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1、1,第2章 机械加工精度及其控制,本章要点,影响加工误差的因素,工艺系统几何误差,工艺系统受力变形,工艺系统热变形,加工误差的统计分析,提高加工精度途径,2,机械制造工艺学,第2章 机械加工精度及其控制 Analysis and Control of Machining Precision,2.1 概述 Introduction to Machining Precision,3,2.1.1 机械加工精度,（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）,表面粗糙度 波度 纹理方向 伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）,加工质量包含的内容,4,2.1.1 机械加工精度,加工精度：零件加工后实际几
2、何参数与理想几何参数（尺寸、形状和表面间的相互位置）符合程度。 加工误差：零件的实际几何参数与理想几何参数的偏差。 两者关系 ：,加工精度的合理制定 ：,一般加工精度越高则加工成本相对越高，生产效率则相对越低，因此设计人员应根据零件的使用要求，合理规定零件的加工精度，工艺人员则根据设计要求生产条件适当的工艺方法以保证加工误差不超过允许范围，并尽量提高生产率和降低成本 。,两者从不同角度来评定加工零件的几何参数。加工精度的 高低是由加工误差的小大来表示的，保证和提高加工精度 问题，实际上是限制和降低加工误差问题。,5,2.1.1 机械加工精度,加工精度内容：,尺寸精度、形状精度和位置精度三者之间
3、关系：,通常形状公差限制在位置公差内，而位置误差一般限制在尺寸公差之内。当尺寸精度要求高时，相应的位置精度、形状精度也要求高。但形状精度或位置精度要求高时，相应的尺寸精度不一定要求高，这要根据零件的功能要求来决定。,工艺系统:,在机械加工时，机床、刀具，夹具和工件构成一个完整的系统，为工艺系统。,工艺系统误差与加工误差关系 (因果关系),工艺系统中的种种误差，在不同的具体条件下，以不同的程度和方式反映 为加工误差，工艺系统的误差时”因”,是根源；加工误差是“果”，是表现。,6,引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。,2.1.2 影响加工精度的原始误差及分类,
4、原始误差构成,7,2.1.2 影响加工精度的原始误差及分类,8,2.1.3 误差敏感方向,图中：,显然：,工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。 误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。,9,2.1.4 研究加工质量的方法, 理论方法：运用物理学和力学原理，分析研究某一个或某几个因素对加工精度或表面质量的影响。 试验方法：通过试验或测试，确定影响各因素与加工质量指标之间的关系。, 统计分析方法：运用数理统计原理和方法，根据被测质量指标的统计性质，对工艺过程进行分析和控制。,实际生产中上述两种方法常常结合起来应用。,10,2.1
5、.5 全面质量管理（TQM）,一个组织以质量为中心，以全员参与为基础，通过让顾客满意和本组织成员及社会受益而达到长期成功的管理途径。,质量第一 一切为用户服务 质量形成于生产全过程 质量好坏凭数据说话 预防为主，防检结合 以人为本 动态管理,11,2.1.5 全面质量管理（TQM）,ISO9000质量标准,ISO9000是国际标准化组织（ISO）制定的质量标准体系，它由一系列质量标准组成，其中最主要和应用最广泛的有6项标准，各项质量标准之间的关系如图所示。,12,2.1.5 全面质量管理（TQM）,ISO9000质量体系认证可以对 ISO9001、ISO9002和ISO9003中任意一个进行认
6、证。这3个认证标准在内容上是逐次包容的。,13,机械制造工艺学,第2章 机械加工精度及其控制 Analysis and Control of Machining Precision,14,加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。,2.2.1 加工原理误差,式中 R 球头刀半径； h 允许的残留高度。,又如用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮,例如在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件（见图）,采了近的成型运动或近的刀刃轮廓，常常可以简化机床结构或刀具形状，或可提高生产率，有时还可得到较高加工精度。故在生产中广泛采用，其前提是原理误差不超过规定精度要求（通常原理误差
7、不超过1015工件公差）。,15,2.2.2 调整误差,测量误差 试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差 机床进给机构的位移误差,定程机构误差 样件或样板误差 测量有限试件造成的误差 和试切法有关的误差,试切法与调整法,16,导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差 包括：导轨在水平面内的直线度，导轨在垂直面内的直线度，前后导轨平行度（扭曲），导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等,导轨导向误差对加工精度的影响,导轨水平面内直线度误差：误差敏感方向，影响显著 导轨垂直面内直线度误差：误差非敏感方向，影响小 导轨扭曲：对加工精度的影响显著（图）,2.2.3 机床误差,导轨导向误差概念,1
8、7,导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响,2.2.3 机床误差,a）c）水平面内不平行 b)垂直面内不平行,18,影响导轨导向精度的主要因素,2.2.3 机床误差,机床制造误差 机床安装误差 导轨磨损,19,2.2.3 机床误差,主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。 用平均回转轴线（主轴各瞬时回转轴线的平均位置）代替。 为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式。,主轴回转误差概念,20,2.2.3 机床误差,主轴回转误差对加工精度的影响,主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）5微米,考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线
