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1、第二节 影响机械加工精度的因素,机械加工系统（简称工艺系统）的组成：机床、夹具、刀具和工件。,影响加工精度的主要因素有： l）工艺系统的几何误差，包括机床、夹具和刀具等的制造误差及其磨损。 2）工件装夹误差。 3）工艺系统受力变形引起的加工误差。 4）工艺系统受热变形引起的加工误差。 5）工件内应力重新分布引起的变形。 6）其他误差，包括原理误差、测量误差、调整误差等。,一、工艺系统的几何误差 （一）机床的几何误差 加工中，刀具相对于工件的成形运动，通常都是通过机床完成的。工件的加工精度 在很大程度上取决于机床的精度。 机床制造误差中对工件加工精度影响较大的误差有：主轴回转误差、导轨误差和传动
2、误差。,1主轴回转误差,主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向圆跳动和角度摆动三种不同形式的误差。 （1）径向圆跳动：图4-2a）是主轴回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量。车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差 。 产生径向圆跳动误差的主要原因有：主轴支承轴颈的圆度误差、轴承工作表面的圆度误差等。,图4-3,（2）轴向圆跳动：图4-2b）是主轴回转轴线沿平均回转轴线方向的变动量。 车端面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差。产生轴向国跳动的原因是主轴轴肩端面和推力轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。,（3）角度摆动：图4-2c）主轴回转轴线相对平均回转轴线成一倾斜角度的运动。车削时，它使
3、加工表面产生圆柱度误差和端面的形状误差。 提高主轴及箱体轴承孔的制造精度，选 用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。,2导轨误差 导轨是机床中确定各主要部件相对位置关系的基准。,（1） 导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响,导轨在水平面内有直线度误差y时，在导轨全长上刀具相对于工件的正确位置将产生y的偏移量，使工件半径产生R=y的误差。导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加工工件表面的法线方向（误差敏感方向）上，对加工精度的影响最大。,（2）导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度的影响,导轨在垂直平面内有直线度误
4、差z时，也会使车刀在水平面内发生位移，使工件半径产生误差R。与z值相比，R属微小量，由此可知，导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度影响很小，一般可忽略不计。,（3）导轨间的平行度误差对加工精度的影响,当前后导轨在垂直平面内有平行度误差（扭曲误差）时，刀架将产生摆动，刀架沿床身导轨作纵向进给运动时，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生圆柱度误差。 导轨间在垂直方向有平行度误差时，将使工件与刀具的正确位置在误差敏感方向产生偏移量，使工件半径产生R=y的误差，对加工精度影响较大。,除了导轨本身的制造误差之外，导轨磨损是造成机床精度下降的主要原因。选用合理的导轨形状和导轨组合形式，采用耐磨合金铸
5、铁导轨、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨以及对导轨进行表面淬火处理等措施均可提高导轨的耐磨性。,图4-7 滚齿机传动系统图,传动链误差,传动链误差：是指传动链始末两端传动元件相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。机床传动链误差是影响表面加工精度的主要原因之一。 提高传动元件的制造精度和装配精度，减少传动件数，均可减小传动链误差。,图,（二）刀具的几何误差 刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。采用定尺寸刀具（例如钻头、铰刀、键槽铣刀、圆拉刀等）加工时，刀具的尺寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度。采用成形刀具（例如成形车刀、成形铣刀、齿轮模数铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的
