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1、实验二实验二 机械加工精度分析机械加工精度分析 中国地质大学（北京）中国地质大学（北京）机械工程实验教学中心机械工程实验教学中心 吕战竹吕战竹实验二实验二 机械加工精度分析机械加工精度分析 一、机械加工精度概述一、机械加工精度概述二、工艺系统几何误差二、工艺系统几何误差三、调整误差三、调整误差四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差五、工艺系统受热变形引起的误差五、工艺系统受热变形引起的误差六、内应力重新分布引起的误差六、内应力重新分布引起的误差七、实验目的与内容七、实验目的与内容一一 、机械加工精度概述、机械加工精度概述（一）概述（一）概述1. 1. 加工精度与加工误差加
2、工精度与加工误差加工精度加工精度：零件加工后的实际几何参数（尺寸、：零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与形状和位置）与理想几何参数理想几何参数的的符合程度符合程度符合程度符合程度。加工误差：加工误差：零件加工后的实际几何参数（尺寸、零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）对理想几何参数的形状和位置）对理想几何参数的偏离程度偏离程度偏离程度偏离程度。三点注意！三点注意！三点注意！三点注意！理想几何参数的正确含义理想几何参数的正确含义加工精度与加工误差的关系加工精度与加工误差的关系包含的三个方面内容包含的三个方面内容（一）概述（一）概述2. 原始误差原始误差 工艺系统存在着误差是引起
3、加工误差的根工艺系统存在着误差是引起加工误差的根本原因，将工艺系统的误差称为原始误差。本原因，将工艺系统的误差称为原始误差。包括包括工艺系统的几何误差、定位误差、受力变形引起的加工艺系统的几何误差、定位误差、受力变形引起的加工误差、受热变形引起的加工误差、内应力重新分布引起工误差、受热变形引起的加工误差、内应力重新分布引起的变形以及原理误差、调整误差和测量误差等。的变形以及原理误差、调整误差和测量误差等。 原理误差原理误差 工件装夹误差工件装夹误差 调整误差调整误差 机床误差机床误差 夹具误差夹具误差 刀具制造误差刀具制造误差刀具磨损刀具磨损工艺系统受力变形工艺系统受力变形工艺系统受热变形工艺
4、系统受热变形内应力引起的变形内应力引起的变形测量误差测量误差加工前加工前加工中加工中加工后加工后与初始状态有关与初始状态有关与工艺过程有关与工艺过程有关工艺系统工艺系统静误差静误差工艺系统工艺系统动误差动误差（一）概述（一）概述3.3.误差敏感方向误差敏感方向例例：车削外圆时车削外圆时RYRRR =X显然： 工艺系统原始误差方向不同，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。对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。称为误差敏感方向。误差敏感方向YR0Xa）YR0Xb） 误差敏感方向一般为加工表误差敏感方向一般为加工表面过切削
5、点的法线方向。面过切削点的法线方向。二、工艺系统几何误差二、工艺系统几何误差1 1、机床的几何误差、机床的几何误差机床、刀具、夹具的几何误差机床、刀具、夹具的几何误差主轴回转误差、导轨误差、传动链误差主轴回转误差、导轨误差、传动链误差（1）主轴回转误差：主轴各瞬间实际回转轴）主轴回转误差：主轴各瞬间实际回转轴线对其理想回转轴线的变动量。可分解为线对其理想回转轴线的变动量。可分解为径向径向圆跳动圆跳动、轴向窜动轴向窜动和和角度摆动角度摆动三种形式。三种形式。1 1、机床的几何误差、机床的几何误差（2）导轨误差）导轨误差导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差此外，导轨的不均匀磨损和安装质量也
6、是造成导轨误差的重要因素。导轨精度要求包括：在水平面内的直线度；在垂直面内的直线度；前后导轨的平行度（扭曲）；导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等。1 1、机床的几何误差、机床的几何误差（3）传动链误差）传动链误差指传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差。主要影响刀具与工件之间速比关系的准确性（如螺纹、齿轮加工时），一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。以滚齿机为例减小传动链误差的措施减小传动链误差的措施: :1）尽可能缩短传动链，减少误差源数2）尽可能降速传动，并使末端传动副采用大的降速比，且要提高末端传动件的精度3）提高传动元件的制造精度和装夹精度，减小误差源，特别是升速传动元件。此
7、外，还可采用传动误差补偿装置2 2、刀具的几何误差、刀具的几何误差 定尺寸刀具定尺寸刀具的尺寸和形状误差影响加工的尺寸和形状误差影响加工尺寸和形状精度尺寸和形状精度 成形刀具成形刀具的形状误差和安装误差影响加工的形状误差和安装误差影响加工形状精度形状精度 展成刀具展成刀具的尺寸、形状及安装误差影响加工的尺寸、形状及安装误差影响加工形状精度形状精度 一般刀具一般刀具的制造误差的制造误差不直接影响不直接影响加工精度加工精度 刀具磨损刀具磨损对加工精度的影响对加工精度的影响三个阶段：三个阶段：初期磨损阶段初期磨损阶段正常磨损阶段正常磨损阶段急剧磨损阶段急剧磨损阶段刀具正常磨损量刀具正常磨损量 （5-
8、3）O l0 l l切削路程 l / m0尺寸磨损量/m图5-9 刀具的尺寸磨损与切削路程的关系3 3、夹具的几何误差、夹具的几何误差 夹具误差影响加工位置精度。夹具误差影响加工位置精度。 与夹具有关的影响位置误差的因素包括：与夹具有关的影响位置误差的因素包括：1）定位误差；2）刀具导向（对刀）误差；3）夹紧误差；4）夹具制造误差；5）夹具安装误差； 通常取精加工夹具公差为工件上相应尺寸公差的1/21/3，粗加工夹具则取1/51/10 。三、调整误差三、调整误差1 1、试切法调整、试切法调整调整调整机床、刀具、夹具机床、刀具、夹具的过程中产生的误差的过程中产生的误差度量误差、加工余量的影响、微
