机械制造技术基础第18讲(2015)

1、第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制例题例题 按下图定位方式在直径为按下图定位方式在直径为 mm的工件的工件上铣平面，保证工序尺寸上铣平面，保证工序尺寸 mm，已知工件左，已知工件左0Td-d 0TA-A 侧平面尺寸为侧平面尺寸为 mm，定位斜面角，定位斜面角度度 。 试分析计算此定试分析计算此定位方案的定位误位方案的定位误差。差。0TB-B090 第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制 第二节第二节 影响机械加工精度的因素影响机械加工精度的因素一、工艺系统的几何误差一、工艺系统的几何误差二、装夹误差二、装夹误差（一）定位误差（一）定位误差1. 定位误差的概念

2、定位误差的概念2. 定位误差的分析计算定位误差的分析计算第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（二）夹紧误差（二）夹紧误差工件或夹具刚度过低或夹紧力作用方向、作用点工件或夹具刚度过低或夹紧力作用方向、作用点选择不当，都会使工件或夹具产生变形，造成加选择不当，都会使工件或夹具产生变形，造成加工误差。工误差。图图4-11 夹紧误差示例夹紧误差示例开口薄壁过渡环开口薄壁过渡环第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制三、工艺系统受力变形引起的误差三、工艺系统受力变形引起的误差（一）（一） 工艺系统刚度工艺系统刚度1. 工艺系统刚度工艺系统刚度 机械加工中，工艺系统在切削力

3、、夹紧力、传动机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、惯性力和重力等的作用下，将产生相应的弹力、惯性力和重力等的作用下，将产生相应的弹性变形，使工件产生加工误差。工艺系统在外力性变形，使工件产生加工误差。工艺系统在外力作用下产生弹性变形的大小，不仅取决于作用力作用下产生弹性变形的大小，不仅取决于作用力的大小，还取决于工艺系统的刚度。的大小，还取决于工艺系统的刚度。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制平行于基面并与机床主轴中心线相垂直的径向切平行于基面并与机床主轴中心线相垂直的径向切削分力削分力Fy与工艺系统在该方向上的变形与工艺系统在该方向上的变形 y 的比值，的比值，

4、称为工艺系统刚度称为工艺系统刚度 k系系 （N/mm），即），即 ( 4 9 )式中式中 ，其中，其中 、 、 为在为在Fy、Fc、Fx各切削分力的分别作用下工艺系各切削分力的分别作用下工艺系统在统在 y 方向产生的变形量。方向产生的变形量。 xcyFFFy+y+y=yyFycFyxFyyFky系系第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制 与与 有可能和有可能和 同向，也有可能和同向，也有可能和 反反向，所以就有可能出现向，所以就有可能出现 y 0、y = 0和和 y 0三种三种情况。从物理概念分析，工艺系统刚度不可能出情况。从物理概念分析，工艺系统刚度不可能出现负数或趋于无穷大

5、的情况。现负数或趋于无穷大的情况。由于单独测量由于单独测量 、 、 非常困难，而测量总非常困难，而测量总变形变形 却比较容易。却比较容易。 yFycFyxFyyFyyFycFyxFyy第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制图图4 21为一个按工艺系统刚度定义计算可能会出为一个按工艺系统刚度定义计算可能会出现负刚度情况的实例。现负刚度情况的实例。图图4-21 负刚度现象负刚度现象在该例中，如果在该例中，如果 ，就将出现，就将出现y0的负的负刚度情况，此时车刀刀尖将扎入工件。刚度情况，此时车刀刀尖将扎入工件。yFcFyy负刚度现象对加工精度不利，应尽量避免。负刚度现象对加工精度不利

6、，应尽量避免。 第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量应为工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量应为工艺系统各组成环节在此位置受该力作用产生的工艺系统各组成环节在此位置受该力作用产生的变形量的代数和，即变形量的代数和，即 （4-10）工工件件夹夹具具刀刀具具机机床床系系yyyyy+ + + += =根据刚度定义知根据刚度定义知 y机床机床 =Fy /k机床机床， y刀具刀具 =Fy /k刀具刀具， y夹具夹具 =Fy /k夹具夹具， y工件工件 =Fy /k工件工件 。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制 （4-10）工工

