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1、第四章 机械加工精度 Mechanical Working Accuracy,第一节 概述 General Consideration,1.产品质量,产品质量：产品质量是指用户对产品的满意程度。,产品质量三个层面,产品的设计质量产品的制造质量产品的服务质量,设计质量是指所设计的产品，与用户期望之间的符合程度。,制造质量是指产品的制造与设计之间的符合程度。,服务质量主要包括产品的售前服务、售后培训、维修和安装等。,2.加工精度与加工误差,加工精度：所谓加工精度是指零件在加工以后的实际几何参数(尺 寸、形状 和位置）与理想几何参数之间的符合程度。,加工误差：零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的
2、偏离程 度。,“加工精度”和“加工误差”是从两个不同的角度来评定零件几何参数这个同一事物。加工精度强调的是要求；加工误差是客观存在。加工精度的高低就是通过加工误差的大和小来表示的。所谓保证和提高加工精度的问题，实际上也就是限制和降低加工误差的问题。,加工经济精度：在正常加工条件下（采用符合质量标准的设备、 工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保 证的加工精度。,3.加工误差与成本,加工误差与成本大致呈双曲线关系，即加工误差小，成本就高。而实际上同一种加工方法在不同的条件下所能达到的精度是不同的，因此就存在一个给出的零件精度既能满足使用要求，又不至于使成本太高的问题加工经济精度。,
3、4.原始误差,工 艺 系 统,机床,工件,夹具,刀具,工艺系统：由机床、夹具、刀具和工件所构成的一个完整的系统。,原始误差：工艺系统误差即为原始误差.,在机械加工中，零件的尺寸、几何形状和表面间相对位置的形成，取决于工件和刀具在切削过程中相互位置关系，而工件和刀具，均安装在夹具和机床上面，并受到夹具和机床的约束。因此，加工精度问题也就涉及到整个工艺系统的精度问题。工艺系统的种种误差，在不同的具体条件下，以不同的程度反映为加工误差。工艺系统误差与加工误差是因果关系。因此把工艺系统误差称之为原始误差。,原 始 误 差,度量误差,工艺系统动误差,工艺系统受力变形,工艺系统热变形,刀具磨损,工件内应力
4、引起的变形,原理误差,工件装夹误差,工艺系统静误差,机床误差,夹具误差,刀具误差,调整误差,由于采用了近似的加工运动或近似的刀具轮廓而产生的,工件装夹误差主要包括定位误差和由于夹紧力过大而引起的夹紧误差。,调整的作用是使工件和刀刃之间保持正确的相对位置。调整误差包括工件装夹前后对机床部件的调整、夹具在机床上位置的调整以及刀具调整。,度量方法和量具本身的误差在测量时自然就加入到度量的读数之中，从而使测量值产生误差，称为度量误差。,第二节 工艺系统静误差 Static error of the technical system,1.机床的几何误差,几何精度：是指机床在不运转时部件间相互位置精度和主
5、要零件的 形位精度。,机床几何精度是一项基础精度，我国已有部颁标准机床专业标准，机床在出厂前都要通过机床精度检验。,几何误差来源,机床本身制造,机床磨损,机床安装,（1）主轴回转误差,主轴回转误差：是指主轴各瞬间的实际回转轴线相对于其平均回 转轴线的变动量。,主轴回转误差项,主轴径向跳动,主轴轴向窜动,主轴角度摆动,影响径向跳动因素,机床本身的制造轴承装配,产生轴向窜动原因,主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴轴线不垂直,产生角度摆动原因,主轴前后支承不同轴且径跳方向相反,特别说明：据统计，在影响主轴回转误差的因素中，轴承约占 20%，制造和装配占80%。,（2）导轨误差,导轨误差项,水平面内的直
