第4章 机械加工精度及其控制

1、第四章第四章 机械加工精度及其控制机械加工精度及其控制第一节第一节 概述概述 零件的加工质量是保证机械产品零件的加工质量是保证机械产品工作性能工作性能和和产品产品寿命寿命的基础。的基础。 衡量加工质量的指标有两方面衡量加工质量的指标有两方面 1.机械加工精度机械加工精度 2.加工表面质量加工表面质量一、机械加工精度一、机械加工精度 机械加工精度机械加工精度是指零件加工后的实际几何是指零件加工后的实际几何参数参数 (尺寸、形状和位置尺寸、形状和位置 )与理想几何参数的符与理想几何参数的符合程度。合程度。 加工误差加工误差 是指零件加工后的实际几何参数是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置

2、尺寸、形状和位置)与理想几何参数的偏离程与理想几何参数的偏离程度。加工精度越高，则加工误差越小，反之度。加工精度越高，则加工误差越小，反之越大。越大。 加工精度的高低是以国家有关公差标准来表示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实际上就是限制和降低加的。保证和提高加工精度实际上就是限制和降低加工误差。工误差。 从保证产品的使用性能分析，没有必要把每个零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，可以允许有件都加工得绝对准确，可以允许有定的加工误差，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。只要加工误差不超过图样规定的偏差，即为合格品

3、。 零件的加工精度包括零件的加工精度包括 尺寸精度、形状精度、位置精度尺寸精度、形状精度、位置精度 通常尺寸精度要求高形位精度要求也越高通常尺寸精度要求高形位精度要求也越高 常用加工误差的大小来评价加工精度的高低常用加工误差的大小来评价加工精度的高低加工误差越小，加工精度越高。加工误差越小，加工精度越高。5影响机械加工精度的原始误差及分类影响机械加工精度的原始误差及分类图4-1 活塞销孔精镗工序中的原始误差 原始误差原始误差 零件加工的误差是由于工件与刀具在切削零件加工的误差是由于工件与刀具在切削过程中相互位置发生变动而造成。工件和刀具过程中相互位置发生变动而造成。工件和刀具安装在夹具和机床上

4、，工件、刀具、夹具、机安装在夹具和机床上，工件、刀具、夹具、机床构成了一个完整的工艺系统。工艺系统的种床构成了一个完整的工艺系统。工艺系统的种种误差，是造成零件加工误差的根源，故称之种误差，是造成零件加工误差的根源，故称之为为原始误差。原始误差。 原原始始误误差差 加工前误差加工前误差加工中误差加工中误差加工后误差加工后误差调整误差调整误差机床误差机床误差刀具误差刀具误差夹具误差夹具误差原理误差原理误差工艺系统受力变形工艺系统受力变形刀具磨损刀具磨损残余应力引起变形残余应力引起变形测量误差测量误差工艺系统热变形工艺系统热变形定位误差定位误差 以图以图4.2车削外圆为例，工件的回转中心为车削外圆

5、为例，工件的回转中心为O，刀尖的理想位置在刀尖的理想位置在A处，工件理想半径处，工件理想半径R0OA。 假设各种原始误差的综合影响使刀尖的位置偏假设各种原始误差的综合影响使刀尖的位置偏离，实际加工工件半径离，实际加工工件半径R OA 。AA即为原始误差即为原始误差，它与，它与OA间的夹角为间的夹角为 。因而工件半径上因而工件半径上(即工序尺寸方向上即工序尺寸方向上)的加工误差的加工误差R 为为三、三、 误差的敏感方向误差的敏感方向02002202coscos2RRRROAAOR分析可知，当原始误差的分析可知，当原始误差的方向为加工表面的法线方向时方向为加工表面的法线方向时，即，即 0，引起的加

6、工误，引起的加工误差最大。差最大。022RR当原始误差的方向为加工表面的切线方向时，即 90，引起的加工误差最小，通常可以忽略022 RR原始误差方向与工序尺寸方向相正交时，原始误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响。差对加工方向的精度几乎没有影响。 原始误差对加工精度影响最大的方向称为原始误差对加工精度影响最大的方向称为误差的敏感方向误差的敏感方向，而原始误差对加工精度影响，而原始误差对加工精度影响最小的方向称为最小的方向称为误差的不敏感方向误差的不敏感方向。一般加工。一般加工表面的法线方向为误差敏感方向，而加工表面表面的法线方向为误差敏感方向，而加工表面

7、的切线方向为误差非敏感方向。通常在研究工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，艺系统的加工精度时，主要研究误差敏感方向主要研究误差敏感方向的精度。的精度。 四、研究加工精度的方法四、研究加工精度的方法 1. 单因素分析法单因素分析法 分析研究某一个因素对加工精度的影响。分析研究某一个因素对加工精度的影响。 通过分析、计算、测试、实验，得出单因素与通过分析、计算、测试、实验，得出单因素与加工误差间的关系。加工误差间的关系。2、统计分析法、统计分析法 以生产中一批工件的实测结果为基础，以生产中一批工件的实测结果为基础，运用数理统计方法进行数据处理，用以控制运用数理统计方法进行