6、形状误差和磨损将直接影响工件的形状精度。对于一般刀具（例如车刀、健刀、铣刀等），其制造误差对工件加工精度无直接影响。,刀具的尺寸磨损量NB是在被加工表面的法线方向上测量的。刀具的尺寸磨损NB与切削路程l的关系如图48所示。新刃磨刀具切削初期，刀具磨损较剧烈，这段时间的刀具磨损量称为初期磨损量NB；进入正常磨损阶段后，磨损量与切削路程成正比，其斜率称为相对磨损，相对磨损表示每切削1000m路程刀具的尺寸磨损量；当切削路程 时，磨损急剧增加，这时应停止切削。,图,刀具的尺寸磨损量可用下式计算 选用新型耐磨刀具材料，合理选用刀具几何参数和切削用量，正确刃磨刀具，正确采用冷却润滑液等，均可减少刀具的尺
7、寸磨损。必要时，还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿。,（三）夹具的几何误差 夹具的作用是使工件相对于刀具和机床占有正确的位置，夹具的几何误差对工件的加工精度（特别是位置精度）有很大影响。在图49所示钻床夹具中，影响工件孔轴线a与底面B间尺寸L和平行度的因素有：钻套轴线与夹具定位元件支承平面C间的距离和平行度误差；夹具定位元件支承平面C与夹具体底面d的垂直度误差；钻套孔的直径误差等。,图,在设计夹具时，对夹具上直接影响工件加工精度的有关尺寸的制造公差一般取为工件上相应尺寸公差的1215。 夹具元件磨损将使夹具的误差增大。为保证工件加工精度，夹具中的定位元件、导向元件、对刀元件等关键易损元
8、件均需选用高性能耐磨材料制造。,二、装夹误差 装夹误差包括：定位误差、夹紧误差。 （一）定位误差 定位误差：因定位不正确而引起的误差。 定位误差的产生：是由于定位基准与工序基准不重合以及定位面和定位元件制造不准确而引起。,图,定位误差 的组成：由基准不重合误差 和定位副（含工件定位基面和定位元件）制造不准确误差 两部分组成。 定位误差 值为上述两项误差在工序尺寸方向上的代数和：,（二）夹紧误差 工件或夹具刚度过低或夹紧力作用方向、作用点选择不当，都会使工件或夹具产生变形，造成加工误差。,例如：用三爪自定心卡盘装夹薄壁套简镗孔时，夹紧前薄壁套筒的内外圆是圆的，夹紧后工件呈三棱圆形；镗孔后，内孔呈
9、圆形；但松开三爪卡盘后，外圆弹性恢复为圆形，所加工孔变成为三棱圆形，使镗孔孔径产生加工误差。为减少由此引起的加工误差，可在薄壁套筒外面套上一个开口薄壁过渡环，使夹紧力沿工件圆周均匀分布。,三、工艺系统受力变形引起的误差 （一）工艺系统刚度 1工艺系统刚度 机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、惯性力和重力等的作用下，将产生相应变形, 使工件产生加工误差。工艺系统在外力作用下产生变形的大小，不仅取决于作用力的大小，还取决于工艺系统的刚度。,图,垂直作用于工件加工表面的背向力与工艺系统在该方向上的变形y的比值，称为工工艺系统刚度 （N） 工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量 应为工艺系统
10、各组成环节在此位置受该力作用产生的变形量的代数和，即,根据刚度定义知： ， ， ， ，将它们代入上式得 由式（46）知，工艺系统刚度的倒数等于系统各组成环节刚度的倒数之和。若已知各组成环节的刚度，即可由式（46）求得工艺系统刚度。工艺系统刚度主要取决于薄弱环节的刚度。,2机床刚度 机床结构较为复杂，它由许多零、部件组成，其刚度值迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法进行测定。 测得机床部件刚度 、 、 之后，就可以通过计算求得机床刚度。,由刚度定义，上式可写为 机床刚度与各组成部件的刚度的关系式为: 分析上式可知，机床刚度取决于其组成部件的刚度，并主要取决于薄弱部件的刚度，提高机床