9、进给误差度量误差、加工余量的影响、微进给误差2 2、按定程机构调整、按定程机构调整3 3、按样件或样板调整、按样件或样板调整四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差1 1、基本概念、基本概念机械加工工艺系统在力的作用下产生变形，破坏了工件机械加工工艺系统在力的作用下产生变形，破坏了工件与刀具之间正确的相对位置，产生加工误差。与刀具之间正确的相对位置，产生加工误差。四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差1 1、基本概念、基本概念工艺系统刚度：加工误差敏感方向上工艺系统所受径向切削分力与变形量之比式中 Fp径向切削分力（ 背向力、吃刀抗力）； y 工艺系统
10、在切削合力作用下的变形。四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差2 2、工件刚度、工件刚度工件刚度对加工精度的影响细长轴加工细长轴加工四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差3 3、刀具刚度、刀具刚度刀具刚度对加工精度的影响内孔加工内孔加工四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差4 4、机床部件刚度、机床部件刚度（1）机床部件刚度及其特点v 非线形关系，不完全是弹性变形v 加载和卸载曲线不重合，所围面积表示克服摩擦和接触变形所作的功v 存在残余变形，反复加载卸载后残余变形0v 机床部件刚度比按实体估算值小许多，表明其变形受多种因素影响
11、四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差4 4、机床部件刚度、机床部件刚度（2）影响机床部件刚度的因素1）结合面接触变形的影响2）摩擦力的影响3）低刚度零件的影响4）间隙的影响表面粗糙度、宏观几何形状表面粗糙度、宏观几何形状误差、材料硬度、纹理方向。误差、材料硬度、纹理方向。四、工艺系统受力变形引起的误差四、工艺系统受力变形引起的误差5 5、工艺系统刚度及其对加工精度的影响、工艺系统刚度及其对加工精度的影响工艺系统刚度的倒数等于各组成部分刚度的倒数之和。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：一般情况下
12、，常见工艺系统的低刚度环节如下：1）对于车床，k头架 k尾架 k刀架；车细长轴时，k工件最小。2）对于卧式铣床， k升降台 k工作台 k主轴 k刀杆。3）对于镗床， k镗杆最小。4）对于内圆磨床， k磨杆最小。工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差即即比较式（比较式（5-6）工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差【例5-1】 经测试，某车床的k主=300000N/mm，k尾56600N/mm，k刀架30000N/mm，在加工长度为 l 的刚性轴时，径向切削分力Fp400N，试计算该轴加工
13、后的圆柱度误差。 令a = k主/k尾，则x = l/(1+a)时，y系最小：工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差 由于工件变形，使工件加工后成鼓形 式中 E 工件材料的弹性模量； I 工件截面的惯性矩。工件变形：工件变形：工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差考虑工件变形时的工艺系统总变形考虑工件变形时的工艺系统总变形工艺系统刚度则为工艺系统刚度则为工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（2）由于切削力变化引起的误差以椭圆车削为例说明误差复映可用误差复映系数来表示：
14、误差复映：由于工艺系统受力变形量的变化，使毛坯误差部分地反映到工件上，此种现象称为“误差复映” 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（2）由于切削力变化引起的误差利用误差复映系数可由毛坯误差估算加工后的工件误差利用误差复映系数可由毛坯误差估算加工后的工件误差机械加工中，误差复映系数通常小于1，定量地反映了毛坯误差经加工后减小的程度。可通过多次走刀，消除误差复映的影响。工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（2）由于切削力变化引起的误差误差复映概念的推广：误差复映概念的推广：1）每一件毛坯的误差都会因切削余量不均匀而复映）每一件毛坯的误差都会因切削余量不均匀
15、而复映2）工艺系统刚度低的场合，误差复映现象较明显）工艺系统刚度低的场合，误差复映现象较明显3）大批量生产中，有必要查明误差复映的大小）大批量生产中，有必要查明误差复映的大小工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响（3）由于夹紧变形引起的误差（4）其它作用力的影响如：重力、惯性力、传动力等如：重力、惯性力、传动力等a） b）图5-21 夹紧力引起的加工误差五、工艺系统受热变形引起的误差五、工艺系统受热变形引起的误差1 1、工艺系统的热源、工艺系统的热源（1）内部热源）内部热源 1）切削热 2）摩擦热和能量损耗 3）派生热源（2）外部热源）外部热源 1）环境温度 2）辐射热刀具、
16、工件变形某个关键部位变形机床其它部位变形在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约4070%。五、工艺系统受热变形引起的误差五、工艺系统受热变形引起的误差2 2、工件热变形对加工精度的影响、工件热变形对加工精度的影响（1）工件均匀受热（轴类零件处于相对稳定的温度场中）工件均匀受热（轴类零件处于相对稳定的温度场中） 5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性式中 L，D 长度和直径热变形量； L，D 工件原有长度和直径； 工件材料线膨胀系数； 温升。 长度：长度： 直径：直径： 例：长例：长400400mmmm丝杠，加工过程温升丝杠，加工过程温升11，热伸长量为：，热伸长量为：五、工艺系统受热变形引起的误差五、工艺系统受热变形引起的误差2 2、工件热变形对加工精度的影响、工件热变形对加工精度的影响（2）工件不均匀受热（）工件不均匀受热（板类工件单面加工时）式中 f 工件凸起量（变形挠度） ； L，H 工件原有长度和厚度； 工件材料线膨胀系数； 上下表面之间的温差。图5-24 平面加工热变形 f/ 4LH结结果果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平