7、件件夹夹具具刀刀具具机机床床系系yyyyy+ + + += =根据刚度定义知根据刚度定义知 y机床机床 =Fy /k机床机床， y刀具刀具 =Fy /k刀具刀具， y夹具夹具 =Fy /k夹具夹具， y工件工件 =Fy /k工件工件 。将它们代入式（将它们代入式（4 10）得）得 （411）工工件件夹夹具具刀刀具具机机床床系系kkkkk11111+=第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制 （411）由式（由式（4 11）知，工艺系统刚度的倒数等于系统）知，工艺系统刚度的倒数等于系统各组成环节刚度的倒数之和。各组成环节刚度的倒数之和。若已知各组成环节的刚度，即可由式（若已知各组成

8、环节的刚度，即可由式（4 11）求）求得工艺系统刚度。得工艺系统刚度。工艺系统刚度主要取决于薄弱环节的刚度。工艺系统刚度主要取决于薄弱环节的刚度。 工工件件夹夹具具刀刀具具机机床床系系kkkkk11111+=第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制2. 机床刚度机床刚度机床结构较为复杂，它由许机床结构较为复杂，它由许多零、部件组成，其刚度值多零、部件组成，其刚度值迄今尚无合适的简易计算方迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法，目前主要还是用实验方法进行测定。法进行测定。图图 4 22 为采用静测定法测为采用静测定法测定机床刚度的示意图。定机床刚度的示意图。图图4-22

9、 车床部件静刚度的测定车床部件静刚度的测定刚性心轴刚性心轴螺旋加力器螺旋加力器方刀架方刀架测力环测力环第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制由此可求得主轴箱、尾座和刀架部件的刚度分别由此可求得主轴箱、尾座和刀架部件的刚度分别为：为： 刀架刀架刀架刀架尾座尾座尾座尾座yFkyFkyFkyyy ;2;2主轴主轴主轴测定机床部件刚度测定机床部件刚度k主轴主轴、k尾座尾座、k刀架刀架之后，就可之后，就可以通过计算求得机床刚度。以通过计算求得机床刚度。 第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制当刀架处于图当刀架处于图422所示位置所示位置时，工艺系统的变形量为时，工艺系统的

10、变形量为)(21尾尾座座主主轴轴刀刀架架系系yyyy+= 尾座尾座主轴主轴刀架刀架系系kFkFkFkFyyyy2221由刚度定义，上式可写为由刚度定义，上式可写为 图图4-22 车床部件静刚度的测定车床部件静刚度的测定第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制在机床刚度测量装置中，在机床刚度测量装置中，k夹具夹具、k工件工件、k刀具刀具相对相对较大，由式（较大，由式（411）知，）知， ，代入下式，代入下式机床机床系系kk尾座主轴刀架机床kkkk41+41+11 尾座尾座主轴主轴刀架刀架系系kFkFkFkFyyyy2221即可求得刀架处于图即可求得刀架处于图4-22所示中间位置时机

11、床刚所示中间位置时机床刚度与各组成部件的刚度的关系式为度与各组成部件的刚度的关系式为第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制由上述公式可知，机床刚度取决于其组成部件的由上述公式可知，机床刚度取决于其组成部件的刚度，并主要取决于薄弱部件的刚度，所以，若刚度，并主要取决于薄弱部件的刚度，所以，若要提高机床刚度则应首先提高弱小刚度部件的刚要提高机床刚度则应首先提高弱小刚度部件的刚度。度。3. 机床部件刚度机床部件刚度图图423是一台车床刀架部件的实测刚度曲线图，是一台车床刀架部件的实测刚度曲线图，曲线列出了三次加载、卸载过程中的变形情况。曲线列出了三次加载、卸载过程中的变形情况。第第四

12、四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制图图4-23 车床刀架部件的刚度曲线车床刀架部件的刚度曲线第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制1）变形与载荷不成线性关系，说明机床部件的）变形与载荷不成线性关系，说明机床部件的变形不纯粹是弹性变形。变形不纯粹是弹性变形。分析上图所示分析上图所示刀架刚度试验刀架刚度试验曲线可知，机曲线可知，机床部件刚度具床部件刚度具有以下特点：有以下特点：第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制2）卸载曲线不重合且滞后于加载曲线，说明在）卸载曲线不重合且滞后于加载曲线，说明在加载和卸载循环过程中有能量消耗。加载和卸载循环过程中有能量

13、消耗。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制3）多次加载、卸载后，加载曲线起点才与卸载）多次加载、卸载后，加载曲线起点才与卸载曲线终点重合，说明有残余变形存在，且残余曲线终点重合，说明有残余变形存在，且残余变形随着加、卸载次数的增加而减小。变形随着加、卸载次数的增加而减小。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制4）部件实测刚度远比按实体结构估算值小。）部件实测刚度远比按实体结构估算值小。 相当于一个截面积为相当于一个截面积为30mm30mm、悬伸长、悬伸长度为度为 200mm的铸铁悬臂的铸铁悬臂梁的刚度梁的刚度第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控

