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1、第二章机械加工精度及其控制第二章机械加工精度及其控制概述概述工艺系统的受力变形对加工精度的影响工艺系统的受力变形对加工精度的影响工艺系统的几何精度对加工精度的影响工艺系统的几何精度对加工精度的影响工艺系统的热变形对加工精度的影响工艺系统的热变形对加工精度的影响加工误差的统计分析加工误差的统计分析提高和保证加工精度的途径提高和保证加工精度的途径第一节概述第一节概述零件的加工质量是保证机械产品工作性能工作性能和产品寿命产品寿命的基础。衡量加工质量的指标有两方面机械加工精度加工表面质量机械加工精度加工表面质量一、机械加工精度和加工误差一、机械加工精度和加工误差在机械加工过程中，由于各种因素的影响，使
2、刀具和工件间的正确位置发生偏移，因而加工出来的零件不可能与理想的要求完全符合，两者的符合程度可用机械加工精度和加工误差来表示。从保证产品的使用性能分析，没有必要把每个零件都加工得绝对准确，可以允许有定的加工误差，只要加工误差不超过图样规定的偏差，即为合格品。是指零件加工后的实际几何参数实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数理想几何参数的符合程度符合程度。1、机械加工精度2、加工误差是指零件加工后的实际几何参数实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数理想几何参数的偏离程度偏离程度。加工精度越高，则加工误差越小，反之越大。加工精度的高低是以国家有关公差标准来表示的。保证和提高加工精度
3、实际上就是限制和降低加工误差。3、机械加工精度包含的内容尺寸精度形状精度位置精度尺寸精度形状精度位置精度机械加工精度三者之间的关系：（1）当尺寸精度要求高时，相应的位置精度和形状精度也要求高。形状公差应限制在位置公差内，位置公差应限制在尺寸公差内。（2）当形状精度要求高时，相应的位置精度和尺寸精度不一定要求高。4、加工精度与加工成本和生产效率的关系一般地，加工精度要求 ，加工成本 ，生产效率 。5、原始误差零件的尺寸、几何形状和表面间的相互位置的形成，归根到底取决于工件和刀具在切削过程间的相互位置。由于工艺系统存在各种原始误差，它们以不同的方式和程度反映为加工误差。由此可见：在机械加工时，机床
4、、夹具、刀具和工件构成工艺系统。工艺系统。所以，工艺系统误差称为原始误差原始误差。工艺系统误差是“因因”，是根源；加工误差是“果果”，是表现。二、影响机械加工精度的原始误差及分类二、影响机械加工精度的原始误差及分类三、误差的敏感方向三、误差的敏感方向在加工过程中，各种原始误差的影响会使刀具和工件间正确的几何关系遭到破坏，引起加工误差，各种原始误差的大小和方向各不相同，而加工误差则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。当原始误差的方向与工序尺寸方向一致时，其对加工相度的影响最大。如图，车削时工件的回转轴线为o，刀尖正确位置在A。设某一瞬时由于各种原始误差的影响，使刀
5、尖位移到A，AA即为原始误差，它与OA间的夹角为，由此引起工件加工后的半径由R0OA变为ROA，故半径上的加工误差R 为：当原始误差的方向恰为加工表面的法向方向(0)时，引起的加工误差最大；可以看出：当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向(90)引起的加工误差最小。把对加工精度影响最大的那个方向称为误差的敏感方向误差的敏感方向，对加工精度影响最小的那个方向则称为误差的不敏感方向误差的不敏感方向。22200002coscos2ROAOARRRR四、研究加工精度的方法四、研究加工精度的方法四、研究加工精度的方法四、研究加工精度的方法分析研究某一个或某几个因素对加工精度的影响。通常分析、计算、测试、
6、实验，得出单因素与加工误差间的关系。以生产一批工件的实例结果为基础，运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，当发生质量问题时可以从中判断误差性质，找出误差出现的规律。1 1、单因素分析法、单因素分析法2 2、统计分析法、统计分析法实际生产中，两种方法常常结合应用。先用统计分析法寻找误差的出现规律，初步判断加工误差的可能原因，再适用单因素法分析，试验，以便迅速有效地找出影响加工精度的主要原因。回首页加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工而产生的误差。一、加工原理误差一、加工原理误差如：1、在数控机床上采用“行切法”加工复杂形面。XYZRshRhs8第二节
7、 工艺系统的几何精度对加工精度的影响第二节 工艺系统的几何精度对加工精度的影响2、车削模数蜗杆由于蜗杆的螺距等于蜗轮的齿距(即m，其中m是模数，而是一个无理数3.14159)，但是车床配换齿轮的齿数是有限的。因此，在选择配换齿轮时，只能将化为近似的分数值计算，这样就会引起刀具相对工件的成形运动(螺旋运动)不准确，造成螺距误差。但是，这种螺距误差可通过配换齿轮的合理选配而减小。滚齿加工用的齿轮滚刀有两种误差：一是切削刃齿廓近似造形误差，由于制造上的困难，采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆；二是由于滚刀刀齿数有限，实际上加工出的齿形是一条折线，和理论上的光滑渐开线有差异。3、