11、刚度要从提高弱刚度部件的刚度人手。,3机床部件刚度 是一台车床刀架部件的实测度曲线图，曲线反映了三次加载、卸载过程中的变形情况。分析图414所示刀架刚度试验曲线可知，机床部件刚度具有以下特点； l）变形与载荷不成线性关系，曲线上各点的实际刚度（各点斜率）是不同的，这说明机床部件的变形不纯粹是弹性变形。,如图,2）加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线；两曲线所包容的面积代表加载和卸载循环中消耗的能量，它消耗于克服部件内零件间摩擦力和接触塑性变形所做的功。 3）第一次卸载后，刀架恢复不到第一次加载的起点，这说明有残余变形存在，经多次加载和卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变
12、形才逐渐减小到零。,4）部件实测刚度远比按实体结构估算值小。 一个外形尺寸很大的刀架，它的实测平均刚度值只相当于一个截面积较小的铸铁悬臂梁的刚度，其原因在于刀架外形尺寸看起来很大，但它是由许许多多零件组装而成，零件间有间隙，结合面间有接触变形，由于这些因素的影响，总的变形就大了。,（二）工艺系统刚度对加工精度的影响 1加工过程中由于工艺系统刚度发生变化引起的误差,图,例,2由于切削力变化引起的误差 加工过程中，由于毛坯加工余量和工件材质不均等因素，会引起切削力变化，使工艺系统变形发生变化。从而产生加工误差。 误差复映现象： 车削一具有锥形误差的毛坯，加工表面上必然有锥形误差；待加工表面上有什么
13、样的误差，加工表面上必然也有同样性质的误差，这就是切削加工中的误差复映现象。,图,误差复映系数：加工前后误差之比值，称为误差复映系数，它代表误差复映的程度。 分析式（411）可知与 成反比； 这表明工艺系统刚度愈大，误差复映系数愈小，加工后复映到工件上的误差值就愈小。 尺寸误差和形位误差都存在复映现象。如果我们知道某加工工序的复映系数，就可以通过测量待加工表面的误差统计值来估算加工后工件的误差统计值。,当工件表面加工精度要求高时，须经多次切削才能达到加工要求。第一次切削的复映系数 ；第二次切削的复映系数 ，则该加工表面总的复映系数 因每个复映系数均小于1，故总的复映系数将是一个很小的数值。,（
14、三）减小工艺系统受力变形的途径 由工艺系统刚度表达式（44）可知，减少工艺系统变形的途径为：提高工艺系统 刚度；减小切削力及其变化。 1提高工艺系统刚度 提高工艺系统刚度应从提高其各组成部分薄弱环节的刚度入手，这样才能取得事半功倍的效果。提高工艺系统刚度的主要途径是：,（1）设计机械制造装备时应切实保证关键零部件的刚度 在机床和夹具中应保证支承件（如床身、立柱、横梁、夹具体等）。主轴部件和传动件有足够的刚度。 （2）提高接触刚度 提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。减少组成件数，提高接触面的表面质量，均可减少接触变形，提高接触刚度。对于相配合零件，可以通过适当预紧消除间隙，增大实际接触面积。
15、,（3）采用合理的装夹方式和加工方法 提高工件的装夹刚度，应从定位和夹紧两个方面采取措施。,2减小切削力及其变化 改善毛坯制造工艺，减小加工余量，适当增大前角和后角，改善工件材料的切削性能等均可减小切削力。为控制和减小切削力的变化幅度，应尽量使一批工件的材料性能和加工余量保持均匀。,四、工艺系统受热变形引起的误差 工艺系统在热作用下产生的局部变形，会破坏刀具与工件的正确位置关系，使工件产生加工误差。热变形对加工精度影响较大，特别是在精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的4070。随着高精度、高效率及自动化加工技术的发展，工艺系统热变形问题日益突出。,（一）工艺系统的热源 l切削热 切削加工过程中，消耗于切削层弹、塑性变形及刀具与工件、切屑间摩擦的能量，绝大部分转化为切削热。切削热将传入工件、刀具、切屑和周围介质，它是工艺系统中工件和刀具热变形的主要热源。,在车削加工中，传给工件的热量占总切削热的30左右，切削速度越高，切屑带走的热量越多，传给工件的热量就越少；在铣削、刨削加工中，传给工件的热量占总切削热的比例小于30；在钻削和健削加工中，因为大量的切屑滞留在
