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1、机械制造工艺学,第二章 机械加工精度,加工精度的基本概念,工艺系统的几何误差,工艺系统的受力变形,工艺系统的热变形,残余应力引起的误差,加工误差的统计分析法,本章内容提要,加工精度的基本概念,加工精度：零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的符合程度。分为： 尺寸精度； 形状精度； 位置精度； 工艺系统：由机床、夹具、刀具和工件组成的系统。 影响加工精度的因素原始误差：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,几何误差与工艺系统的初始状态有关的原始误差。 动误差与加工过程有关的原始误差。,原始误差,加工原理误差,机床主轴回转误差,测量误差,工件的装夹误差,调整误差,刀具制造误差,机
2、床导轨导向误差,机床传动误差,刀具磨损,工艺系统受力变形,工件残余应力 引起的变形,工件相对于刀具在静止状态下已存在的误差,工件相对于刀具在运动状态下已存在的误差,工艺系统受热的变形,加工精度的基本概念,工艺系统静误差,主轴回转误差 导轨误差 传动链误差,一般刀具 定尺寸刀具 成形刀具 展成法刀具,试切法 调整法,外力作用点变化 外力方向变化 外力大小变化,机床几何误差,工艺系统几何误差,原理误差,调整误差,测量误差,定位误差,工艺系统动误差,工艺系统力变形,工艺系统热变形,工艺系统内应力变形,刀具几何误差,夹具几何误差,机床热变形 工件热变形 刀具热变形,原始误差产生加工误差的根源,原始误差
3、产生加工误差的根源,原始误差产生加工误差的根源,原始误差与加工误差的关系,原始误差会影响刀具和工件间的正确几何关系，最终引起加工误差。各种原始误差的大小和方向各不相同，而加工误差必须在工序尺寸方向度量，因此不同的原始误差对加工精度有不同的影响。当原始误差方向与工序尺寸方向一致时，对加工精度的影响最大。,图2 原始误差与加工误差的关系,半径上的加工误差,d,R,R+ R,R,Z,切向误差 径向误差,原始误差与加工误差的关系(以车削为例),原始误差与加工误差的关系,误差敏感方向,误差敏感方向：对加工精度影响最大的原始误差方向。 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乎没有影
4、响。 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。,研究加工精度的方法,单因素分析法：研究某一确定因素对加工精度的影响时，不考虑其他因素对加工精度的影响，通过分析、计算或测试，得出该因素与加工误差间的关系 统计分析法：以生产中一批工件的实测结果为基础，用数理统计方法进行数据处理，用以控制工艺过程的正常进行。当发生质量问题时，从中判断误差的性质，找出误差出现的规律（只用于批量生产）,机床的几何误差主轴回转运动误差,定义：指主轴的瞬时回转轴线相对其平均回转轴线（瞬时回转轴线的对称中心），在规定测量平面内的变
5、动量。 形式： 端面圆跳动：瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动。它主要影响端面形状和轴向尺寸精度。 径向圆跳动：瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动。它主要影响圆柱面的精度。 角度摆动：瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动。它影响圆柱面和端面加工精度。,主轴回转误差的影响因素,主轴误差 轴承误差 轴承的间隙 与轴承配合的零件的误差 主轴系统的径向不等刚度和热变形,轴承孔,支承轴颈,主轴支承轴颈的圆度误差影响较大，轴承孔圆度误差影响较小。主轴径向跳动误差为d,主轴支承轴颈的圆度误差影响较小，轴承孔的圆度误差影响较大。,车床、外圆磨床,钻、铣、镗床,