8、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，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，找出误差出现的规可以从中判断误差性质，找出误差出现的规律。以指导解决有关的加工精度问题。律。以指导解决有关的加工精度问题。 在实际生产中，两种方法常常结合应用。在实际生产中，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，然后运用单因素判断加工误差的可能原因，然后运用单因素分析法进行分析、试验，以便迅速有效地找分析法进行分析、试验，以便迅速有效地找出影响加工精度的主要原因。出影响加工精度的主要原因。第二节第

9、二节 工艺系统的几何误差对加工艺系统的几何误差对加工精度的影响工精度的影响 原理误差原理误差：是由于采用了近似的成形运动或刀刃形是由于采用了近似的成形运动或刀刃形状而产生的。状而产生的。 例例1 ：滚切渐开线齿形就存在两项原理误差滚切渐开线齿形就存在两项原理误差:一是为一是为便于制造，用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆，便于制造，用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆，来代替渐开线基本蜗杆而产生的误差；另一个是由于滚来代替渐开线基本蜗杆而产生的误差；另一个是由于滚刀刀刃数有限，滚切出的齿形不是连续光滑的渐开线，刀刀刃数有限，滚切出的齿形不是连续光滑的渐开线，而是由若干短线组成的折线。而是由若干

10、短线组成的折线。 一一、例例2：在加工正弦曲线的内曲面时，用曲柄滑块机构在加工正弦曲线的内曲面时，用曲柄滑块机构来获得近似的正弦曲线，也存在原理来获得近似的正弦曲线，也存在原理误差误差。 例例3 ：车削模数蜗杆由于蜗杆的螺距等于蜗轮车削模数蜗杆由于蜗杆的螺距等于蜗轮的齿距的齿距 ( 即即m，其中，其中m是模数，而是模数，而是一个无是一个无理数理数3.14159)，但是车床配换齿轮的齿数是有，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，只能将限的。因此，在选择配换齿轮时，只能将化化为近似的分数值计算，这样就会引起刀具相对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工件的成形

11、运动(螺旋运动螺旋运动)不准确，造成螺距不准确，造成螺距误差。误差。 理论上应当采用理想的加工原理，来理论上应当采用理想的加工原理，来获得精确的加工表面。但在生产中这样做获得精确的加工表面。但在生产中这样做有时会使机床的结构复杂，难以保证机床有时会使机床的结构复杂，难以保证机床的刚度和精度，或者使刀刃的轮廓不易制的刚度和精度，或者使刀刃的轮廓不易制造或精度很低。这样不仅不能保证加工精造或精度很低。这样不仅不能保证加工精度，甚至还会降低加工效率。度，甚至还会降低加工效率。 这时如采用近似的加工方法，往往可以简这时如采用近似的加工方法，往往可以简化机床结构和刀具的形状，并能提高生产率，化机床结构和

12、刀具的形状，并能提高生产率，降低加工成本，因此，只要能把加工误差限降低加工成本，因此，只要能把加工误差限制在规定的范围内（一般，原理误差应小于制在规定的范围内（一般，原理误差应小于工件公差值的工件公差值的10%15%），可以采用近似的），可以采用近似的加工方法。加工方法。 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。调整不可能绝对地准进行这样或那样的调整工作。调整不可能绝对地准确，因而产生调整误差。确，因而产生调整误差。 （ 一）试切法调一）试切法调 工人在每一工步或走刀前进行对刀，工人在每一工步或走刀前进

13、行对刀，然后切出一小段，测量其尺寸是否合适，然后切出一小段，测量其尺寸是否合适，如不合适，调整刀具的位置，再试切一小如不合适，调整刀具的位置，再试切一小段，直到达到尺寸要求后才加工这一尺寸段，直到达到尺寸要求后才加工这一尺寸的全部表面。的全部表面。生产率低、对工人要求高生产率低、对工人要求高用于单件小批生产用于单件小批生产试切法引起调整误差的因素试切法引起调整误差的因素 （二）调整法（二）调整法 先按规定尺寸调整好机床、夹具、刀具和工件先按规定尺寸调整好机床、夹具、刀具和工件的相对位置及进给行程，从而保证在加工时自动的相对位置及进给行程，从而保证在加工时自动获得尺寸。调整法加工时，不再进行试切

14、，生产获得尺寸。调整法加工时，不再进行试切，生产率大大提高，但精度低些，主要决定于机床、夹率大大提高，但精度低些，主要决定于机床、夹具的精度和调整误差。具的精度和调整误差。 调整法可分为静调整法和动调整法两种调整法可分为静调整法和动调整法两种 静调整法：样件法静调整法：样件法 在不切削的情况下，用对刀块或样件来调整刀在不切削的情况下，用对刀块或样件来调整刀具的位置具的位置 镗床上镗床上用对刀块来调整镗刀的位置，以保证用对刀块来调整镗刀的位置，以保证镗孔的直径尺寸；镗孔的直径尺寸； 铣床上铣床上用对刀块来调整刀具的位置，保证工件的用对刀块来调整刀具的位置，保证工件的高度尺寸。高度尺寸。 车床上车