8、滚齿加工注意：采用近似的成形运动或近似的切削刃轮廓，虽然会带来加工原理误差，但往往可简化机床或刀具的结构，提高生产效率，有时反而能得到较高的加工精度。因此，只要其误差不超过规定的精度要求、在生产中仍能得到广泛的应用。二、调整误差二、调整误差在机械加工的每一工序中。总是要对工艺系统进行这样或那样的调整工作不可能绝对地准确，因而产生调整误差。工艺系统的调整的基本方式(1)试切法调整(2)调整法调整(1)试切法调整应用：单件小批生产中。方法：对工件进行试切测量调整再试切，直到达到要求的精度为止。1)测量误差测量误差。由量具本身精度、测量方法及使用条件引起。2)进给机构的位移误差进给机构的位移误差。在
9、微量调整刀具的位置、低速微量进给中，常常出现进给机构的“爬行”现象，其结果使刀具的实际位移与刻度盘上的数值不一致、造成加工误差。3)试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响。精加工时，切削刃只起挤压作用而不起切削作用，但正式切削时的深度较大工件。引起调整误差的因素有：(2)调整法在成批、大量生产中，广泛采用试切法（或样件、样板）预先调整好刀具与工件的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这种相对位置不变来获得所要求的零件尺寸。影响调整精度的因素有：1）上述影响试切法调整精度的因素，因为采用调整法对工艺系统进行调整时，也要以试切为依据。2）用定程机构调整时，调
10、整精度取决于行程挡块、靠模及凸轮等机构的制造精度和刚度。3）用样件或样板调整时，调整精度取决于样件或样板的制造、安装和对刀精度。4）工艺系统初调好以后，般要试切几个工件，并以其平均尺寸作为判断调整是否准确的依据。由于试切加工的工件数(称为抽样件数)不可能太多，不能完全反映整批工件切削过程中的各种随机误差，故试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合，也造成加工误差。三、机床误差三、机床误差机床的制造误差、安装误差以及使用中的磨损都直接影响工件的加工精度。机床误差可归纳为：机床导轨导向误差机床主轴回转误差机床传动链的误差机床误差(一）机床导轨导向误差机床导轨是实现直线运动的主要部件，其制造
11、和装配精度是影响直线运动的主要因素，直接影响工件的加工质量。导轨在水平面内直线度误差y导轨在垂直面内直线度误差z导轨面间平行度（扭曲）误差导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度误差直线导轨导向精度的主要内容有：1)导轨在水平面内直线度误差的影响minmaxmaxyRyyRy2)导轨在垂直面内直线度误差的影响DzRz/)(23)导轨面间平行平行度（扭曲）误差的影响如车床两导轨的平行度误差(扭曲)使床鞍产生横向倾斜，刀具产生位移，因而引起工件形状误差。BHHyRr/(二）机床主轴的回转运动误差1、主轴回转运动误差的概念理想回转中心理想回转中心：机床主轴做回转运动时，主轴的各个截面必然有它的回转中心，在
12、主轴的任一截面，主轴回转时若只有一点速度始终为零，则这一点即为理想回转中心。瞬时回转中心瞬时回转中心：主轴在实际回转过程中，在一个位置或时刻的回转中心，称为瞬时回转中心，主轴各截面瞬时回转中心的连线叫瞬时回转轴线。主轴的回转运动误差主轴的回转运动误差：是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动量。变动量越小，主轴回转精度越高；反之越低。2主轴回转运动误差的形式端面圆跳动（轴向漂移）径向圆跳动（径向漂移）角度摆动（角向漂移）主轴的回转运动误差的基本形式注意：实际中常是这几种误差的合成。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
13、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。在不同横截面内，轴心运动误差轨迹相似，它影响圆柱面与端面加工精度。3. 主轴回转误差对加工精度的影响（1）端面圆跳动1）对圆柱面的加工无影响；2）对加工端面的影响3）对螺纹加工的影响如图（a）如图（b）（2）径向圆跳动使工件产生圆度误差，但影响程度因加工方法的不同而异。1)镗孔时设原始误差：主轴径向回转误差表现为y向简谐运动。h=Acos在任一时刻刀尖a的位置为：分析：这是椭圆的参数方程，加工出的孔呈椭圆形，圆度误
14、差为A。径向跳动对镗孔精度影响A2) 车削时车刀刀尖到平均回转轴线Om的距离R为定值，实际回转轴线O1相对于Om的变动径向跳动对车外圆精度影响12345678A4. 主轴回转运动误差的影响因素轴承的误差轴承的间隙与轴承配合零件的误差主轴系统的径向不等刚度和热变形等影响主轴回转运动误差的主要因素（a）采用滑动轴承工件回转类机床（车床）：主轴轴颈误差反映到工件上刀具回转类机床（镗床）：轴承孔内圈表面的圆度误差将反映到工件上(1)轴承误差的影响（b）采用滚动轴承工件回转类机床（车床）：轴承内环外滚道的几何形状误差反映到工件上刀具回转类机床（镗床）：外环内滚道误差反映到工件上（相当滑动轴内圆面）(2)
15、轴承间隙的影响(3)与轴承配合的零件误差的影响(4)主轴转速的影响(5)主轴系统的零件径向不等刚度和热变形误差的影响5提高主轴回转精度的措施(1)提高主轴部件的制造精度首先应提高轴承的回转精度选用高精度的滚动轴承采用高精度的多油楔动压轴承采用高精度的静压轴承提高箱体支承孔的加工精度主轴轴颈的加工精度与轴承相配合表面的加工精度其次应提高轴承组件的接触刚度常采用两个固定顶尖支承，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，而提高顶尖和中心孔的精度要比提高主轴部件的精度容易且经济得多。(2)对滚动轴承进行预紧可消除间隙增加轴承刚度均化滚动体的误差(3)使主轴的回转精