6、提高主轴回转精度的措施,提高主轴部件的制造精度和装配精度 选用高精度滚动轴承 采用高精度多油楔动压、静压轴承 提高箱体支撑孔、主轴轴颈的加工精度 对滚动轴承进行预紧 采用运动和定位分离的主轴结构，使主轴的回转精度不反映到工件上去。比如：采取两个固定顶尖支承，主轴只起传动作用，工件的回转精度完全取决于顶尖和中心孔的形状误差和同轴度误差，但提高顶尖和中心孔的精度却较容易。外圆磨床即是采用此种定位结构。,机床的几何误差导轨误差,导轨导向误差：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。 导轨误差的类型 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（即扭曲度）,导轨在水
7、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Y ，如图，则车刀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差，R=Y，如图所示。 水平方向是卧式车床加工误差对导轨误差的敏感方向 外圆磨床的情况与卧式车床类似 平面磨床、龙门刨床、铣床的加工误差对导轨误差的敏感方向在铅锤方向上，故这些设备加工误差对导轨在水平面内的直线度误差不敏感。,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Z，如左图，则车刀尖的直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，R=Z2/(2R)=Z2/d。卧式车床对导轨在垂直面内直线度误差不敏感，外圆磨床的情况与卧式车床类
8、似。 平面磨床、龙门刨床和铣床的加工误差对导轨误差的敏感方向在铅锤方向上，所以这些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。,导轨面间平行度误差的影响,卧式车床两导轨间存在平行度误差时，将使床鞍产生横向倾斜，引起刀架和工件的相对位置发生偏斜，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，从而引起工件产生形状误差。 导轨平行度误差所引起的工件半径的加工误差为 一般车床H/B约为2/3，外圆磨床H/B约为1，因此导轨间的平行度误差对加工精度影响很大。,导轨在垂直方向的最大平行度误差,若车床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差，车出的内外圆柱面就产生锥度； 若在垂直面内有平行度误差
9、，则圆柱面成双曲线回转体,因是误差非敏感方向故可忽略。,导轨面间平行度误差的影响,导轨误差产生的原因,导轨误差主要来源于机床安装、机床制造、机床变形(在重力作用下），以及机床使用中的磨损。 机床的安装(包括安装地基和安装方法)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。 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。 导轨的不均匀磨损也是造成导轨误差的重要因素。,机床传动链误差,机床传动链误差,定义：指传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差,工件转角,滚刀转角,差动轮 系传动比,分度挂 轮传动比,滚齿机主传动链图,机
10、床传动链误差,例1：如图，由z1的转角误差1引起的末端件的转角误差1n,误差传递系数,对分度涡轮：,各传动件对工件精度影响的总合为各传动件所引起末端元件转角误差的叠加,机床传动链误差,传动链误差可用传动链末端元件的转角误差来衡量。由于各传动件在传动链中所处的位置不同，它们对工件加工精度（即末端元件的转角误差）的影响程度是不同的。 对升速传动链：传动元件的转角误差将被扩大 对降速传动链：传动元件的转角误差将被缩小 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。,机床传动链误差,例2：如图，车削单头螺纹时，要求工件旋转一周，相应刀具移动一个螺距S ，这
11、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，故也称为误差传递系数。,减少传动链误差产生的措施,尽可能缩短传动链,精密螺纹磨床传动系统,工件,砂轮,蜗杆副,母丝杠,螺母,工作台,机床用可换的母丝杠与被加工工件在同一轴线上串联，母丝杠的螺距等于工件螺距，传动链最短,减少传动链误差产生的措施,减少各传动原件装配时的几何偏心 提高传动链末端原件的制造精度 在传动链中按降速比递增的原则分配各传动副的传动比。具体体现为：传动链末端传动副的降速比取得越大，则传动链中其余各传动原件误差的影响就越小。 采用误差校正装置。具体做法： 人为地加入一个与传动链