15、床上用行程档块来调整尺寸，保证车削的长度。用行程档块来调整尺寸，保证车削的长度。 动调整法：尺寸调整法动调整法：尺寸调整法 按试切零件进行调整，直接测量试切零件的尺寸，按试切零件进行调整，直接测量试切零件的尺寸，可以试切一件或一组零件（件），所有可以试切一件或一组零件（件），所有试切零件合格，即调整完毕，可以进行加工。试切零件合格，即调整完毕，可以进行加工。用于大批量生产用于大批量生产考虑了加工过程中的影响因素，精度比静调整法高。考虑了加工过程中的影响因素，精度比静调整法高。图 调整法引起调整误差的因素调整法引起调整误差的因素三、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机

16、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：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导轨导向误差机床主轴回转误差机床主轴回转误差机床传动链的误差机床传动链的误差机床误差机床误差（一（一） 机床导轨机床导轨导向导向误差误差 导轨精度要求主要有以下三方面：导轨精度要求主要有以下三方面： 1、 在水平面内的直线度在水平面内的直线度（以卧式车床为例）（以卧式车床为例）1将直接反映在工件加工表面法线方向（误差敏感方将直接反映在工件加工表面法线方向（误差敏感方向）上，误差向）上，误差R =1 ，对加工精度影响最大。，对加工精度影响最大。 刀尖在

17、水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。2、 在垂直面内的直线度在垂直面内的直线度 对工件的尺寸和形状误差影响比对工件的尺寸和形状误差影响比1小得多小得多 对卧式车床对卧式车床R 22/D 若设若设2= 0.1= 0.1mm, ,D=40=40mm，则则R =0.00025=0.00025mm，影响可忽略不计。，影响可忽略不计。 而对平面磨床、龙门刨床误而对平面磨床、龙门刨床误差将直接反映在工件上。差将直接反映在工件上。3、 导轨面间平行导轨面间平行度误差的影响度误差的影响卧式车床两导轨间卧式车床两导轨间存在平行度误差时，存在平行度误差时，将使床鞍

18、产生横向倾将使床鞍产生横向倾斜，引起刀架和工件斜，引起刀架和工件的相对位置发生偏斜的相对位置发生偏斜，刀尖的运动轨迹是，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，从而一条空间曲线，从而引起工件产生形状误引起工件产生形状误差。差。根据图中几何关系根据图中几何关系，可知因导轨平行度，可知因导轨平行度误差所引起的工件半误差所引起的工件半径的加工误差径的加工误差R=H/B一般车床一般车床H/B约为约为2/3，外圆磨床，外圆磨床H/B约约为为1，因此导轨间的平，因此导轨间的平行度误差对加工精度行度误差对加工精度影响很大。影响很大。 4、导轨误差产生的原因、导轨误差产生的原因导轨误差主要来自于导轨误差主要来自于机床安

19、装机床安装、机床制造机床制造、机床变机床变形形(在重力作用下），以及机床使用中的磨损。在重力作用下），以及机床使用中的磨损。机床的安装机床的安装(包括安装地基和安装方法包括安装地基和安装方法)对导轨的原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。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。致工件产生加工误差。此外，导轨的不均匀磨损也是造成导轨误差的重要此外，导轨的不均匀磨损也是造成导轨误

20、差的重要因素。因素。导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。可导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。可采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨、导轨表面淬火等措施。、导轨表面淬火等措施。（二）机床主轴的回转误差（二）机床主轴的回转误差 1.1.主轴回转误差的基本概念主轴回转误差的基本概念 主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量移量 三种基本形式：三种基本形式： a. 纯径向跳动纯径向跳动 b.b.纯角度摆动纯角度摆动 c.c.轴向窜动轴向窜动 轴向轴向窜动窜动：瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的瞬时回

21、转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动，如图轴向运动，如图(a)所示。主轴的所示。主轴的轴向轴向窜动窜动对工件的圆对工件的圆柱面加工没有影响，主要影响端面形状、轴向尺寸精柱面加工没有影响，主要影响端面形状、轴向尺寸精度、端面垂直度。主轴存在度、端面垂直度。主轴存在轴向轴向窜动窜动误差时，车削加误差时，车削加工螺纹时将会使加工后的螺旋产生螺距误差。工螺纹时将会使加工后的螺旋产生螺距误差。2.主轴回转误差对加工精度的影响主轴回转误差对加工精度的影响 径向跳动径向跳动：瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴：瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动，如图线方向的径向运动，如图(b)所示。主轴的纯径向跳

22、所示。主轴的纯径向跳动会使工件产生圆柱度误差，对加工端面基本没有动会使工件产生圆柱度误差，对加工端面基本没有影响。但加工方法不同，所引起的加工误差形式和影响。但加工方法不同，所引起的加工误差形式和程度也不同。程度也不同。 纯角度摆动纯角度摆动：瞬时回转轴线与平均回转轴线方：瞬时回转轴线与平均回转轴线方向成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动，向成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动，如图如图(c)所示。所示。主轴的角度摆动不仅影响工件加工表面的圆柱主轴的角度摆动不仅影响工件加工表面的圆柱度误差，而且影响工件端面误差。度误差，而且影响工件端面误差。实际上，主轴回转误差是三种基本形式误差综实际