6、线度,垂直面内的直线度,扭曲,在以上三个因素中，以水平方向（加工误差敏感方向）对加工精度影响为最；垂直方向一般较小，可忽略不计；导轨的扭曲视具体情况，一般也较大，应予以考虑。,对于导轨而言，磨损是导致其精度下降的主要原因之一。所以应在设计时，采取措施来提高导轨的耐磨性。,2.传动链误差,传动精度：传动精度是指机床传动链个末端执行件之间运动的均 匀性和协调性。,传动误差的传递规律,在传动链中，各传动件的误差不仅在一对传动副中相互传递，而且在整个传动链中按传动比依次传递，最后反映到末端件上，使工件或刀具产生传动误差。,i-n=iui-n,由于传动链是由若干传动件所组成的，所以每一传动件的误差都将传
7、递到末端件上，而引起末端件的转角误差。假定误差分布为正态分布，应根据概率原理进行数据处理。,提高传动精度的途径,缩短传动链,合理选择传动元件,合理分配传动副的传动比及其精度,提高传动元件的制造和装配精度,采用校正装置,3.刀具误差,刀具误差对加工精度的影响,定尺寸刀具：尺寸误差直接影响工件尺寸精度。成形刀具：其形状误差直接影响工件形状精度。展成刀具：切削刃形状对工件的形状、尺寸有影响。一般刀具：如车刀、镗刀等，对加工精度无直接影响。,除了刀具制造时的几何误差外，刀具的磨损及磨损的不均匀对加工误差也有直接影响。所以在加工过程中，应控制刀具的磨损在正常磨损阶段内。,4.夹具误差,夹具误差是夹具在制
8、造时的制造误差（如尺寸、形位等）和夹具在使用时的磨损。夹具误差对加工精度将产生影响。因此，在夹具设计时应按照夹具的设计要求，严格控制夹具的形位公差，一般取工件相应尺寸公差的1/31/5。,第三节 工艺系统动误差 Dynamic error of the technical system,1工艺系统的受力变形,结论：工艺系统的受力变形是机械加工精度中一项很重要的原始误差。它不仅严重地影响着加工后工件的加工精度，而且还影响着表面质量，限制着切削用量和生产率的提高。,工艺系统刚度：一般把垂直作用于工件加工表面（加工误差敏感 方向）的径向分力与工艺系统在该方向的变形之间的比 值，称为工艺系统刚度。,K
9、系=Fy/y,式中的变形y不只是由径向分力Fy所引起，而是三个切削分力在y方向变形的代数和，即：,y=yFx+yFy+yFz,（1）工艺系统刚度,系统刚度及特点,当工件的刚度对加工误差有影响时，其最大变形量可按材料力学的有关公式进行计算。 如悬臂梁：,刀具在加工敏感方向上的刚度很大(如车刀)，其变形可以忽略不计；当刀具刚度对加工精度有影响时，其变形也可以按材料力学的有关公式进行计算。,夹具固定在机床上使用，被认为是机床的一部分，所以其变形一般情况下不单独予以考虑。,机床部件是由若干的零件组成的，刚度问题比较复杂。到目前为止还没有合适的计算方法，而需要用实验的方法加以测定。,车床刚度测试曲线,力
10、和变形的关系不是直线关系，即不符何虎克定律，这反映了部件的变形不纯粹是弹性变形。,加载曲线与卸载曲线不重合，它们间包容的面积代表了在加载和卸载的循环中所损失的能量，即在克服部件内零件之间的摩擦力和接触面塑性变形所作的功。,当载荷去除后，变形恢复不到起点，说明部件的变形不单有弹性变形，而且还有塑性变形。,部件的实际刚度比理论估算的要小组合件。,（2）影响工艺系统刚度的主要因素,接触变形零件与零件接触点的变形,接触刚度：零件结合面间抵抗变形的能力。,影响接触刚度因素,材料及几何尺寸硬度 表面粗糙度几何精度 加工方法及相对运动方向 接触面间的介质及预紧力压强等,薄弱零件本身的变形,在部件中，个别薄弱