16、度不反映到工件上对滚动轴承适当预紧微量过盈可使轴承内、外圈和滚动体的弹性变形相互制约，这样既增加轴承刚度，又对滚动体的误差起均化作用，因而可提高主轴的回转精度。外圆磨床磨削外圆柱面时，采用固定顶尖支承。在镗床上加工箱体类零件上的孔时，采用前、后导向套的镗模，刀杆与主轴浮动联接，所以刀杆的回转精度与机床主轴回转精度也无关，仅由刀杆和导套的配合质量决定。三、机床传动链误差三、机床传动链误差是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差。在螺纹加工或用展成法加工齿轮等工件时，必须保证工件与刀具间有严格的运动关系，传动链的传动误差是影响其加工精度的主要因素。1. 传动链的传动误差例如：在滚齿机
17、上用单头滚刀加工直齿轮时，要求滚刀与工件之间具有严格的运动关系：滚刀转一转，工件转过一个齿。这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的。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(即末端件的转角误差)的影响程度是不同的。如传动链是升速传动，则传动元件的转角误差将被扩大；反之，则转角误差将被缩小。如图所示的机床传动系统，可具体表示为9614646232323231664)(fcdgnii2传动链误差的传递系数传动链误差一般可用传动链末端元件的转角误差来衡量。11119614646232323231664kiifcn假设滚刀轴均匀旋转，若齿轮Z1有转角误差1，而其他各传动件无误差，
18、则传到末端件所产生的转角误差1n为：由于所有的传动件都存在误差，因此，各传动件对工件精度影响的总和为各传动元件所引起末端元件转角误差的叠加：同理，可求得其它齿轮转角误差i，对末端件所产生的转角误差为in。如果考虑到传动链中各传动元件的转角误差都是独立的随机变量，则传动链末端元件的总转角误差可用概率法进行估算：11nnjnjjjjk221njjjk3减少传动链传动误差的措施1)尽可能缩短传动链；2)减少各传动元件装配时的几何偏心，提高装配精度；3)提高传动链末端元件的制造精度；在一般的降速传动链中，末端元件的误差影响最大。在传动链中按降速比递增的原则分配传动副的传动比；传动链末端传动副的降速比取
19、得越大，则传动链中其余各传动元件误差的影响就越小；4)传动比i应小校正装置的实质是在原传动链中人为地加入一误差，其大小与传动链本身的误差相等而方向相反，从而使之相互抵消。5)采用校正装置注意：采用机械式的校正装置只能校正机床静态的传动误差。如果要校正机床静态及动态传动误差，则需采用计算机控制的传动误差补偿装置。1）定位元件、刀具导向元件、分度机构和夹具体的制造误差2）夹具元件装配误差3）夹具在长期使用过程中工作表面的磨损夹具的误差四、夹具制造误差与磨损四、夹具制造误差与磨损五、刀具的制造误差与磨损五、刀具的制造误差与磨损1）定尺寸刀具(如钻头、铰刀、拉刀等)的尺寸误差直接影响加工工件的尺寸精度
20、。刀具在安装使用中不当将产生跳动，也将影响加工精度。2）成形刀具(如成形车刀、成形铣刀及齿轮刀具等)的制造误差和磨损，主要影响被加工表面的形状精度。4）一般刀具(如普通车刀、单刃镗刀和平面铣刀等)的制造误差，对加工精度没有直接影响。3）展成刀具(如齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀等)的切削刃的形状必须是加工表面的共扼曲线，切削刃的形状误差影响被加工表面的形状精度。刀具的尺寸磨损是指切削刃在加工表面的法线方向（误差敏感方向）上的磨损量。它直接反映出刀具磨损对加工精度的影响。刀具尺寸磨损分为三个阶段：初期磨损、正常磨损和急剧磨损。回首页第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响第三节 工艺系统的受力变形
21、对加工精度的影响一、基本概念一、基本概念1、工艺系统加工中受到的力切削力、夹紧力、传动力、惯性力、重力等工艺系统在这些力的作用下，将产生相应的变形。这种变形将破坏切削刃和工件之间已调整好的正确的位置关系，从而产生加工误差。（1）车削细长轴时，工件在切削力作用下的弯曲变形，加工后会产生鼓形的圆柱度误差（2）在内圆磨床上用横向切入磨孔时，磨出的孔会产生带有锥度的圆柱度误差。是加工中一项很重要的原始误差，不仅严重影响工件的加工精度，而且还影响加工表面质量，限制加工生产率的提高。2、工艺系统 受力对其性能的影响3、工艺系统承受受力变形能力的评价从材料力学知道，任何一个受力物体总要产生一些变形，工艺系统
22、抵抗变形的能力，用刚度k来表示。工艺系统刚度，是指工件加工表面在切削力法向分力Fp的作用下，刀具相对工件在该方向上位移y的比值：yFkp二、工艺系统刚度的计算二、工艺系统刚度的计算工艺系统的刚度：y=yjc+yjj+yd+yggdjjjckkkkk11111工艺系统某点法向总变形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：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。当工件、刀具的形状比较简单时，其刚度可以用材料力学中的有关公式求得，结果和实际出入不大。对于由若干各零件组成的机床部件
