。 变形与载荷不成线性关系； 加载与卸载曲线不重合； 有残余变形存在；实际刚度比估算的小 机床部件的变形曲线及其特点 （三次加载与卸载变形曲线的特点） 变形曲线是非线性的。不符合虎克定律，反映出 部件的变形不

16、仅仅是弹性变形。 加载曲线与卸载曲线不重合。表明在加卸载过程 中有能量消耗。 卸载后变形曲线不能回到起始点。表明在变形过 程中存在塑性变形和残余变形。 部件的变形曲线与单个构件的变形曲线相差较大 。 （2）影响机床部件刚度的因素 结合面接触变形 接触表面间的名义压强的增量与接触变形的增量之比称为 接触刚度。零件表面越粗糙，形状误差越大，材料硬度低， 接触刚度越小。 薄弱零件本身的变形 连接表面间的间隙 接触表面间的摩擦 变形滞后现象 连接件夹紧力的影响 （3）工艺系统刚度的计算 总变形 y系 = y机+ y夹+ y刀+ y工 k系= Fy / y系，k机= Fy / y机 ， k夹= Fy / y夹 ，