第十章机械加工精度2

1、第一节 机械加工精度的基本概念 第二节 工艺系统的几何误差第三节 工艺系统的受力变形误差第四节 工艺系统的热变形误差第五节 加工误差综合分析第六节 提高加工精度的工艺措施第十章 机械加工精度上一讲介绍了涉及到机械加工精度的基本概念、工艺系统的几何误差（加工原理误差、机床的几何误差、工艺系统的其他几何误差）形成的机理及对加工精度的影响。上一讲内容回顾第三节 工艺系统的受力变形误差一、工艺系统的受力变形现象二、工艺系统的刚度三、工艺系统受力变形对加工精度的影响四、减小工艺系统受力变形的主要措施五、工件内应力对加工精度的影响 机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相

2、应的（弹性和塑性）变形和振动，从而破坏了刀具和工件之间的成形运动的位置关系和速度关系，影响切削运动的稳定性，从而造成各种加工误差，且使表面粗糙度增大。一、工艺系统的受力变形现象如： 1、车削工艺系统受力变形2、磨削工艺系统受力变形 车细长轴时，工件在切削力的作用下会发生变形，使加工出的轴出现中间粗两头细的情况。 在内圆磨床上进行切入式磨孔时，由于内圆磨头轴比较细，磨削时因磨头轴受力变形，而使工件孔呈锥形。1、工艺系统刚度基本概念2、工艺系统刚度的计算3、工艺系统受力变形对加工精度的影响4、减少工艺系统受力变形的措施二、工艺系统的刚度kXT 是工艺系统静刚度,yn值是在切削合力FZ的作用下，工艺

3、系统在Fp方向的变形。1、工艺系统刚度基本概念k=F/y 刚度的一般概念是指物体或系统抵抗变形的能力。用加到物体的作用力与沿此作用力方向上产生的变形量的比值表示，即kXT=Fp/yn静刚度（）；作用力（）； 沿作用力方向的变形量（）。越大，物体或系统抵抗变形能力越强，加工精度就越高。 切削加工过程中，在各种外力作用下，工艺系统各部分将在各个受力方向产生相应变形。对于工艺系统受力变形，主要研究误差敏感方向上的变形量。因此，工艺系统刚度定义为：作用于工件加工表面法线方向上的切削力与刀具在切削力作用下相对于工件在法线方向位移的比值，即kXT=Fp/yn 当FZ引起方向位移超出Fy引起的位移时(yZ

4、yy)，总位移与Fy方向相反，呈负值，此时刀架处于负刚度状态。负刚度使刀尖扎入工件表面(扎刀)，还会使工件产生振动，应尽量避免，2、工艺系统刚度的计算 工艺系统的静刚度是指在静态条件下的力和变形，由于工艺系统中的各个环节在外力作用下都会产生变形，故工艺系统沿加工表面法向变形值的总和:y系统=y机床+y夹具+y刀具+y工件 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K系统=1/（1/ K机床+1/ K夹具+1/ K刀具+1/ K工件）根据刚度定义：可得 :用测力仪测出作用力的大小，用百分表测出各组成环节的变形量，求出各组成环节的刚

5、度后，可用上式计算出工艺系统的刚度。系统刚度与工艺系统各组成部分的刚度和各组成部分之间的接触刚度有关。工艺系统受力变形对加工精度的影响可以归纳为如下几种形式：1、切削力作用点位置变化引起的工件形状误差2、由于切削力大小变化引起的加工误差3、切削过程中受力方向变化引起的工件形状误差4、其它作用力的影响引起的加工误差 三、工艺系统受力变形对加工精度的影响1)机床的变形1、 切削力作用点位置变化引起的工件形状误差假定切削过程中切削力保持不变，kXT常量；车刀悬伸很短，受力变形可忽略,yd。因此工艺系统的总变形有机床和工件变形组成即：以车床两顶尖间加工光轴为例yxt yjc yg 从上式看出机床的刚度

6、或变形是随受力点位置而变化的。变形大的地方（刚度小）切除的金属层薄；变形小的地方（刚度大）切除的金属层厚，所以机床受力变形使加工出来的工件产生两端粗、中间细的鞍形圆柱度误差。2）工件的变形（车削细长轴） 在两顶尖 之间车削细长轴，假设机床的变形很小即kjc0则工艺系统的总变形工件变形组成即：yxt yg把工件看成简支梁，根据材料力学的理论，其切削点处的变形量为由上述关系可知，工件的刚度或变形也是随受力点位置而变化的。变形大的地方（刚度小）切除的金属层薄；变形小的地方（刚度大）切除的金属层厚，所以，工件的受力变形而使加工出来的工件产生两端细、中间粗的腰鼓形圆柱度误差。3）工艺系统的变形和刚度由上