14、制 4. 影响机床部件刚度的主要因素影响机床部件刚度的主要因素（1）连接表面间的接触变形）连接表面间的接触变形 由于零件表面存在宏观几何形状误差和微观几何由于零件表面存在宏观几何形状误差和微观几何形状误差，结合面的实际接触面积只是名义接触形状误差，结合面的实际接触面积只是名义接触面积的一小部分。面积的一小部分。在外力的作用下，接触面上承受的应力很大，产在外力的作用下，接触面上承受的应力很大，产生接触变形。生接触变形。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制 （2）摩擦力的影响）摩擦力的影响机床部件在经过多次加载和卸载之后，卸载曲线机床部件在经过多次加载和卸载之后，卸载曲线才回到加

15、载曲线的起点，残留变形不再产生，但才回到加载曲线的起点，残留变形不再产生，但此时加载曲线与卸载曲线仍不重合。此时加载曲线与卸载曲线仍不重合。其原因是机床部件受力变形过程中有摩擦力的作其原因是机床部件受力变形过程中有摩擦力的作用，加载时摩擦力阻止变形的增加，而卸载时摩用，加载时摩擦力阻止变形的增加，而卸载时摩擦力则阻止变形的恢复。擦力则阻止变形的恢复。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（3）薄弱零件本身的变形）薄弱零件本身的变形机床部件中，个别薄弱零件会使机床部件产生较机床部件中，个别薄弱零件会使机床部件产生较大的变形。大的变形。图图4-25 机床部件刚度的薄弱环节机床部件刚

16、度的薄弱环节第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（4）间隙的影响）间隙的影响图图4-26 间隙对机床部件刚度的影响间隙对机床部件刚度的影响如果在正反两个如果在正反两个方向对刚装配好方向对刚装配好的一台机床部件的一台机床部件加载，即可得到加载，即可得到如图如图4-26 所示的所示的曲线。曲线。正向加载的残留变形正向加载的残留变形原始间隙原始间隙机床部件的间隙机床部件的间隙反向加载的残留变形反向加载的残留变形第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制（二）工艺系统刚度对加工精度的影响（二）工艺系统刚度对加工精度的影响1. 加工过程中由于工艺系统刚度发生变化引起的加工过

17、程中由于工艺系统刚度发生变化引起的误差误差 以在车床前后顶尖上车削光轴工件为例说明。假以在车床前后顶尖上车削光轴工件为例说明。假设工件和刀具的刚度相对较大，其变形可忽略不设工件和刀具的刚度相对较大，其变形可忽略不计，工艺系统的变形主要取决于机床的变形。计，工艺系统的变形主要取决于机床的变形。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制 lxyy+yyyyyx主轴尾座主轴- -刀架刀架刀架刀架系系图图4-27 车削外圆时工艺系统受力变形车削外圆时工艺系统受力变形yF主轴主轴F尾座尾座第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制设作用在主轴箱和尾座上的径向力分别为设作用在主轴箱

18、和尾座上的径向力分别为F主轴主轴、F尾架尾架，不难求得：，不难求得：则有则有lxlFFy主轴lxFFy尾座 2尾座2主轴刀架刀架系111lxklxlkkFyyyyx(412)F主轴F尾架y第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制分析上式可知，即使切削力分析上式可知，即使切削力Fy保持恒定不变，在保持恒定不变，在车削过程中工艺系统的变形车削过程中工艺系统的变形y系系也随刀架（车刀）也随刀架（车刀）位置位置 x 变化而改变，其结果将使工件产生加工误变化而改变，其结果将使工件产生加工误差。差。 22111lxklxlkkFyy尾座主轴刀架系(412)第第四四章章 机械加工质量及其控制机

19、械加工质量及其控制由式（由式（4-12）可求得工艺系统最小变形和最大变）可求得工艺系统最小变形和最大变形分别为：形分别为：尾座主轴刀架kkFkFyyy min系系（4-13）在图在图427所示车削条件下，由于工艺系统刚度随所示车削条件下，由于工艺系统刚度随刀架位置变化产生的加工误差为刀架位置变化产生的加工误差为尾座尾座主轴主轴尾座尾座系系系系kkFkFyyyyy minmax 尾座刀架系kFkFyyy max第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制yyyy第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制y第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制注意：上述公式是