9、运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：,式中 R 刀尖回转半径； 主轴转角。,显然，上式为一椭圆。,21,径向跳动对车外圆精度影响,2.2.3 机床误差,仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆（图）。,思考：主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率为主轴转速两倍，被车外圆形状如何？,结论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差,主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）,22,2.2.3 机床误差,主轴端面圆跳动对加工精度的影响(23微米）,对圆柱面加工没有影响； 被加工端面不平，与圆柱面不垂直（如
10、主轴回转一周，端面跳动一次，加工出的端面近似螺旋面）； 加工螺纹时，产生螺距周期性误差。,23,2.2.3 机床误差,主轴倾角摆动对加工精度的影响,（1）几何轴线相对与平均轴线在空间成一定锥角的圆 锥运动,若沿与平均轴线垂直的各个截面来看，相当于几何轴线绕平均轴心做偏心运动，只是各截面的偏心量不同。因此，无论车削还是镗削都能获得一个正圆柱。,（2）几何轴线在某一平面内作角度摆动,若频率和主轴回转频率一致，沿与平均回转轴线垂直的各个截面看，车削表面是一个圆，整体为一圆柱，镗孔时，在垂直于主轴平均轴线的各个截面内都形成椭圆，整体加工出椭圆柱。,24,25,26,2.2.3 机床误差,影响主轴回转精
11、度的主要因素,内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差,滑动轴承（注意切削力的方向）,镗床 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动,滚动轴承,车床 轴径不圆引起车床主轴向跳动（注意其频率特性）,静压轴承 对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用,27,2.2.3 机床误差,推力轴承,滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差,轴承间隙的影响,影响主轴回转精度的主要因素,轴承间隙过大，使主轴工作时油膜厚度增大油膜承载能力降低，当工作条件(载荷、转速等)变化时，油楔厚度变化较大，主轴轴线漂移量增大。,28,2.2.3 机床误差,与轴承配合的零件误差的影响 轴承内、外圈或轴瓦受力后容易变形，与之配合的轴颈或箱体支承孔
12、的圆度误差，使轴承圈或轴瓦发生变形而产生圆度误差； 与轴承圈端面配合的零件如轴肩、过渡套、袖承端盖、螺母等的有关端面的平面度误差，或与主轴回转轴线不垂直，会使轴承圈滚道倾斜，造成主轴回转轴线的径向、轴向漂移； 箱体前后支承孔、主轴前后支承轴颈的同轴度会使轴承内外圈滚道相对倾斜，同样也会引起主轴回转轴线的漂移。,主轴转速的影响 由于主轴部件质量不平衡、机床各种随机振动以及回转轴线的不稳定随主轴转速增加而增加，使主轴在某个转速范围内的回转精度较高，超过这个范围时，误差就较大。产生轴线的漂移。,主轴系统的径向不等刚度和热变形 主轴系统的刚度，在不同方向上往往不等，受外力作用时变形不一致。 机床工作时
13、，主轴系统的温度将升高，轴承径向热变形不相等，前后轴承的热变形也不相同，主轴必须停车时使温度发生变化，引起主轴回转轴线的位置变化和漂移而影响主轴回转精度。,29,2.2.3 机床误差,传统测量方法存在问题,主轴回转误差的测量,准确测量方法,包含心轴、锥孔误差在内 非运动状态。,30,2.2.3 机床误差,提高主轴部件制造精度 对滚动轴承进行预紧 使主轴回转精度不反映到工件上,提高主轴回转精度的措施,磨床采用死顶尖支承,用镗模镗孔,31,机床传动误差对加工精度的影响,以齿轮机床传动链为例：,式中 n 传动链末端元件转角误差； kj 第j 个传动元件的误差传递系数，表明第j个传动元件对末端元件转角
14、误差影响程度，其数值等于该元件至末端元件的传动比； n 传动链末端元件角速度； j 第j 个传动元件转角误差的初相角。,2.2.3 机床误差,32,缩短传动链长度 提高末端元件的制造精度与安装精度 采用降速传动 采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节 对传动误差进行补偿,末端元件转角误差,提高传动精度措施,2.2.3 机床误差,33,末端元件转角误差,2.2.3 机床误差,34,2.2.4 夹具制造误差与磨损,夹具误差影响加工位置精度。 与夹具有关的影响位置误差因素包括：,通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。,1）定位误差； 2）刀具导向（对刀）误差； 3）夹紧误差
15、； 4）夹具制造误差； 5）夹具安装误差； ,35,2.2.5 刀具制造误差与磨损,定尺寸刀具（钻头、绞刀、键槽铣刀、浮动镗刀块、拉刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差 成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差 刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差,车刀后刀面磨损对加工尺寸影响,刀具磨损过程,36,机械制造工艺学,2.3 工艺系统受力变形对 加工精度的影响 Static Stiffness of Technological System and its influence to machining Precision,第2章 机械加工精度及其控制 Analysis and Control of Ma
16、chining Precision,37,在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比,2.3.1 基本概念,工艺系统刚度定义,式中 k工艺系统刚度； Fp吃刀抗力； y 工艺系统位移（切削合力作用下的位移）。,工艺系统受力变形,工艺系统受力变形引起加工误差,38,2.3.2 工艺系统刚度计算,式中 k 工艺系统刚度； kjc 机床刚度； kjj 夹具刚度； kd 刀具刚度； kg 工件刚度。,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：,工艺系统刚度计算公式,工艺系统刚度计算说明,工件、刀具形状简单时，其刚度可用材料力学公式计算 对机床部件、夹具等，其刚度多采用实验方法确定 计算时可适当简化（忽略变形小的部分）,39,机床变形引起的加工误差,2.3.3 工艺系统刚度对