7、述可知，工艺系统刚度随受力点位置变化而变化的。当测得了车床床头箱、尾座、刀架的刚度，确定了工件的材料和尺寸，就可按值，估算出车削圆轴时工艺系统的刚度（或变形）。立式车床、龙门刨床、铣床等，其工艺系统刚度都可仿照上述方法分析。2、由于切削力大小变化引起的加工误差 加工过程中，由于工件的加工余量发生变化工件材质不均等因素引起的切削力变化，使工艺系统变形发生变化，从而产生加工误差。 右图若毛坯有椭圆形状误差。让刀具调整到图上双点划线位置。由图可知，在毛坯椭圆长轴方向上的背吃刀量为ap1，短轴方向的背吃刀量为ap2。由于背吃刀量不同，切削力不同，工艺系统产生的让刀变形也不同，对应于ap1产生的让刀为y

8、1，对应于ap2产生的让刀为y2,故加工出来的工件仍然存在椭圆形状误差。由于毛坯存在圆度误差毛 ap1 ap2，因而引起了工件的圆度误差工y1-y2，且毛愈大，工愈大，这种现象称为加工过程中的毛坯误差复映现象。工与毛之比值称为误差复映系数，它是误差复映程度的度量，反映了毛坯误差经过加工后减少的程度，它与工艺系统的刚度成反比。1）误差复映规律2）降低误差复映的主要工艺措施（1）提高工艺系统的刚度（2）增加走刀次数（3）提高毛坯精度 不仅形状、位置误差会发生复映，当毛坯材料硬度不均匀或有硬质点的存在，同样会因切削力变化而产生加工误差。因此，在大批大量生产中，用调整法加工一批工件，应控制毛坯精度，还

9、可以通过热处理改善材质的均匀性（如正火、退火、调质）。如果我们知道了某加工工序的复映系数，就可以通过测量毛坯的误差值来估算加工后工件的误差值。 在车床或磨床上加工轴类工件时常用单爪拔盘带动工件旋转如图所示：传动力在拔盘的每转中经常改变方向其在y方向的分力有时和切削分力Fp同向，有时反向；因此，它所产生的加工误差和惯性力近似，也会造成工件的圆度误差。所以，在加工精密零件时改用双爪拔盘或柔性连接装置带动工件旋转。3、切削过程中受力方向变化引起的工件形状误差车削一个不平衡工件、当离心力和切削分力方向相反时，将工件推向刀具，使背吃刀量增加如图(a)。当离心力与切削分力同向时，工件被拉离刀具，背吃刀量减

10、小如图(b) 。这样，就造成工件的园度误差。 对于刚性较差的工件，若夹紧时夹紧力作用点选择不当，也常会引起变形而造成工件的形状误差。如在车床上用三爪自动定心卡盘夹持薄壁套筒车内孔时，因为夹紧力径向作用在工件的薄壁上，容易产生弹性变形。夹紧后的套简成为棱圆状，图(a)所示。虽然车出的孔成正圆形，图(b)所示。但松夹后，套筒的弹性恢复使孔产生三角棱圆形，如图(c)所示。为了减小夹紧变形，采用在套简外加上一个开缝的过渡环，如图(b)所示，便装夹时接触面积增大，夹紧力均匀分布在薄壁套简上，工件不易产生变形。4、其它作用力的影响引起的加工误差 1）由夹紧力引起的加工误差2）由重力引起的加工误差 如龙门刨

11、床在刀架自重作用下引起横梁变形，造成了工件加工表面的平面度误差 减少工艺系统受力变形，是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。1、提高接触刚度2、提高工件刚度3、提高机床部件刚度4、合理装夹工件以减少夹紧变形提高配合表面质量在接触面间预加载荷合理使用，消除间隙，减小悬伸量 对工件本身刚度较低的叉类件、细长轴等零件，容易变形。可采用缩小切削力的作用点到支承之间的距离，以增大工件切削时的刚度,提高加工精度。 由于机床部件刚度低而产生变形和振动，此时可以用加强杆或导向支承套提高机床部件的刚度。 合理装夹工件以减少夹紧变形四、减小工艺系统受力变形的主要措施五、