23、及夹具，其刚度多采用实验的方法测定，而很难用纯粹的计算方法求出。三、工艺系统受力变形对加工精度的影响三、工艺系统受力变形对加工精度的影响在车床顶尖间车削粗而短的光轴，由于车刀和工件变形极小，故忽略不及，此时，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。假定工件的加工余量很均匀，并且由于机床变形而造成的背吃刀量变化对切削力的影响也很小，即假定刀具进给过程中切削力保持不变。1、机床的变形（一）受力点位置变化引起的形状误差主轴箱力：FA变形：ytj=AA尾座力：FB变形:ywz=BB刀架力：FP变形:ydj=CC工件轴线ABBA刀具切削点处工件轴线的位移yx为：机床总的变形为：由
24、刚度定义得：机床总的变形为：工艺系统的刚度随切削力作用点变化而变化，所以随着切削力作用点位置的变化，工艺系统的变形是变化的。由于变形大的地方，从工件上切去的金属层薄，变形小的地方，切去的金属层厚，因此因机床受力变形而使加工出来的工件呈两端粗、中间细的马鞍形两端粗、中间细的马鞍形。机床不变形的理想情况考虑到主轴箱、尾座变形变形的情况包括考虑刀架变形在内的情况2、工件的变形在两顶尖间车削细长轴，由于工件细长、刚度小，在切削力作用下其变形大大超过机床、夹具和刀具所产生的变形。因此，机床、夹具和刀具的受力变形可略去不计，工艺系统的变形完全取决于工件的变形。工件在切削点的变形量：当x=0或L工件在切削点
25、的时，yg=0,当x=L/2时，工件刚度最小，变形最大加工后的工件呈鼓形呈鼓形。3、工艺系统的总变形 EILklxklxlkFyyyxxldjwztjygjc31112222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。这时，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。（二）切削力大小变化引起的加工误差（二）切削力大小变化引起的加工误差以车削为例，工件毛坯存在圆度误差(例如椭圆)，如图所示。由于工件毛坯存在圆度误差车削时使切削深度在ap1与ap2之间变化。假设毛坯材料的硬度是均匀的，那么在ap1的切削力Fp1最大，相应的变形y1也最大；
26、 ap2的切削力Fp2最小，相应的变形y2也最小1、误差复映当车削具有圆度误差m=ap1-ap2的毛坯时，由于工艺系统变形的变化而使工件产生相应的圆度误差g=y1-y2，这种现象称为“误差复映误差复映”。2、误差复映系数车削后工件的圆度误差称为误差复映系数kCmg定义：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C成正比。可见，要减少工件的复映误差，可增加工艺系统刚度或减少径向切削力系数。)(12121ppgFFkyy在工件材料硬度均匀，刀具、切削条件和进给量一定的情况下，车削加工时ppCaF mmkCaakCppg)(213、误差复映规律的应用由
27、于总是小于1，而且是个远远小于1的系数，小数相乘更小。因此一般IT7要求的工件经过23次进给后，可能使m复映到工件上的误差减小到公差允许值的范围内。1)估算加工后的工件误差2)根据工件的公差值与毛坯误差值来确定加工次数。（三）夹紧力和重力引起的加工误差(1)夹紧力引起的加工误差被加工工件在装夹过程中，由于刚度较低或着力点不当，都会引起工件的变形，造成加工误差。特别是薄壁套、薄板等零件，易于产生加工误差。薄壁套加工过程薄壁套加工改进措施薄板工件的磨削改进措施加工发动机连杆大头孔，由于夹紧力着力点不当，造成加工误差。(2)重力引起的加工误差在工艺系统中，由于零部件的自重也会产生变形。解决方案：恰当
28、地布置支撑。（四）传动力和惯性力引起的加工误差(1)传动力影响传动力对加工精度的影响zlRXYFpFcFcdFcdxra）OOr0XYFpAFcdrcd=Fcd/ kcOFcFc/ kcFp/ kcb）O在单爪拨盘传动下车削出来的工件是一个正圆柱，并不产生加工误差。(2) 惯性力的影响在高速切削时，如果工艺系统中有不平衡的高速旋转的构件存在，就会产生离心力。离心力在工件的每一转中不断变更方向，当不平衡质量的离心力大于切削力时，车床主轴轴颈和轴套内孔表面的接触点就会不停地变化，轴套孔的圆度误差将传给工件的回转轴心。周期变化的惯性力常常引起工艺系统的强迫振动。解决方法：对重平衡必要时适当降低转速，
29、减小离心力的影响四、机床部件刚度测量四、机床部件刚度测量(一)机床部件刚度的测定1.静态测定法在机床不工作状态，模拟车削时的受力情况对机床施加静载荷，然后测出机床部件在不同载荷下的变形，作出各部件的刚度特性曲线并计算刚度。车床刀架变形曲线X（m）10203040500123F（KN）非线形关系，不完全是弹性变形加载和卸载曲线不重合，所围面积表示克服摩擦和接触塑性变形所作功存在残余变形，反复加载卸载后残余变形0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机床部件变形曲线左、中、右台阶处的误差复映系数：111211112hhHH212222122hhHH313233132hhHH如图
30、：H如图：H1111, H, H1212, H, H2121, H, H2222, H, H3131, H, H3232为预先做出的台阶尺寸，h为预先做出的台阶尺寸，h1111, h, h1212, h, h2121, h, h2222, h, h3131, h, h3232为加工后残留误差尺寸，为加工后残留误差尺寸，2. 工作状态测定法依据：误差复映规律工作状态测定机床刚度左、中、右台阶处的刚度：11xtkC心轴刚度很大，变形可以忽略，车刀变形也可忽略，列方程组并解之可得主轴箱、尾座和刀架的刚度分别是：22xtkC33xtkC1111tjxtdjkkk3111wzxtdjkkk2121211