20、在假设工件、刀具和夹具的刚注意：上述公式是在假设工件、刀具和夹具的刚度都很大的情况下得到的。如果工件的刚度较小度都很大的情况下得到的。如果工件的刚度较小时，工件本身的变形在工艺系统的总变形中就不时，工件本身的变形在工艺系统的总变形中就不能忽略不计，此时能忽略不计，此时 EIlxxllxklxlkkyFky311112222 尾尾座座主主轴轴刀刀架架系系系系（415） 第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制2. 由于切削力变动引起的加工误差由于切削力变动引起的加工误差 加工过程中，由于毛坯加工余量发生变化或工件加工过程中，由于毛坯加工余量发生变化或工件材质不均等因素引起切削力的变

21、化，会使工艺系材质不均等因素引起切削力的变化，会使工艺系统的变形发生变化，统的变形发生变化，图图4-28 毛坯形状误差的复映毛坯形状误差的复映 从而产生加工误差。从而产生加工误差。图图428所示为车削一所示为车削一具有椭圆形状误差的具有椭圆形状误差的毛坯。毛坯。第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制待加工表面上有什么样的误差，已加工表面上必待加工表面上有什么样的误差，已加工表面上必然也有同样性质的误差，这就是切削加工中的误然也有同样性质的误差，这就是切削加工中的误差复映现象。差复映现象。待加工表面待加工表面理想的已理想的已加工表面加工表面实际的已实际的已加工表面加工表面第第四四

22、章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制加工后与加工前的误差之比值加工后与加工前的误差之比值 ，称为误差复映，称为误差复映系数，它代表误差复映的程度。即系数，它代表误差复映的程度。即)(p21p21p2p121aakFFaayyyy 系系待加工面待加工面已加工面已加工面 （416） 如进给运动方向与机床主轴平行，则如进给运动方向与机床主轴平行，则 PPcPPFnyxFyKfaCFFPFPFPF 第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制在一次走刀中，工件材料的力学特性、进给量及在一次走刀中，工件材料的力学特性、进给量及其它切削条件基本不变，令其它切削条件基本不变，令 ，在车削

23、加工中，在车削加工中，xFp1，故故CKfCFncyFPFPF PP 系系系系kCaakaaC )()(p2p1p2p1 （417） PcPPPPCaKfaCFFFnyxFyPFPFPF 经整理经整理第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制分析式分析式 可知，可知， 与与k系系成反比。这表明工成反比。这表明工艺系统刚度愈大，误差复映系数愈小，加工后复艺系统刚度愈大，误差复映系数愈小，加工后复映到工件上的误差值就愈小。映到工件上的误差值就愈小。尺寸误差和形位误差都存在复映现象。如果我们尺寸误差和形位误差都存在复映现象。如果我们知道某加工工序的复映系数，就可以通过测量待知道某加工工序

24、的复映系数，就可以通过测量待加工表面的误差统计值来估算加工后工件的误差加工表面的误差统计值来估算加工后工件的误差统计值。统计值。系系kC 第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制当工件表面加工精度要求高时，须经多次切削才当工件表面加工精度要求高时，须经多次切削才能达到加工要求。能达到加工要求。第一次切削的复映系数为第一次切削的复映系数为第二次切削的复映系数为第二次切削的复映系数为第三次切削的复映系数为第三次切削的复映系数为待待加加工工表表面面加加工工表表面面 11 122加加工工表表面面加加工工表表面面 233加加工工表表面面加加工工表表面面 第第四四章章 机械加工质量及其控制机

25、械加工质量及其控制则该加工表面总的复映系数则该加工表面总的复映系数n321总总因每个复映系数均小于因每个复映系数均小于1，故总的误差复映系数，故总的误差复映系数将是一个很小的数值。将是一个很小的数值。综上所述可知：走刀次数（或工序数）愈多，总综上所述可知：走刀次数（或工序数）愈多，总误差复映系数误差复映系数愈小，零件的形状精度愈高。愈小，零件的形状精度愈高。（4-18）第第四四章章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制但走刀次数的增多会使切削时间增加，导致生产但走刀次数的增多会使切削时间增加，导致生产效率降低和加工成本上升。效率降低和加工成本上升。可根据零件所要求的形状精度和毛坯的实际情况可根据零件所要求的形状精度和毛坯的实际情况来选择工艺系统刚度及走刀次数，也可以根据现来选择工艺系统刚度及走