23、上，主轴回转误差是三种基本形式误差综合作用的结果，见图合作用的结果，见图 ( d )。 影响主轴回转精度的主要因素影响主轴回转精度的主要因素 （1）轴承误差的影响）轴承误差的影响主轴采用滑动轴承的主轴采用滑动轴承的车床车床类，类，主轴受力方向一定，主轴颈主轴受力方向一定，主轴颈圆度误差影响较大，轴承内圆度误差影响较大，轴承内径圆度误差没影响径圆度误差没影响 镗床镗床主轴受力随镗刀旋转方向不断变化轴承孔主轴受力随镗刀旋转方向不断变化轴承孔误差影响大误差影响大主轴采用滚动轴承主轴采用滚动轴承滚动轴承结构复杂，影响主轴精度因素也较复杂滚动轴承结构复杂，影响主轴精度因素也较复杂( 2 ) 轴承间隙的影

24、响轴承间隙的影响( 3 ) 与轴承配合的零件误差的影响与轴承配合的零件误差的影响( 4 ) 主轴转速的影响主轴转速的影响( 5 ) 主轴系统的径向不等刚度和热变形的影响主轴系统的径向不等刚度和热变形的影响4.4.提高主轴回转精度的措施提高主轴回转精度的措施（1 1）提高主轴部件的制造精度提高主轴部件的制造精度（2 2）对滚动轴承进行）对滚动轴承进行预紧预紧（3）使主轴的回转误差不反映到工件上）使主轴的回转误差不反映到工件上 外圆磨床磨削外圆柱面时，采用固定顶尖支承。外圆磨床磨削外圆柱面时，采用固定顶尖支承。 常采用两个固定顶尖支承，主轴只起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

25、度完全取决于传动作用。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，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。轴部件的精度容易且经济得多。 在镗床上加工箱体类零件上的孔时，采用前、后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。的配合质量决定。（三）机床传动链的传动误差（三）机床传动链的传动误差机床

26、传动链误差机床传动链误差是指机床内部传动机构传动过是指机床内部传动机构传动过程中出现传动链首末两端传动元件间相对运动的程中出现传动链首末两端传动元件间相对运动的误差。误差。传动链误差一般不影响圆柱面和平面的加工精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度，但对齿轮、蜗轮蜗杆、螺纹和丝杆等加工有较大影响。较大影响。 例如车削单头螺纹时，见图，要求工件旋转一周，相应例如车削单头螺纹时，见图，要求工件旋转一周，相应刀具移动一个螺距刀具移动一个螺距S ，这种运动关系是由刀具与工件间的传，这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。

27、总传动比反动链来保证的，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。映了误差传递的程度，故也称为误差传递系数。 TiTzzzzzzzzSf87654321 传动链误差产生的原因传动链误差产生的原因(1) 传动链元件数量影响传动误差大小。每增加传动链元件数量影响传动误差大小。每增加一个传动元件，必然会带来一部分传动误差。一个传动元件，必然会带来一部分传动误差。(2) 传动副的加工和装配精度影响传动误差。特传动副的加工和装配精度影响传动误差。特别是保证末端传动件的精度，并尽量减小传动链中别是保证末端传动件的精度，并尽量减小传动链中的齿轮副或螺旋副中存在的间隙，避

28、免传动速比的的齿轮副或螺旋副中存在的间隙，避免传动速比的不稳定和不均匀。不稳定和不均匀。( 3 ) 采用减速传动链有助于减小传动误差。按采用减速传动链有助于减小传动误差。按降速比递增的原则分配各传动副的传动比。传动链降速比递增的原则分配各传动副的传动比。传动链末端传动副的减速比越大，则传动链中其余各传动末端传动副的减速比越大，则传动链中其余各传动元件的误差影响越小，从而减小末端传动元件转角元件的误差影响越小，从而减小末端传动元件转角误差的影响。为此，可增加蜗轮的齿数或加大母丝误差的影响。为此，可增加蜗轮的齿数或加大母丝杆的螺距，这都有利于减小传动链误差。杆的螺距，这都有利于减小传动链误差。减少

29、传动链误差的措施：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；尽可能缩短传动链，减少传动元件数目； 尽量尽量采用降速传动，误差被缩小；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提高传动元件、特别是末端元件的制造和装配精度；配精度； 消除传动间隙；消除传动间隙； 采用误差补偿机构或自动补偿装置。采用误差补偿机构或自动补偿装置。（图（图4-244-24） L0.056F710F7k620H 7g 6YZ图 钻径向孔的夹具通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。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

30、装误差；一、基本概念一、基本概念1、工艺系统加工中受到的力、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。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。的位置关系，从而产生加工误差。第三节第三节 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2、工艺系统受力对其性能的影响、工艺系统受力对其性能的影响 是加工中一项很重要的原始误差，不仅是加工中一项很重要的原始误差

31、，不仅严重影响工件的加工精度，而且还影响加工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。表面质量，限制加工生产率的提高。3、工艺系统承受受力变形能力的评价、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，工艺系统抵抗变形的能力，要产生一些变形，工艺系统抵抗变形的能力，用刚度用刚度 k 来表示。来表示。 工艺系统刚度的概念工艺系统刚度的概念 工艺系统各部分在切削力作用下，将在各个受工艺系统各部分在切削力作用下，将在各个受力方向产生相应变形。为了切实反映工艺系统刚度力方向产生相应变形。为了切实反映工艺系统

