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1、第七章：机械加工精度 （约6学时） 本章提要,机器零件的加工质量是整台机器质量的基础，零件的加工质量一般用机械加工精度和加工表面质量两个重要指标表示，本章仅研究机械加工精度的问题，其讨论的内容有机械加工精度的基本概念、影响加工精度的因素、加工误差的综合分析及提高加工精度的途径四个方面。,7.1机械加工精度的基本概念 7.1.1加工精度与加工误差,加工精度：零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数相符的程度。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。,7.1.2研究加工精度的方法,研究加工精度的方法的一般有两种： 一是因素分析法(通过分析计算或实验、测试等方
2、法，研究某一确定因素对加工精度的影响。一般不考虑其它因素的同时作用，主要是分析各项误差单独变化规律)。 二是统计分析法(运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数据处理，用以控制工艺过程的正常进行。主要是研究各项误差综合的变化规律，只适用于大批、大量的生产条件),7.2影响加工精度的因素,零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统中进行的。工艺系统中凡是直接引起加工误差的因素都称为原始误差。*原始误差的分类归纳如下：,图7.1为活塞销孔精镗工序中的各种原始误差：,图7.2以车削为例说明原始误差与加工误差的关系。(图中实线为刀尖正确位置，虑线为误差位置。),图7.2(a)刀尖
3、位移Z与加工半径误差 R的关系：R2 + Z2（R+ R）2化简推导得： R Z2/(2R) 图7.2(b)刀尖位移Y与加工半径误差 R的关系： R =Y前者数值极小以致可忽略后者造成的加工误差较大前者是在加工表面切线方向后者是在加工表面法线方向后者加工表面的法线方向称加工误差敏感方向*结论：加工误差敏感方向上刀尖位移会造成大的加工误差,7.2.1加工原理误差,加工原理是指加工表面的形状原理。 *加工原理误差是由于采用了近似的切削运动或近似的切削刃形状所产生的加工误差(如：齿轮滚刀：一 阿基米德或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆； 二 近似折线代替渐开线。 ),7.2.2机床误差,机床误差是
4、指在无切削负荷下，来自机床本身的制造误差、安装误差和磨损。其常见形式：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差,7.2.2.1主轴回转误差 主轴回转误差的概念,(图7.3 机床主轴回转误差的类型)纯径向跳动：实际回转轴线始终平行于理想回转轴线，在一个平面内作等幅的跳动。 纯轴向跳动：实际回转轴线始终沿理想回转轴线作等幅的窜动。 纯角度摆动：实际回转轴线与理想回转轴线始终成一倾角，在一个平面上作幅摆动，且交点位置不变。 由于主轴回转误差总是上述三者的合成。造成主轴回转误差的主要因素与主轴部件的制造精度有关。,在采用滑动轴承结构为主轴的车床上车削外圆：,主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触，
5、主轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向回转精度则影响不大；,主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大。,车床：滚动轴承内环外滚道的圆度误差对主轴径向圆跳动影响较大；,采用滚动轴承结构主轴：,镗床：轴承外环内滚道的圆度误差对主轴径向圆跳动影响较大。,滚动体的尺寸误差将直接影响主轴径向圆跳动误差的大小。,主轴回转误差对加工精度的影响,不同型式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的；而同一类型的回转误差在不同的加工方式中的影响也不相同。如图7.5图7.8和表7.1所示,避免