12、工件内应力对加工精度的影响 工件内应力是指加在工件上的外部载荷去除后，仍残存在工件内部的应力。工件中的残余应力处在一种不很稳定的相对平衡状态，在外界的某种作用下很容易使残余应力重新分布，使零件产生相应的变形，从而破坏了零件原有的形状精度和位置精度。内应力产生的本质原因在于金属内部不均匀的体积变化。产生内应力三种情况：1、毛坯制造或淬火2、对细长轴进行冷校直3、金属切削带来的内应力零件在铸、缎、焊或热处理等热加工过程中，由于各部分壁厚不一致、散热不均匀时会产生相当大的残余应力。具有残余应力的毛坯，短时间内看不出有什么变化，一旦进行加工，表面切除一层金属后就会打破这种平衡，使残余应力重新分布，工件

13、就会出现比较明显的变形。车削后的细长轴存在上凸的弯曲变形，加一外载对其进行冷校直，如图所示，此时，在截面上半部为压应力，下半部为拉应力，撤去外载荷，则内应力重新分布。工件表面在切削力作用力下，也会出现不同程度的塑性变形和金属组织的变化而引起局部体积改变，因而产生内应力。这种内应力的分布情况由加工时的各种工艺因素所决定。 存在内应力的零件的金属组织，即使在常温下，其内应力也会缓慢而不断地变化，直到内应力消失为止。在变化过程中，零件的形状将逐渐改变，使原有的加工精度逐渐消失。第四节 工艺系统的热变形误差一、工艺系统的热源二、工艺系统的热变形对加工精度的影响三、减少和控制工艺系统热变形的措施 工艺系

14、统热变形对加工精度的影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%70%。机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。二、工艺系统的热变形对加工精度的影响1、机床的热变形对加工精度的影响2、工件的热变形对加工精度的影响3、刀具的热变形对加工精度的影响 由于机床各部件结构的复杂性，在不均匀温度场的作用下将发生不同程度的热变形，破坏了机床的几何精度，同时影响各成形运动的位置和速比关系，从而降低了加工精度。不同类型的机床，由

15、于结构和工作条件的不同，其主要热源不同，则变形形式也不同。车床、铣床和钻床，主要热源是主轴轴承产生的热量和主轴箱中油液的温升，使主轴前端向上抬起。 龙门刨床和导轨磨床的主要热源是导轨面的摩擦热。这类机床导轨长，导轨和地面的温差会使机床导轨产生较大的变形。当导轨上面的温度高于下面的温度时，会使导轨产生向上的凸起。 工件在加工中产生的热变形，主要是由于切削热引起，它改变了被切削表面相对于刀具的预定位置，从而造成加工误差。工件的热变形主要有均匀受热和不均匀受热两种情况。1）工件受热均匀，其热变形主要影响工件的尺寸精度，有时也会引起形状误差。例如当工件在两固定顶尖上定位加工时，其伸长量将使工件产生压应

16、力，从而使工件产生腰鼓形的圆柱度误差。 一般说来，工件的热变形在精加工中比较突出，特别是长度尺寸大而精度要求高的零件。2）工件不均匀受热板类工件单面加工（如铣、刨、磨平面），如薄板零件（摩擦片）及大型平板零件（床身导轨零件），加工时，单面受切削热的作用，上下表面之间形成温差，导致工件出现弯曲变形（中凸变形），在这种变形状态下加工，待工件冷却后，则加工面产生中凹的平面度、直线。 刀具热变形主要由切削热引起。虽然传给刀具热量不多，但刀具工作部分体积很小，热容量也很小，热量又集中，所以刀具表面的温度很高，一般可达到8001000，从而引起刀具热伸长，使工件加工时产生误差。在计算刀具热变形时一般是把刀

17、具的悬伸部分代替工作长度，用平均温度来估算刀具的热伸长量。图表示了车削时车刀的热伸长量与切削时间的关系。连续车削时，车刀的热变形情况如曲线，经过约10 20min车刀的热变形，即可达到热平衡，车刀的热变形影响很小；当停止车削后，刀具冷却变形过程如曲线；断续车削时，变形曲线如曲线。因此，在开始切削阶段，其热变形显著；达到热平衡后，对加工精度的影响则不明显。三、减少和控制工艺系统热变形的措施工艺系统产生热变形的根本原因是系统受到热源的作用。减少工艺系统的热变形最有效的手段是减少工艺系统的发热。1、减少热源的发热2、用热补偿方法减少热变形（均衡温度场）3、采用合理的机床部件结构减少热变形的影响5、控

18、制环境温度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。1）采用热对称结构2）合理选择机床部件的装配基准 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。单立柱结构受热后会产生很大的扭曲变形。采用双立柱结构可使热变形小得多。 因主轴部件是车床主轴箱的主要热源，故在图中，主轴轴心线相对于装配基准而言，主要在方向产生热位移，对加工精度影响较小；而在图中，方向的受热变形对加工精度的影响较大。4、加速达到工艺系统热平衡状态凡是可能分离出去的热源，如电动机、