11、零件对部件的刚度影响较大。如导轨中的楔铁，由于结构薄而长，加工时不易做得平直，因此在外力作用下很容易发生变形。而且这类部件的刚度曲线具有先低后高的特征。,间隙的影响,在刚度试验中如果在正反两个方向加载，便可发现间隙对变形的影响。但在加工过程中，如果是单向受力，使零件始终靠在一面，那么间隙对加工精度基本无影响；如果受力方向经常改变，则间隙引起的位移对加工精度的影响就比较重要了。,摩擦的影响,在加载时，零件与零件接触面间的摩擦力阻止变形的增加；在卸载时，摩擦力又阻止变形的减少。因此在实验曲线上显示出加载曲线与卸载曲线不重合。,施力方向的影响,由于在加工敏感方向上的变形是在三维切削力作用下的综合结果
12、，且由于结构上的原因，作用在刀刃上的切削力不是均等地传递到刀架部件中各个接触面上，而是有的接触面上的受力大些，有的小些，因此变形也是不一样。,（3）工艺系统刚度对加工精度的影响,环节变形的综合性和叠加性,部件是由若干零件装配而成的，因此部件的变形是零件本身的变形和零件间每一对接触副的接触变形综合的结果。或者说，凡是在外力作用下传递到力的“环节”，都有不同程度的变形参与到部件的总变形中来。所以，工艺系统的受力变形量是其各组成部分变形的叠加，即：,y系=y机+y夹+y刀+y工,由于工艺系统刚度、机床刚度、夹具刚度、工件刚度可分别写为：,k系=Fy/ y系 , k机=Fy/ y机 ,k夹=Fy/ y
13、夹 ,k刀=Fy/ y刀 ,k工=Fy/ y工,1/ k系 =1/k机+1/ k夹+1/ k刀+1/ k工,代入上式有：,即工艺系统刚度的倒数等于其组成部分刚度的倒数之和。,工艺系统刚度常以下列几种形式对加工精度产生影响。,受力点位置的变化而引起的工件形状误差,结论：工艺系统的刚度在沿工件轴向的各个位置是不同的，所以加工后工件各个截面上的直径尺寸也不相同，造成了加工后工件的形状误差（如锥度、鼓形、鞍形等）。,误差复映,误差复映现象：由于毛坯加工余量和材料硬度的变化，引起了切 削力和工艺系统受力变形的变化，因而使加工后工件的尺寸 误差和形状误差产生了与毛坯误差相似的现象。,设毛坯误差为毛 、而由
14、毛坯误差引起的工件误差为工 ，其值分别为：,毛 =ap1ap2 工 =y1 y2,工 与毛的比值称为误差复映系数，该值反映了误差复映程度。即：,=工 /毛,通过分析推导，可得误差复映系数为：,=工 /毛=C/ k系,结论：由上式可知，k系愈大，误差复映系数就愈小，毛坯误差复映到工件上的部分就愈小；当加工过程分为几个工步进行时，因为每个工步的复映系数分别为1、2、3，则总的复映系数总 为各个工步误差复映系数之积。,误差复映概念的推广,毛坯的形状误差会因为切削余量不均匀，以一定的复映系数复映成工件的加工误差。,当采用定尺寸调整法加工时造成了一批工件的“尺寸分散” 的原因，也是由毛坯的误差使加工余量
15、不均匀引起的。查明误差复映的大小和原因，是涉及加工精度问题时要做的一项工作,当误差复映现象比较明显时，需要从实际反映的复映系数着手分析提高加工精度的途径。如加工细长轴、较细磨杆磨削内孔等。,其它力的影响,其它力影响,夹紧力的方向和作用点选择不当，将引起工件变形，造成相应的加工误差。,机床部件和工件本身重量及它们在移动中位置变化而产生的影响,传动力的影响,惯性力的影响,（4）减少工艺系统受力变形的途径,提高工艺系统刚度,预加载荷,设置辅助支承,工件刚度成为产生加工误差的薄弱环节时，缩短切削力作用点和支承点的距离也可以提高工件的刚度。例如使用中心架。,合理装夹方式,合理加工方式,防止爬行,爬行现象：当移动部件的进给速度较低时，出现的一种时快时 慢、时走时停的跳跃式前进的现象。,减少静、动摩擦系数之差,提高传动系统刚度,用滚动摩擦、液体摩擦代替滑动摩擦；采用“防爬油”；采用减摩材料，降低摩擦系数。,缩短传动链，减少传动件数量；合理分配传动比，使U1，以提高系统刚度；提高传动件刚度，合理确定结构尺寸与位置；在液压系统中，采取措施防止液体压缩；增加系统阻尼、减轻移动部件质量等。,