6、措施适当提高主轴及箱体的制造精度、选用高精度的轴承、提高主轴部件的装配精度、对高速主轴部件进行平衡、对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。,7.2.2.2导轨误差 导轨在垂直面内的直线度误差,卧式车床或外圆磨床的导轨垂直面内有直线度误差，是误差非敏感方向，可忽略不计(图7.9(a) 。平面磨床、龙门刨床这时是误差敏感方向，所以导轨误差将直接反映到被加工的零件上。,导轨在水平面内的直线度误差,Y（见图7.9(b)） 对于卧式车床是误差敏感方向，影响较大，零件的加工误差R Y 。 对于平面磨床、龙门刨床这时是误差非敏感方向，影响可忽略。,前后导轨的平行度误差,半径加工误差R Y Z（H
7、/B）较大,导轨与主轴回转轴线的平行度误差,若车床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行误差，车出的内外圆柱面就产生锥度；若在垂直面内有平行误差，则圆柱面成双曲线回转体(图7.11)，因误差非敏感方向故可略,7.2.2.3传动链误差,传动链误差是指机床内联系传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差。,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； 采用误差补偿机构或自动补偿装置。,7.2.3工艺系统受力变形 7.2.3.1工艺系统刚度,工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、重力和惯性力等外力
8、作用下，使零件产生加工误差。例如图7.12(a)车细长轴，图7.12(b)车削粗短工件时，,图7.12c所示在车床加工薄壁零件的内孔。由于刚度较低或着力点不当，都会引起工件变形，造成加工误差。特别是薄壁套、薄板件，夹紧力常常会引起很显著的加工误差。,工艺系统刚度(K系统)是指切削力在加工表面法向的分力FY与FX、FY、FZ同时作用下产生的沿法向的变形Y系统之间的比值：K系统=FY/Y系统 (刚度的倒数称为柔度，柔度C1/K系统 Y系统/ FY） 由于力与变形一般都是在静态条件下进行考虑和测量的，故上述刚度、柔度分别 为静刚度和静柔度,为分析工艺系统各组成部分的变形规律及其特点，现介绍工艺系统各
9、组成部分的刚度 零件的刚度形状规则、简单的零件的刚度可用有关力学公式推算，如公式7.9;公式7.10等。,机床部件的刚度,机床部件(如图7.13) 的受力变形主要影响是间隙、油膜层和薄弱零件变形。其刚度远比单个零件小，一般用实验方法测定。,工艺系统的刚度,由工艺系统受力总变形是各个组成部分变形的叠加，即 Y系统=Y机床+Y夹具+Y刀具+Y工件而工艺系统各部件的刚度又为：K系统=FY/Y系统 K机床=FY/Y机床 K夹具=FY/Y夹具 K刀具=FY/Y刀具 K工件=FY/Y工件推导得P202公式7.11：K系统（1/K机床+1/K夹具+1/K刀具+1/K工件）1,由公式7.11知： 知道工艺系统
10、各组成部分的刚度后，就可以求出整个工艺系统的刚度。 整个工艺系统的刚度比其中刚度最小的那个环节的刚度还小。从减小形状误差的角度来看，机床各个部分的刚度相差不要悬殊是很重要的。在很多情况下，某一部件的刚度过高于其他部分意义不大。找出刚度薄弱的环节加以提高，使其和其他部分大体接近的办法，称为刚度平衡。这是提高工艺系统刚度的一个有效措施。,* 7.2.3.2 工艺系统受力对加工精度的影响 切削过程中力作用位置的变化对加工精度的影响 (见图7.18),图7.19表示内圆磨床、卧式镗床上加工时工艺系统受力变形随受力点位置变化而变化的情况。,切削过程中受力大小变化对加工精度的影响,图7.20为车削有椭圆形