32、刚度对零件加工精度的实际影响，将法向切削分力与在对零件加工精度的实际影响，将法向切削分力与在总切削分力作用下工艺系统在该方向所产生的变形总切削分力作用下工艺系统在该方向所产生的变形的法向位移量之比定义为工艺系统刚度，的法向位移量之比定义为工艺系统刚度， 即即 yFKp二二 工艺系统刚度的计算工艺系统的刚度：y = yjc + yjj + yd + yg而：gdjjjckkkkk11111yFkp工艺系统某点法向总变形jcpjcyFKjjpjjyFKdpdyFKgpgyFK系统薄弱环节的刚度是主导系统刚度的系统薄弱环节的刚度是主导系统刚度的主要因素，而刚度很大的环节的影响可以主要因素，而刚度很大

33、的环节的影响可以忽略，所以计算工艺系统刚度时应把握主忽略，所以计算工艺系统刚度时应把握主导因素，从而对问题进行简化。导因素，从而对问题进行简化。例如外圆车削时，车刀本身在切削力作例如外圆车削时，车刀本身在切削力作用下的变形对加工误差的影响很小，可略用下的变形对加工误差的影响很小，可略去不计。去不计。再如镗孔时，工件再如镗孔时，工件(如箱体零件如箱体零件)的刚度一般较的刚度一般较大，其受力变形很小，也可忽略不计。大，其受力变形很小，也可忽略不计。因为整个工艺系统的刚度取决于薄弱环节的因为整个工艺系统的刚度取决于薄弱环节的刚度，故而通常采用单向载荷测定法寻找工艺系刚度，故而通常采用单向载荷测定法寻

34、找工艺系统中刚度薄弱的环节，而后采取相应措施提高薄统中刚度薄弱的环节，而后采取相应措施提高薄弱环节的刚度，即可明显提高整个工艺系统的刚弱环节的刚度，即可明显提高整个工艺系统的刚度。度。 零件刚度零件刚度 若零件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低若零件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，其变形对加工精度影响比较大，最大变形量按，其变形对加工精度影响比较大，最大变形量按材料力学公式估算。材料力学公式估算。 长轴两顶尖装夹按简支梁计算长轴两顶尖装夹按简支梁计算 三爪卡盘装夹按悬臂梁计算三爪卡盘装夹按悬臂梁计算刀具刚度刀具刚度 外圆刀具在加工表面法线方向上的刚度外圆刀具在加工表面法线方向上的刚度很

35、大变形可忽略很大变形可忽略 镗小孔刀杆刚度很差，变形对加工精度影镗小孔刀杆刚度很差，变形对加工精度影响很大，刀杆变形按材料力学公式估算。响很大，刀杆变形按材料力学公式估算。 对于由若干各零件组成的对于由若干各零件组成的机床部件机床部件及及夹具夹具，其刚度多采用实验的方法测定，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。而很难用纯粹的计算方法求出。 在车床顶尖间车削在车床顶尖间车削粗粗而短而短的光轴，由于车刀和的光轴，由于车刀和工件变形极小，此时，工工件变形极小，此时，工艺系统的总变形完全取决艺系统的总变形完全取决于于主轴箱、尾座主轴箱、尾座(包括顶尖包括顶尖)和刀架的变形。和刀架的

36、变形。1. 车短轴车短轴jdwztjpjcKLxKLxLKFy11122图 机床受力变形引起的加工误差2. 车细长轴车细长轴 在两顶尖间车削细长在两顶尖间车削细长轴，由于工件细长、刚度轴，由于工件细长、刚度小，在切削力作用下其变小，在切削力作用下其变形大大超过机床、夹具和形大大超过机床、夹具和刀具所产生的变形。因此，刀具所产生的变形。因此，机床、夹具和刀具的受力机床、夹具和刀具的受力变形可略去不计，变形可略去不计，工艺系工艺系统的变形完全取决于工件统的变形完全取决于工件的变形。的变形。工件变形引起的加工误差式中 yg 工件变形； E 工件材料弹性模量； J 工件截面惯性矩； Fp，L，x 含义

37、同前。图 工件受力变形引起的加工误差LxxLEIFypg22)(33）工艺系统的总变形）工艺系统的总变形若同时考虑机床变形和工件变形，将上述两种情况下的若同时考虑机床变形和工件变形，将上述两种情况下的变形量进行叠加，则在切削点处刀具相对于工件的位移量为变形量进行叠加，则在切削点处刀具相对于工件的位移量为 此时工艺系统的刚度为此时工艺系统的刚度为 这说明工艺系统的刚度也是随受力点位置变化而这说明工艺系统的刚度也是随受力点位置变化而变化的。变化的。 LxxLEIFKLxKLxLKFyyypjdwztjpgjc2222)(3111 LxxLEIKLxKLxLKKjdwztj2222)(311111（