12、误差 大小相等而方向相反的误差。,在降速传动链中，末端元件的误差影响最大，故其精度就应最高,根据测量被加工工件1的导程误差，设计出校正尺5上的校正曲线7，5固定在机床床身上，加工螺纹时，机床母丝杠3带动螺母2及与其相固联的刀架和杠杆4移动。同时，校正尺5上的校正误差曲线7通过触头6、杠杆4使螺母2产生一附加转动，从而使刀架得到一附加位移，以补偿传动误差。,其他几何误差,刀具误差 一般刀具（普通车刀、单刃镗刀、铣刀）的制造误差对精度无直接影响 定尺寸刀具（钻头、铰刀、拉刀）的尺寸误差直接影响加工工件的尺寸精度，刀具跳动也会影响加工精度 成形刀具（成形车刀、铣刀、齿轮刀具）的制造误差和磨损影响被加
13、工表面的形状精度 工件装夹误差与夹具磨损 测量误差 调整误差,工艺系统的两种基本调整方式,试切法调整用于单件小批量生产 方法 引起调整误差的因素 测量误差 进给机构的位移误差（低速微量进给中的“爬行”现象） 试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响 调整法调整，其影响因素包括： 上述影响试切法调整精度的所有因素； 用定程机构调整中，定程元件的制造精度和刚度； 用试样或样板调整时，样件或样板的制造、安装、对刀精度； 试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合,试切,测量,调整,再试切,工艺系统的受力变形,物体的静刚度,工艺系统的受力变形,工艺系统的总变形量,工艺系统总的刚度,机床变形量,工艺
14、系统的受力变形,工艺系统的受力变形等于各环节在误差敏感方向的变形之和。,机床刚度,夹具变形量,夹具刚度,刀架变形量,刀架刚度,工件变形量,工件刚度,工艺系统刚度：,工艺系统的受力变形,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略，所以计算工艺系统刚度时应把握主导因素，以对问题进行简化,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影响很小，可略去不计；再如镗孔时，工件(如箱体零件)的刚度一般较大，其受力变形很小，也可忽略不计。,车刀和工件的变形可忽略。工艺系统的总变形完全取决于主轴箱、尾座（包括顶尖）和刀架的变形,机床、夹具、刀具的变形可忽略，工艺系统的变形完全取决于工
15、件的变形,工艺系统受力变形对加工精度的影响,在车床上加工短轴，工艺系统刚度变化不大，可近似地作为常数。,此时，由于被加工表面的形状误差或材料硬度不均匀而引起切削,力变化，使受力变形不一致而产生加工误差。,以图示轴件车削为例，由于毛坯,圆度误差，车削时使切削深度在,p1和p2之间变化，因此，切削,分力Fy也随切削深度p的变化,由最大（Fymax）变到最小（Fymin）,。工艺系统将产生相应的变形，,即由y1变到y2（刀尖相对工件在,法线方向的位移变化），工件就,形成圆度误差，这种现象称“误差复映”,毛坯,误差复映,毛坯圆度的最大误差,车削后工件的圆度误差,又,径向切 削力系数,与工件材料 和刀具
16、角度 有关的系数,进给量,系 数,毛坯,车削后工件,误差复映大小的计算,令,误差复 映系数,误差复映系数定量地反映了毛坯误差经过加工后减少的程度，它与工艺系统刚度成反比，与径向切削力系数A成正比。,误差复映大小的计算,即为毛坯圆度的最大误差m,减小误差复映的措施, 增加工艺系统的刚度（比如增大车刀主偏角）, 减少径向切削力系数（比如减小进给量f）, 当毛坯误差较大，一次进给不能满足加工精度要求时，可多次进给来消除m复映到工件上的误差,其它力引起的加工误差,夹紧力引起的加工误差(薄壁套、薄板) 重力引起的加工误差(龙门铣、刨床刀架横梁的变形；铣、镗床镗杆伸长而下垂变形) 惯性力引起的加工误差,不平衡的高速旋转构件,离心力，且在每转中不断变更方向，当不平衡的离心力切削力 时,车床主轴轴颈和轴套内孔表面的接触点不停变化,轴套孔的圆度误差传给工件的回转中心,连接表面接触变形的影响：指零件表面的宏观和微观形状误差导致表面之间的实际接触面积减少，在接触处产生较大的接触应力而引起接触变形 实际上，连接表面的接