11、圆度误差的短圆柱毛坯外圆，刀尖调整到要求尺寸(图中虚线位置)，在工件的每一转中切深由毛坯长半径的最大值 变化到短半径的最小值 时，切削力也就是由最大 的变化到最小 的，由Y=FY/K可知切削力变化引起对应的让刀变形Y1 、Y2 。,图7.20 毛坯形状误差复映,工件转一周，工艺系统变形不同，加工后工件表面仍有椭圆形的圆度误差。,车削时切削深度在p2p1之间变化。,因此切削分力Fy也随着切削深度p的变化由最小(Fy2)变到最大(Fy1)，,工艺系统将产生相应的变形，即由y2变到y1 (刀尖相对于工件在法线方向的位移变化)，,Y1Y 2 工件 毛坯误差复映系数 （系统）误差复映规律：当毛坯有形状或
12、位置误差时，加工后工件仍会有同类的加工误差。但每次走刀后工件的误差将逐步减少。,*毛坯的误差复映：,降低复映误差的主要工艺措施, 提高工艺系统刚度：由公式7.14可知,提高工艺系统刚度是降低误差复映的一个有效措施。, 增加走刀次数:设每次走刀的误差复映系数 为 、 、 ,总误差复映系数为:,因此增加走刀次数，可大大降低工件的复映误差。但走刀次数太多，会降低生产率。 提高毛坯精度(减少尺寸变动范围)和材质的均匀性:可降低复映误差。,* 7.2.4工艺系统的热变形 7.2.4.1机床热变形对加工精度的影响,图7.21(a)是车床的热变形趋势 图7.21(b)万能铣床的热变形趋势,导轨磨床热变形,立
13、式铣床受热变形形态,外圆磨床受热变形形态,7.2.4.2刀具的热变形对加工精度的影响,刀具热变形的热源是切削热图7.22车刀的热伸长,7.2.4.3工件的热变形对加工精度的影响,工件热变形的热源主要是切削热。当加工较短零件时，由于走刀行程短，可忽略轴向热变形引起的误差；当车削较长零件时，在沿零件轴向位置上切削时间有先后，开始切削时零件温升为零，随着切削的进行零件受热膨胀，到走刀终了时零件直径增量最大，因此车刀的切深随走刀而逐渐增大，零件冷却之后会出现圆柱度误差。,1. 减少热源的发热,减少和控制工艺系统热变形的主要途径,为减少机床的热变形，凡是可能分离出去的热源，如电动机、变速箱、液压系统、冷
14、却系统等，均应移出。 对于不能分离的热源，如主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等，则可以从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热； 也可用隔热材料将发热部件和机床大件(如床身、立柱等)隔离开来。,对于发热量大的热源，如果既不能从机床内移出，又不便隔热，则可采用冷却措施，如增加散热面积或使用强制式的风冷、水冷、循环润滑等，控制机床的局部温升和热变形。,(1)采用热对称结构 将轴、轴承、传动齿轮尽量对称布置，可使变速箱箱壁温升均匀，减少箱体变形。机床大件的结构和布局对机床的热态特性有很大影响。以加工中心为例，在热源的影响下，单立柱结构的机床会产生相当大的扭曲变形，而双立柱结构的机床由于左右对
15、称，仅产生垂直方向的热位移，很容易通过调整的方法予以补偿。因此双立柱结构的机床的热变形比单立柱结构的机床小得多。,2. 用热补偿方法减少热变形(均衡温度场),单纯的减少温升有时不能收到满意的效果，可采用热补偿的方法使机床的温度场比较均匀，从而使机床产生不影响加工精度的均匀变形。,合理的结构设计：,采用热对称结构 将轴、轴承、传动齿轮尽量对称布置，可使变速箱箱壁温升均匀，减少箱体变形。机床大件的结构和布局对机床的热态特性有很大影响。以加工中心为例，在热源的影响下，单立柱结构的机床会产生相当大的扭曲变形，而双立柱结构的机床由于左右对称，仅产生垂直方向的热位移，很容易通过调整的方法予以补偿。因此双立
16、柱结构的机床的热变形比单立柱结构的机床小得多。,3. 采用合理的机床部件结构减少热变形的影响,（1）合理的结构设计：,(2) 合理选择机床部件的装配基准,下图为车床主轴箱在床身上的两种不同的定位方式。因主轴部件是车床主轴箱的主要热源，故在图a中，主轴轴心线相对于装配基准H而言，主要在Z方向产生热位移，对加工精度影响较小；而在图b中，y方向的受热变形对加工精度的影响较大。,空转加热或人为加热。,4. 加速达到工艺系统热平衡状态,对于精密机床特别是大型机床，达到热平衡的时间较长。为了缩短这个时间，可以在加工前，使机床高速空运转，或在机床的适当部位设置控制热源，人为地给机床加热，使之较快达到热平衡状态，然后进行加工。基于同样原因，精密机床应尽量避免中途停车。,