19、变速箱、液压系统、冷却系统等，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。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。

20、 精密机床一般安装在恒温车间，恒温室平均温度一般为，其恒温精度一般控制在，精密级为。第五节 加工误差综合分析 工件的加工误差是多种原始误差影响的综合结果前面几节用单因素分析法对影响加工精度的各种因素进行了分析，并提出了一些保证加工精度的措施和解决问题的方法。在实际生产中，影响加工精度的因素很多，有时很难用单因素法来分析其因果关系，需要用数理统计的方法对现场加工出的一批工件进行测量，并进行分析和处理，找出主要影响因素，寻求解决问题的途径。一、加工误差的统计性质二、常用的统计分析方法一、加工误差的统计性质一批工件的加工误差分为系统性误差和随机性误差两大类。1、系统性误差2、随机性误差（1）常值系统

21、性误差（2）变值系统性误差在一批工件的加工过程中误差的大小、方向不变。例如原理误差、机床或夹具的制造误差、工艺系统静态变形、机床一次调整情况下的调整误差等都属于常值系统误差。 在一批工件的加工过程中误差的大小、方向按一定规律变化。例如，一般刀具的磨损误差、热平衡之前的热变形误差等都属于变值系统性误差。 又称为偶然性误差。它是指在一批工件的加工过程中，误差的大小、方向不同，且呈现不规则变化。例如，测量误差、工件的定位误差、复映误差、内应力引起的变形等，都属于随机性误差。随机误差虽然是不规则的变化，但是只要统计数量足够多，仍然可以找到一定的统计规律性。二、分析方法常用的统计分析法有分布图分析法和点

22、图分析法。 先收集100件左右工件，找出最大值和最小值； 分组，根据样本总数分成可9组； 计算每组的距离； 计算各组的频率密度； 计算平均值 X 和标准差 S； 绘制直方图； 画出公差带和公差带中心。1、分布图分析法分布图是表明一批工件尺寸分布情况的曲线，也称为分布曲线。它是由直方图转化过来的，直方图的具体作法是： 直方图中的横坐标表示实测尺寸与基本尺寸之差，纵坐标表示频率密度。由直方图的各矩形顶端的中心点连成曲线，就可给出一条中间突起两边逐渐降低的实际分布曲线，由此曲线可知，该批工件的尺寸分散范围大部分居中，偏大、偏小者较少。如果要进一步研究该工件的加工精度问题，必须研究频率密度与加工尺寸之

23、间的联系，而理论分布曲线的应用会使这种分析更方便。 分布曲线的分布状态可有正态分布和非正态分布 通过对分布曲线的分布状态分析可解决下列问题：（1）判别加工误差的性质 （2）确定各种加工方法所能达到的加工精度（3）确定工序能力及其等级 （4）估计不合格率分布图曲线的缺点:（1）由于必须要等一批工件加工完后才能得出分布情况，因此不能在加工过程中及时提供控制误差的资料；（2）不能反映误差的变化规律，当随机误差和变值性系统误差同时存在时，很难将这两种性质的误差区分开来。2、点图分析法 按照加工顺序逐个地测量一批工件的尺寸，以工件序号为横坐标，工件尺寸为纵坐标，所得到的曲线图即为点图，也称作个值点图。

24、将一批工件的尺寸按加工顺序分为组，每组有个工件，表示某一组的平均值，表示该组最大尺寸与最小尺寸之差：以组序号为横坐标，以i与i为纵坐标，就可作出其相应的点图。点图与点图是加工误差分析中常用的两种点图。点出图的具体作法是： 由于在一定程度上代表了瞬时的分散中心，故点图可以反映系统性误差的变化趋势:在一定程度上代表了瞬时尺寸分散范围，点图可反映出随机误差及其变化趋势。 点图法可以明显的表示出系统性误差及随机性误差的大小和变化规律。其次，点图可用来判断工艺过程的稳定性，并在加工过程中提供控制加工精度的资料，如机床调整等。第六节 提高加工精度的工艺措施一、直接减少误差法二、误差补偿法三、误差分组法四、误差转移法 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弱的方法。车削细长轴时由于受到力和热的作用，而使工件产生弯曲变形，若采用“大进给反向切削法”，再辅以弹簧后顶尖，可进一步消除热伸长的危害。 误差补偿法（又称误差抵消法），是人为地造出一种新的原始误差，并使两者大小相等，方向相反，抵消工艺系统固有的原始误差，从而达到减少加工误差的目的。如在精密螺纹加工中，机床传动链误差将直接反映到加工工件螺距上，使精密丝杠的加工