31、1()2djxtxtxtkkkk（二）影响机床部件刚度的因素零件表面总是存在若干宏观和微观的形状误差，连接表面之间的实际接触面积只是名义接触面积的一部分。在外力作用下，这些接触处将产生较大的接触应力而引起接触变形。1联接表面的接触变形试验表明，接触变形y与压强p的关系如图所示。接触刚度将随载荷的增加而增大并受接触表面材料、硬度、表面粗糙度、表面纹理方向，以及表面几何形状误差等因素的影响。如果部件中有某些刚度很低的零件时，受力后这些低刚度零件会产生很大的变形，使整个部件的刚度降低。由于床鞍部件中的楔铁细长、刚性差，不易加工平直，使用接触不良，故在外力作用下最易变形。2部件中薄弱零件的影响零件配合
32、面间的间隙的影响，主要反映在载荷经常变化的镗床、铣床上。当载荷方向改变时，间隙引起位移。3接合面的间隙如图所示，如果载荷是单向的，那么在第一次加载消除间隙后，对加工精度影响较小。4零件间的摩擦力的影响摩擦力对接触刚度的影响是这样的：当加载时，摩擦力阻止变形增加，而卸载时，摩擦力又阻止变形减少。因此，卸载曲线不与加载曲线相重合。五、减少工艺系统受力变形的措施五、减少工艺系统受力变形的措施减少工艺系统受力变形，是机械加工中保证产品质量和提高生产率的主要途径之一，根据生产实际情况，可采取以下几方面措施。(一)提高工艺系统的刚度1、合理的结构设计减少联接面数目，注意刚度匹配截面积相等时，空心截形比实心
33、截形的刚度高，封闭的截形比开口的截形好在适当部位增添加强肋一般地，部件的接触刚度低于实际零件的刚度，提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。2提高接触刚度（1）改善工艺系统主要零件接触面的配合质量(2)在接触面间预加载荷（1）改善工艺系统主要零件接触面的配合质量(2)在接触面间预加载荷刮研或研磨配合面，提高配合表面的形状精度，减小表面粗糙度值，使实际接触面增加，从而有效地提高接触刚度。可消除配合面间的间隙，增加实际接触面积，减少受力后的变形量。（3）提高工件定位基准面的精度和减小它的表面粗糙度值（3）提高工件定位基准面的精度和减小它的表面粗糙度值3提高工件的刚度适用场合：在加工中，由于工件本身的
34、刚度较低，特别是叉架类、细长轴等零件，容易变形。措施：在这种情况下，如何提高工件的刚度是提高加工精度的关键。其主要措施是缩小切削力的作用点到支承之间的距离，以增大工件在切削时的刚度。4合理装夹工件以减少夹紧变形合理选择装夹位置采用辅助支承方法(二)减小载荷及其变化合理选择刀具的几何参数和切削用量将毛坯分组，使一次调整中加工的毛坯余量比较均匀在铸、锻、焊及热处理等热加工过程中，由于工件各部分热胀冷缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，使毛坯内部产生了相当大的残余应力。残余应力是由金属内部的相邻组织发生了不均匀的体积变化而产生的。1毛坯制造中产生的残余应力六、工件残余应力引起的变形六、工件残余应力
35、引起的变形弯曲的工件(原来无残余应力)要校直，常采用冷校直。2冷校直带来的残余应力切削过程中产生的力和热，也会使被加工工件的表面层变形，产生残余应力。3切削加工中产生的残余应力减少或消除残余应力的措施1合理设计零件结构2对工件进行热处理和时效处理3. 合理安排工艺过程例如：对铸、锻、焊接件进行退火或回火；零件淬火后进行回火；对精度要求高的零件，如床身、丝杆、箱体、精密主轴等，在粗加工后进行时效处理。例如：粗、精加工分开在不同工序中进行，留有一定时间让残余应力重新分布；在加工大型工件时，粗、精加工往往在一个工序中来完成，这时应在粗加工后松开工件，让工件有自由变形的可能，然后再用较小的夹紧力夹紧工
36、件后进行精加工。回首页第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响在机械加工过程中，工艺系统在各种热源的影响下常产生复杂的变形，破坏工件与切削刃相对的正确位置，从而产生加工误差。一、概述一、概述据统计，在精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40一70。工艺系统热变形不仅影响加工精度，而且还影响加工效率。1、引起工艺系统受热变形的热源：系统内部热源(切削热和摩擦热) 系统外部热源(如太阳辐射热) 导热传热对流传热辐射传热2、热的传递方式：当单位时间内的热量传入与传出相等时，温度不再升高，这时工艺系统就达到热平衡状态。在热平衡状态下，工艺系统各部
37、分的温度就保持在一相对固定的数值上，因而各部分的热变形也就相应地趋于稳定。这就是我们要追求的目标。一方面，工艺系统受热源影响，温度逐渐升高；另一方面，热量通过各种传导方式向周围散发。是由切削过程中切削层金属的弹性、塑性变形及刀具与工件、切屑间的摩擦所产生，并由工件、刀具、夹具、机床、切屑、切削液及周围介质传出。1. 切削热车削时，大量的切削热由切屑带走，传给工件的为10一30，传给刀具的为1一5。孔加工时，大量切屑滞留在孔中，使大量的切削热(50 左右)传入工件。磨削时，由于磨屑小，带走的热量很少，大部分传入工件，故易产生磨削烧伤。3、工艺系统的热源2.摩擦热主要由机床和液压系统中的运动部分产