38、二）（二） 切削力大小变化引起的加工误差切削力大小变化引起的加工误差切削加工过程中，工艺系统在切削力作用下产切削加工过程中，工艺系统在切削力作用下产生的变形大小取决于切削力，但在加工余量不均生的变形大小取决于切削力，但在加工余量不均匀、材料硬度不均匀或机床、夹具和刀具等在不匀、材料硬度不均匀或机床、夹具和刀具等在不同部位时的刚度不同的影响下切削力将会发生变同部位时的刚度不同的影响下切削力将会发生变化，导致相应的受力变形量变化，从而使工件加化，导致相应的受力变形量变化，从而使工件加工后存在相应误差。工后存在相应误差。这种现象称为这种现象称为“误差复映误差复映”。 以车削外圆为例，如以车削外圆为例

39、，如图所示，设毛坯的材料硬图所示，设毛坯的材料硬度均匀，但存在椭圆形圆度均匀，但存在椭圆形圆度误差。车削加工时首先度误差。车削加工时首先按加工表面尺寸要求将刀按加工表面尺寸要求将刀尖调整到虚线位置，即调尖调整到虚线位置，即调整一定的切深。整一定的切深。由于毛坯形状误差，由于毛坯形状误差，工件在每一转中，切深是工件在每一转中，切深是不断变化的，最大切深为不断变化的，最大切深为ap1，最小切深为，最小切深为ap2，相，相应地处的切削力应地处的切削力Fy1最大，最大，相应变形最大相应变形最大y1；Fy2处的处的切削力最小，相应变形切削力最小，相应变形y2也最小。因而，车削加工也最小。因而，车削加工时

40、的切削力变化将引起受时的切削力变化将引起受力变形不一致。力变形不一致。最终加工后，毛坯的椭圆形圆度误差仍以一定的最终加工后，毛坯的椭圆形圆度误差仍以一定的比例保留在工件上，形成圆度误差比例保留在工件上，形成圆度误差g=y1-y2。 设工艺系统的刚度为设工艺系统的刚度为K，则工件的圆度误差，则工件的圆度误差 根据切削原理，切削力可用如下的经验公式进根据切削原理，切削力可用如下的经验公式进行计算行计算 FyFyFynyxpFyyHBfaCF)(KFFyygyy2121 Cfy 为与刀具几何参数及切削条件有关的系数；为与刀具几何参数及切削条件有关的系数；ap 为切深，单位为切深，单位mm；f 为进给

41、量，单位为进给量，单位mm；HB 为材料硬度，单位为材料硬度，单位GPa；xFy yFy nFy 为指数为指数通常以加工前后误差的比值衡量误差复映的程度通常以加工前后误差的比值衡量误差复映的程度，并定义，并定义为误差复映系数，其表示为为误差复映系数，其表示为 由于由于g g总是小于总是小于 mm，所以误差复映系数，所以误差复映系数是一个是一个小于小于1的正数。对于材料均匀的毛坯，误差复映系数的正数。对于材料均匀的毛坯，误差复映系数只与进给量、工艺系统刚度有关。只与进给量、工艺系统刚度有关。KCaaKFFmgppyy)(2121由误差复映规律知，误差复映系数定量反映了毛由误差复映规律知，误差复映

42、系数定量反映了毛坯误差加工后减小的程度，因而要减小误差复映现象坯误差加工后减小的程度，因而要减小误差复映现象，可减小进给量或提高工艺系统的刚度。，可减小进给量或提高工艺系统的刚度。一般情况下，误差复映系数一般情况下，误差复映系数1，故加工后工件的，故加工后工件的误差较加工前明显减少。误差较加工前明显减少。设第设第1次、第次、第2次、第次、第3次次第第n次走刀时的误差复次走刀时的误差复映系数分别为映系数分别为 1 1、 2 、 3 ，则总的误差复映系数，则总的误差复映系数 n321 这说明，经多次走刀或多道工序能够减小误差复这说明，经多次走刀或多道工序能够减小误差复映的程度，可以降低工件的加工误

43、差，但也意味着生映的程度，可以降低工件的加工误差，但也意味着生产率的降低。实际中可根据工件的公差值和毛坯误差产率的降低。实际中可根据工件的公差值和毛坯误差值确定加工次数。值确定加工次数。 夹紧力影响【例1】薄壁套夹紧变形 解决：加开口套 【例2】薄壁工件磨削 解决：加橡皮垫 重力引起的加工误差重力引起的加工误差 工艺系统的零部件自重也会产生变形，尤其是在工艺系统的零部件自重也会产生变形，尤其是在大型工件或组合件加工时，工件自重引起的变形可能大型工件或组合件加工时，工件自重引起的变形可能会成为产生加工形状误差的主要原因，如龙门铣床、会成为产生加工形状误差的主要原因，如龙门铣床、龙门刨床横粱在刀架

44、自重下引起的变形将造成工件的龙门刨床横粱在刀架自重下引起的变形将造成工件的平面度误差。所以装夹工件时，可适当布置支承位置平面度误差。所以装夹工件时，可适当布置支承位置或通过平衡措施以减少自重影响。或通过平衡措施以减少自重影响。图 龙门铣横梁变形【例】龙门铣横梁重力影响 解决：变形补偿例如：龙门铣床的横梁导轨在立铣头自重作用下例如：龙门铣床的横梁导轨在立铣头自重作用下将产生向下弯曲的变形，如图将产生向下弯曲的变形，如图a所示。所示。一种误差补偿方案是将导轨预先制造成向上凸起一种误差补偿方案是将导轨预先制造成向上凸起的几何形状误差，以抵消因铣头重量而产生的受力变的几何形状误差，以抵消因铣头重量而产