38、生的，如电动机、轴承、齿轮等传动副、导轨副、液压泵、阀等运动部分产生的摩擦热。摩擦热导致工艺系统局部发热、引起局部温升和变形，破坏系统原有的几何精度，对加工精度带来严重影响。工艺系统的外部热源，主要是环境温度的变化和热的辐射，大型和精密工件的加工受此影响较大。3.外部热源4、不稳态温度场与稳态温度场由于作用于工艺系统各组成部分的热源，其发热的数量、位置和作用时间各不相同，各部分的热容量、散热条件也不一样，因此各部分的温升不等。即使是同一物体，处于不同空间位置上的各点在不同时间的温度也是不等的。物体中各点温度的分布称为温度场温度场。当物体未达到热平衡时，各点温度不仅是坐标位置的函数，也是时间的函
39、数。这种温度场称为不稳态温度场不稳态温度场。物体达到热平衡后，各点温度将不再随时间而变化，而只是其坐标位置的函数，这种温度场则称为稳态温度场稳态温度场。此时的工艺系统稳定，利于保证工件的加工精度。二、工件热变形引起的加工误差二、工件热变形引起的加工误差切削热（是主要的）外部热源（对于精密件不可忽视）使工件产生变形的热源同时，不同的加工方法，不同的工件材料、结构和尺寸件的受热变形也不相同。 圆柱类工件热变形5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性531.1 1040014.410()4.4()LLtmmm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；t 温
40、升。 长度：长度：LLtDDt 直径：直径： 例：长例：长400mm400mm丝杠，加工过程温升丝杠，加工过程温升1 1，热伸长量为：，热伸长量为：(一)工件比较均匀地受热(一)工件比较均匀地受热式中X 变形挠度；L，S工件原有长度和厚度； 工件材料线膨胀系数；t 温升。28LtXS板类工件单面加工时的热变形平面加工热变形X/ 4LS(二)工件不均匀受热结果(二)工件不均匀受热结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。221.120003886000.022 ()LtXSmm此值已大于精密导轨平直度要求例例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3
41、，则变形量为：解决措施在切削时使用充分的切削液以减小切削表面的温升。在装夹工件时使工件上表面产生微凹的夹紧变形，以此来补偿切削时工件单面受热而拱起的误差。三、刀具热变形引起的加工误差三、刀具热变形引起的加工误差刀具的热变形主要是切削热引起的，传给刀具的热量虽不多，但由于刀具体积小、热容量小且热量又集中在切削部分，因此切削部分仍产生很高的温升。为了减小刀具的热变形，应合理选择切削用量和刀具几何参数，并给予充分冷却和润滑，以减少切削热，降低切削温度。四、机床热变形引起的加工误差四、机床热变形引起的加工误差机床受热源的影响，各部分温升将发生变化由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件将发生
42、不同程度的热变形，破坏了机床原有的几何精度，从而降低了机床的加工精度。1. 车、铣、钻、镗类机床后果后果：主轴箱和床身的温度上升，造成机床主轴拾高和倾斜。主要热源主要热源：是主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热和主轴箱中油池中润滑油的发热；结果：如图所示为车床空运转时，主轴的温升和位移的测量结果。主轴在水平方向的位移仅10m垂直方向的位移却高达180 200 m。2. 各种磨床热源：液压系统、高速回转磨头、切削液砂轮主轴轴承的发热，将使主轴轴线升高并使砂轮架向工件方向趋近。由于主轴前后轴承温升不同，主轴侧母线还会出现倾斜。液压系统的发热使床身各处温升不同，导致床身的弯曲和前倾。1）外圆磨床砂轮轴线与工
43、件轴线之间的距离发生变化，产生平行度误差。如图所示是外圆磨床温度分布和热变形的测量结果。机床工作台与砂轮架间的热变形当采用切入式定程磨削时，被磨工件直径的变化，可达100 m。两者基本相符2）平面磨床利用床身作油池，导轨产生中凹变形。导轨面的摩擦热，导致导轨中凸变形3）双端面磨床中凸变形，砂轮的端面产生倾斜。4）立式平面磨床立柱弯曲变形，造成砂轮主轴与工作台面间产生垂直度误差。3. 大型机床导轨磨床、龙门刨床等的长床身部件床身上下表面温度差床身产生弯曲变形。热源热源：工作台运动时导轨面摩擦发热，环境温度五、减少和控制工艺系统热变形的主要途径五、减少和控制工艺系统热变形的主要途径1减少热源的发热
44、2用热补偿方法减少热变形3采用合理的机床部件结构减少热变形的影响4加速达到工艺系统的热平衡状态5控制环境温度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。1减少热源的发热采用有效的冷却措施为了减少机床的热变形，凡是可能分离出去的热源应移出，如电动机、变速箱、液压系统、冷却系统等，均应移出。热源可能分离出去减少发热例如，采用静压轴承。静压导轨，改用低粘度润滑油、锂基润滑脂等，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。如增加散热面积或使用强制式的风冷、水冷、循环润滑等。例如，目前，大型数控机床、加工中心普遍采用
45、冷冻机，对润滑油、切削液进行强制冷却，以提高冷却效果。在精密丝杠磨床的母丝杠中通以冷却液，以减少热变形。平面磨床采用热空气加热温升较低的立柱后壁，以减小立柱前后壁的温度差，从而减少立柱的弯曲变形。采取这种指施后，工件的加工直线度误差可降低为原来的13 14。2用热补偿方法减少热变形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热变形。M7150将油沟搬出主机做成一个单独油箱，在床身下部配制热补偿油沟，使一部分有余热的回油经热补偿油沟后送回油池。采取这种指施后，床身上下部温差降低1-2度，导轨的中凸量由原来的0.0265mm降为