45、生的受力变形，见图形，见图b。 传动力与惯性力传动力与惯性力引起的加工误差引起的加工误差图2-37 传动力对加工精度的影响zlRXYFpFcFcdFcdxra）OOr0XYFpAFcdrcd=Fcd / kcOFcFc / kcFp / kcb）O1.传动力影响传动力影响在单爪拨盘传动在单爪拨盘传动下车削出来的工件下车削出来的工件是一个正圆柱，并是一个正圆柱，并不产生加工误差。不产生加工误差。2. 惯性力的影响惯性力的影响 如果工艺系统中有不平衡的高速旋转的构件存在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。它在工件的每一转中将不断地变，就会产生离心力。它在工件的每一转中将不断

46、地变更方向，引起工件几何轴线作相同形式的摆动。当不更方向，引起工件几何轴线作相同形式的摆动。当不平衡质量的离心力大于切削力时，车床主轴轴颈和轴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断地变化，则轴套孔的圆套内孔表面的接触点就会不断地变化，则轴套孔的圆度误差将传给工件的回转轴心。周期性变化的惯性力度误差将传给工件的回转轴心。周期性变化的惯性力还会引起工艺系统的强迫振动。还会引起工艺系统的强迫振动。解决方法：解决方法： 配重平衡配重平衡 必要时适当降低转速，减小离心力的影必要时适当降低转速，减小离心力的影响。响。四、机床部件刚度四、机床部件刚度(一一)机床部件刚度的测

47、定机床部件刚度的测定实际中，通常采用实验方法测定工艺系统的总刚实际中，通常采用实验方法测定工艺系统的总刚度。度。1. 单向静载测定法单向静载测定法 是一种静刚度测试方法。是一种静刚度测试方法。这种方法是在机床静止状态下，对机床施加静载这种方法是在机床静止状态下，对机床施加静载荷以模拟切削过程中的受力情况，根据机床各部件荷以模拟切削过程中的受力情况，根据机床各部件在不同静载荷下的变形作出刚度特性曲线，从而确在不同静载荷下的变形作出刚度特性曲线，从而确定各部件的刚度。定各部件的刚度。 单向静载测定车床静刚度的实验单向静载测定车床静刚度的实验装置见右图。装置见右图。在车床上采用双顶尖定位安装大在车床

48、上采用双顶尖定位安装大刚度短轴，螺旋加力器安装在刀架上刚度短轴，螺旋加力器安装在刀架上，短轴和螺旋加力器之间装有测力环，短轴和螺旋加力器之间装有测力环。当转动螺旋加力器的螺钉，刀架与。当转动螺旋加力器的螺钉，刀架与短轴之间便产生相互作用力，力的数短轴之间便产生相互作用力，力的数值可由测力环中的千分表值可由测力环中的千分表3读出，而读出，而主轴箱、尾座和刀架的受力变形可分主轴箱、尾座和刀架的受力变形可分别从相应的千分表别从相应的千分表1、2和和4读出。读出。调整螺旋加力器的加载力作用点调整螺旋加力器的加载力作用点和大小可以模拟切削加工时工艺系统和大小可以模拟切削加工时工艺系统静态受力的情况，通过

49、连续的加载和静态受力的情况，通过连续的加载和卸载可获得车床静刚度的实测曲线。卸载可获得车床静刚度的实测曲线。 图图 为车床刀架部件的三次加载为车床刀架部件的三次加载卸载循环的实验卸载循环的实验曲线，由图可以看出机床部件刚度曲线有以下特点曲线，由图可以看出机床部件刚度曲线有以下特点 受力变形与作用力不呈线性关系，反映刀架变受力变形与作用力不呈线性关系，反映刀架变形不纯粹是弹性变形；形不纯粹是弹性变形；(1) 加载曲线与卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线与卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线。两曲线间的包络面积代表了加载加载曲线。两曲线间的包络面积代表了加载卸载卸载循环中所损耗的能量，这部分

50、能量主要用以克服部循环中所损耗的能量，这部分能量主要用以克服部件内零件间的摩擦和接触塑性变形所作的功；件内零件间的摩擦和接触塑性变形所作的功；( 3 ) 卸载曲线不会到原点，这说明有残余变形存在卸载曲线不会到原点，这说明有残余变形存在。经反复加载、卸载后，残余变形逐渐减小并接近于。经反复加载、卸载后，残余变形逐渐减小并接近于零，加载曲线与卸载曲线封闭；零，加载曲线与卸载曲线封闭；( 4 ) 机床部件的实际刚度远比按实体估算的要小。机床部件的实际刚度远比按实体估算的要小。这种静载测定法结构简单，易于操作，但很难模拟这种静载测定法结构简单，易于操作，但很难模拟实际切削加工时的切削力，与机床加工时的