46、0.0052mm。3采用合理的机床部件结构减少热变形的影响因L2L1，当主轴与箱体产生热变形时，在误差敏感方向的热变形 L2 Ll，因此，选择图a的定位方案比较合理。(1)采用热对称结构在变速箱中，将轴、轴承、传动齿轮尽量对称布置，可使箱壁温升均匀，从而减少箱体变形。(2)合理选择机床部件的装配基准对于精密机床，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，可预先高速空运转机床或设置控制热源，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，精密加工机床应尽量避免中途停车。4加速达到工艺系统的热平衡状态精密机床一般安装在恒温车间，其恒温精度一般控制在l 。室温平均
47、温度一般为20，冬季可取17，夏季取23。5控制环境温度回首页第五节加工误差的统计分析第五节加工误差的统计分析加工误差的性质加工误差的性质分布图分析法分布图分析法机床调整尺寸机床调整尺寸点图分析法点图分析法一、加工误差的性质一、加工误差的性质顺序加工一批工件时，其大小和方向均不改变，或按一定规律变化的加工误差为系统误差系统误差。常值系统误差常值系统误差其大小和方向均不改变。如机床、夹具、刀具的制造误差，工艺系统在静力作用下的受力变形，调整误差，机床、夹具、量具的磨损等因素引起的加工误差。变值系统误差变值系统误差误差大小和方向按一定规律变化。如机床、夹具、刀具在热平衡前的热变形，刀具磨损等因素引
48、起的加工误差。加工误差系统误差随机误差常值系统误差变值系统误差(一)系统误差顺序加工一批工件时，其大小和方向随机变化随机变化的加工误差为随机误差。随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的。随机误差服从统计学规律。如毛坯余量或硬度不均，引起切削力的随机变化而造成的加工误差；定位误差；夹紧误差；残余应力引起的变形等。(二)随机误差(二)随机误差二、分布图分析法二、分布图分析法二、分布图分析法二、分布图分析法( 一)实验分布图样本样本：成批加工某种零件，抽取其中一定数量进行测量，抽取的这批零件称为样本。样本容量样本容量n：样本的件数极差极差R：样本尺寸或偏差的最大值与最小值之差R=xmax-
49、xmin将样本尺寸或偏差按大小顺序排列，将它们分成k组，组距组距dd=R/(k-1)频数频数mi：同一尺寸或同一误差组中的零件数量频率频率fi：频数mi与样本容量n之比直方图直方图：以工件尺寸（或误差）为横坐标，以频数或频率为纵坐标，作出该批工件加工尺寸（或误差）的实验分布图。分组数k的选定121110876k1602001001601006010040602540n样本平均值:11niixxn2111niisxxn样本标准差:样本平均值表示样本的尺寸分散中心，它主要决定于调整尺寸的大小和常值系统误差。样本标准差反映了该批尺寸的分散程度，它主要决定于变值系统误差和随机误差。样本平均值表示样本的
50、尺寸分散中心，它主要决定于调整尺寸的大小和常值系统误差。样本标准差反映了该批尺寸的分散程度，它主要决定于变值系统误差和随机误差。概率论已经证明，相互独立的大量微小随机变量，其总和的分布符合正态分布的相互独立的大量微小随机变量，其总和的分布符合正态分布的。(二)理论分布曲线在机械加工中，用调整法加工一批零件，其尺寸误差是由很多相互独立的随机误差综合作用的结果，如果其中没有一个是起决定性作用的随机误差，则加工后零件的尺寸将近似于正态分布则加工后零件的尺寸将近似于正态分布。 正态分布式中和分别为正态分布随机变量总体的算术平均值和标准差。平均值=0，标准差=1的正态分布称为标准正态分布标准正态分布，记
51、为：x N ( 0, 1 )概率密度函数概率密度函数2121,02xyex yF（z）正态分布曲线( z = 0 )x(z)0z- +正态分布函数正态分布函数正态分布概率密度函数的积分正态分布概率密度函数的积分2121( )2xxF xedx221( )02zzF zed zxz令：将z 代入上式，有：则利用上式，可将非标准正态分布转换成标准正态分布进行计算。称z为标准化变量yF（z）正态分布曲线( z = 0 )x(z)0z- +3原则3原则：认为正态分布的随机变量的分散范围为3在一般情况下，应使所选择的加工方法的标准差和公差带T之间具有下列关系。6T 非正态分布xy0a）双峰分布 双峰分布
52、双峰分布：两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起xy0b）平顶分布xy0c）偏向分布 平顶分布平顶分布：工件瞬时尺寸分布呈正态，其算术平均值近似成线性变化（如刀具和砂轮均匀磨损） 偏向分布偏向分布：如工艺系统存在显著的热变形，或试切法加工孔时宁小勿大，加工外圆时宁大勿小几种非正态分布 瑞利分布瑞利分布：对于端面圆跳动和径向圆跳动一类的误差，一般不考虑正负号，所以接近零的误差值较多，远离零的误差值较少。瑞利分布x非正态分布的分散范围：T=6/k分布中心偏移量:=eT/21 1、判断加工性质 判断是否存在明显变值系统误差； 判断是否存在常值系统误差及常值系统误差的大小。2 2、 确定工序