51、受力状况实际切削加工时的切削力，与机床加工时的受力状况出入较大，故一般只用于定性比较机床部件的刚度。出入较大，故一般只用于定性比较机床部件的刚度。 （二）影响机床部件刚度的因素（二）影响机床部件刚度的因素 1联接表面间的接触变形联接表面间的接触变形 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。2零件间摩擦力的影响零件间摩擦力的影响 摩擦力对接触刚度的影响是这样的：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

52、减少。因此，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。曲线不与加载曲线相重合。 4. 薄弱薄弱零件本身的变形零件本身的变形 五五 、减小工艺系统受力变形对加工精度影响的措施、减小工艺系统受力变形对加工精度影响的措施 ( 一一 ) 提高工艺系统的刚度提高工艺系统的刚度 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。1. 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； 常用方法2) 在接触面间预加载荷。 刮研或研磨配合

53、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。如机床导轨副、锥体与锥孔、顶尖与中心孔等。 2. 提高工件的刚度 适用场合：在加工中，由于工件本身的刚度较低，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。3. 提高机床部件的刚度 在切削加工中有时由于机床部在切削加工中有时由于机床部件刚度低而产生变形和振动，影响加件刚度低而产生变形和振动，影响加工精度和生产率的提高。工精度和生产率的提高。 图图 a 所示是在转塔机所示是在转塔机床

54、上采用固定导向支承套床上采用固定导向支承套图 a 图图 b 所示是采用所示是采用转动导向支承套，用转动导向支承套，用加强杆和导向支承套加强杆和导向支承套提高部件的刚度。提高部件的刚度。图 b4. 合理设计零部件结构和截面形状 5. 合理装夹工件以减少夹紧变形合理装夹工件以减少夹紧变形合理选择装夹位置合理选择装夹位置采用辅助支承采用辅助支承方法方法(二二) 减小载荷及其变化减小载荷及其变化 合理选择刀具的几何参数和切削用量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将毛坯分组，使一次调整中加工的毛坯余量比较均匀。量比较均匀。 在铸、锻、焊及热处理等热加工过程中，在铸、锻、

55、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。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。了不均匀的体积变化而产生的。六、工件残余应力引起的变形六、工件残余应力引起的变形1毛坯制造和热处理过程中产生的残余应力毛坯制造和热处理过程中产生的残余应力工件若产生内应力处于不稳定状态会逐渐变形工件若产生内应力处于不稳定状态会逐渐变形2冷校直带来的残余应力冷校直带来的残余应力弯曲的工件(原来

56、无残余应力)要校直，常采用冷校直。3切削加工中产生的残余应力切削加工中产生的残余应力 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。表面层变形，产生残余应力。减少或消除残余应力的措施减少或消除残余应力的措施1合理设计零件结构合理设计零件结构2对工件进行热处理和时效处理对工件进行热处理和时效处理 例如：对铸、锻、焊接件进行退火或回例如：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。

57、等，在粗加工后进行时效处理。3. 合理安排工艺过程合理安排工艺过程 例如：粗、精加工分开在不同工序中进行，留有例如：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，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件后进行精加工。再用较小的夹紧力夹紧工件后进行精加工。第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响一、概述一、概述 在机械加工过程中，工艺系统在各种热源的影响下常

58、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。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。主要是主轴部件、床身导轨及两者相对位置的主要是主轴部件、床身导轨及两者相对位置的热变形热变形 第五节第五节 加工误差的统计分析加工误差的统计分析 前几节就影响加工精度的各种主要因素，从前几节就影响加工精度的各种主要因素，从单因素的角度进行了详细分析，并提出了一些保单因素的角度进行了详细分析，并提出了一些保证加工精度的措施。但在实际生产中，一个工序证加工精度的措施。但在实际生产中，一个工序加工完成后，工件的

59、加工精度是一系列工艺因素加工完成后，工件的加工精度是一系列工艺因素综合作用的结果，各种因素产生的加工误差可能综合作用的结果，各种因素产生的加工误差可能相互迭加，也可能相互补偿或抵消，而且各种误相互迭加，也可能相互补偿或抵消，而且各种误差的表现性质在很大程度上带有一定的随机性。差的表现性质在很大程度上带有一定的随机性。 实际上，影响加工精度的因素是错综复杂的，实际上，影响加工精度的因素是错综复杂的，需要用概率理论和统计方法进行分析和处理，进需要用概率理论和统计方法进行分析和处理，进而提出控制和解决加工精度问题的工艺措施。而提出控制和解决加工精度问题的工艺措施。 虽然从表面上看影响加工误差的因素似

60、乎没有规虽然从表面上看影响加工误差的因素似乎没有规律，但是应用概率理论和统计方法可以发现一批工件加律，但是应用概率理论和统计方法可以发现一批工件加工误差的总体规律，从而查出产生误差的根源，在工艺工误差的总体规律，从而查出产生误差的根源，在工艺上采取措施予以控制。上采取措施予以控制。一、一、 加工误差的性质加工误差的性质 根据加工一批工件所出现的误差规律来看，加工根据加工一批工件所出现的误差规律来看，加工误差可分为系统误差和随机误差两类。误差可分为系统误差和随机误差两类。（一）系统误差（一）系统误差 在顺序加工一批工件中，其加工误差的大小和方向在顺序加工一批工件中，其加工误差的大小和方向都保持不