53、能力工序能力：工序处于稳定状态时，加工误差正常波动的幅值。工序能力系数(三)分布图分析法的应用尺寸分布服从正态分布，则没有变值系统误差根据样本平均值是否与公差带中心重合来判断是否存在常值系统误差6PTC当加工尺寸服从正态分布时，工序能力就是6。 工序能力等级工序能力等级工序能力系数工序等级说明CP1.67 特级工序能力过高1.67 CP1.33 一级工序能力足够1.33 CP1.00 二级工序能力勉强1.00 CP0.67 三级工序能力不足0.67 CP四级工序能力很差工序能力等级工件合格率估计xy033公差带TTUTL3、估算合格品和不合格品率面积计算分布图分析法的缺点：分布图分析法的缺点：
54、没有考虑一批工件加工的先后顺序，故不能反映误差变化的趋势，难以区别变值系统误差与随机误差的影响；必须等到一批工件加工完毕后才能绘制分布图，因此不能在加工过程中及时提供控制精度的信息。01234567样组序号b）工件尺寸公差带T控制限三、点图分析法三、点图分析法三、点图分析法三、点图分析法平均值曲线平均值曲线OO表示每一瞬时的分散中心，其变化情况反映了变值系统误差随时间变化的规律，其起点表示每一瞬时的分散中心，其变化情况反映了变值系统误差随时间变化的规律，其起点O可看成常值系统误差的影响，上下曲线的宽度表示每一瞬时的尺寸分散范围，也就是反映了随机误差的影响。可看成常值系统误差的影响，上下曲线的宽
55、度表示每一瞬时的尺寸分散范围，也就是反映了随机误差的影响。工件序号c）AABOOB工件尺寸工件尺寸工件序号a）14024681012公差带T控制限（一）单值点图（一）单值点图（二）（二）图图xR表示样组平均值，R表示样组极差x在工艺进行过程中，每隔一定时间抽取容量n=210件的小样本，求出小样本的平均值和极差 R。经过若干时间后，就可取得若干个小样本，将各组小样本的和R值分别点在图上，即构成图。图 纵坐标是按时间先后采集的小样本的组序号，纵坐标为各样本的平均值和极差。xRxxxR1、样组点图的基本形式及绘制1、样组点图的基本形式及绘制2、图上、下控制线的确定2、图上、下控制线的确定xR由概率论
56、可知，当总体是正态分布时，其样本的平均值的分布也服从正态分布。x),(2nNx的分散范围是（）。xn/3R的分布虽然不是正态分布，但当n10时，其分布与正态分布比较接近。R的分散范围是（）。其中RR3dR1221kiiSXxxkxxA RxxA R中线上控制限下控制限R 图1121kiiSXRRkRD RRD R中线上控制限下控制限图：x 工艺过程稳定性点子正常波动工艺过程稳定点子异常波动工艺过程不稳定 稳定性判别没有点子超出控制限大部分点子在中心线上下波动，小部分点子靠近控制限点子变化没有明显规律性图分析图分析xR在一定程度上代表了瞬时的分散中心，故图主要反映系统误差及其变化趋势图主要反映系
57、统误差及其变化趋势，R在一定程度上代表了瞬时的尺寸分散范围，故R点图反映随机误差及其变化情况点图反映随机误差及其变化情况。工艺系统稳定性与出不出废品是两个不同的概念工艺系统稳定性与出不出废品是两个不同的概念。xx四、机床调整尺寸四、机床调整尺寸四、机床调整尺寸四、机床调整尺寸式中Lt调整尺寸；LM平均尺寸；Tt 调整公差。2ttMTLL由图所示关系可得：161tTTn对于稳定的工艺系统，样本平均值分布：调整公差调整公差),(2nNx回首页故，如果已知一个样本均值 ，那么可以断定实际分布中心一定落在故，如果已知一个样本均值 ，那么可以断定实际分布中心一定落在范围内。范围内。范围内。范围内。x)/
58、3(nx第六节提高和保证加工精度的途径第六节提高和保证加工精度的途径误差预防误差预防：指减少原始误差或减少原始误差的影响，亦即减少误差源或改变误差源至加工误差之间的数量转换关系。误差补偿误差补偿：在现存的表现误差条件下，通过分析、测量，进而建立数学模型，并以这些信息为依据，人为地在系统中引入一个附加的误差源，使之与系统中现存的表现误差相抵消，以减小或消除零件的加工误差。一、误差预防一、误差预防1、合理采用先进工艺与设备在制定零件工艺规程时，对零件每道加工工序的能力进行精确评价，尽可能合理合理采用先进的工艺和设备，使每道工序都具有足够的工序能力。例如：细长轴的车削，由于因工件刚度极差，工件产生弯
59、曲变形和振动，严重影响加工精度。解决方案：采用 “大进给反向切削法”，再辅之以弹簧后顶尖。采用大进给量和较大主偏角的车刀。2、直接减少误差法直接减少误差法在生产中应用较广，是在查明产生加工误差的主要因素之后，设法对其直接进行消除或减少的方法。3、转移原始误差将工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等，转移到不影响（或少影响）加工精度的方向或其他零部件上去。a）b）转塔车床刀架转位误差的转移在生产中会遇到这种情况：本工序的加工精度是稳定的，工序能力也足够，但毛坯或上道工序加工的半成品精度太低，引起定位误差或复映误差过大，因而不能保证加工精度。4、均分原始误差法提高毛坯精度或上道工序的加工精度，往往
60、是不经济的。这时，可把毛坯(或上道工序的工件)按尺寸误差大小分为n组，每组毛坯的误差就缩小为原来的1n，然后按各组的平均尺寸分别调整刀具与工件的相对位置或调整定位元件、就可大大缩小整批工件的尺寸分散范围。易位法加工时误差均化过程360工件转角累积误差1l1l225、均化原始误差，如研磨加工、易位加工6、就地加工法要保证部件间什么样的位置关系，就在这样的位置关系上利用一个部件装上刀具去加工另一个部件。二、误差补偿技术二、误差补偿技术1、在线检测加工中随时测量出工件的实际尺寸（形状、位置精度），随时给出刀具以附加的补偿量以控制刀具和工件间的相对位置。2、偶件自动配磨将互配件的一个零件作为基准，去控制另一个零件的加工精度。在加工的过程中自动测量工件的实际尺寸，并和基准比较，直至达到规定的差值时机床就自动停止加工，从而保证精密偶件件要求的配合间隙。3、积极控制起决定作用的误差因素回首页
