《机械制造工艺与夹具设计》机械加工精度

1、 加工精度的获得方法 4.2 概述4.1 加工过程中其它因素对机械加工精度的影响及其控制 4.4授课学时12第2章 机械加工精度 工艺系统原有误差对机械加工精度的影响及其控制4.3教学重点（1）加工精度与加工误差的关系（2）工艺系统原有误差对机械加工精度的影 响及其控制（3）工艺系统受力变形对加工精度的影响及 其控制教学难点（1）加工误差的性质，（2）加工精度获得的方法 （2）机床几何误差对机械加工精度的影响 第2章 机械加工精度第2章 机械加工精度2-1 概 述 一、加工精度的概念1、概念：是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和 位置）与理想几何参数相符合的程度。 具体内容包括： （1）

2、尺寸精度；（2）几何形状精度；（3）位置精度。 加工误差概念：是指零件加工后的实际几何参数与理想 几何参数的偏离程度。3、原始误差 原始误差：在工艺系统中，造成零件加工误差的因素。 工艺系统：由机床、刀具、夹具、量具和工件组成的加工系统。 原始误差可分为两个方面： （1）工艺系统的原有误差：主要有原理误差、机床误差、夹具误差、 刀具误差、量具误差、装夹误差、测量误差、调整误差等。 （2）加工过程中的其它因素： 主要有工艺系统的受力变形、热变形、 残余应力等。 系统误差：在相同工艺条件下，加工一批零件时所产生误差的 大小和方向不变或按加工顺序作有规律性变化。 前者为常值系统误差，后者为变值系统误

3、差。 随机误差：在相同工艺条件下，加工一批零件时产生的加工误差 大小和方向不同且无变化规律。2、加工误差的性质： （一）尺寸精度的获得方法 4. 自动控制法：在加工过程中，通过自动控制系统，使加工过程中的 尺寸测量、刀具的补偿调整和切削加工等一系列工作 自动完成。 3. 尺寸刀具法：在加工过程中采用具有一定尺寸的刀具。 2. 调整法：是按试切好的工件尺寸调整刀具相对工件定位基准的准确位置。试切法：不断进行 试切 测量 调整 再试切 常用于单件、小批生产或高精度零件的加工； 是成批、大量生产时采用的加工方法。三、加工精度的获得方法如：用钻头钻孔、用方形拉刀拉方孔等。（三）位置精度的获得方法 1.

4、 成型运动法： 即刀具的刀尖相对工件做有规律的成形切削运动，从而使 加工表面获得所要求形状的加工方法。 2. 非成型运动法（检测修整加工）： 是靠在加工过程中对加工表面形状的不断检验和工人对其进行 精细修整加工的方法。 （二）形状精度的获得方法一次装夹法2. 多次装夹法 2.2 工艺系统几何误差对机械加工精度的影响一、加工原理误差 是由于采用了近似的成形运动、近似的传动比或近似的刀刃 轮廓所产生的误差。例如，常用的滚齿加工就是一种近似的加工方法 ； 二、机床的几何误差 （一）主轴的回转运动误差轴向窜动、纯径向跳动和纯角度摆动。1. 主轴回转误差的三种基本形式： 2. 主轴回转误差对加工精度的影

5、响单件小批生产中，用模数铣刀加工齿轮；车削模数蜗杆。着重分析主轴回转误差对加工精度的影响，随加工方法而异（1）纯径向跳动：镗床类（刀具回转型主轴）：镗出的孔成椭圆形车床类（工件回转型主轴）：对工件的圆度影响很小，接近真圆（2）纯轴向窜动对内外圆的加工无影响；但会引起所加工的端面与内外圆不垂直；车螺纹会产生螺距小周期误差。（3）纯角度摆动镗床类：椭圆形 车床类：仍然能得到一个圆的工件，但工件成锥形（二）直线运动误差主要指机床导轨的制造误差 （1）导轨在水平面直线度误差：对外圆磨床，造成工件圆柱度误差（2）导轨在垂直面直线度误差：外圆磨床：对零件形状影响很小 平面磨床、龙门刨床及铣床：造成形状误差

6、（3）两导轨的平行度误差（扭曲）： 引起工件的形状误差 （三）机床的传动链误差：例题 影响各成形运动之间的速度精度， 影响复杂表面（螺旋面或渐开面）的加工精度。三、刀具的制造误差1. 一般刀具：如外圆车刀、镗刀、铣刀的制造误差 对加工精度无直接影响。 2. 定尺寸刀具：如钻头、拉刀、槽铣刀的尺寸误差 直接影响被加工零件的尺寸误差。 3. 成形刀：如成形车刀、齿轮滚刀的误差 主要影响被加工零件的形状精度。四、调整误差（一）小批生产中采用试切法调整 调整误差来源：1. 测量误差 2. 微进给机构灵敏度所引起的误差 3. 最小切削厚度极限的影响（二）大批量生产采用样板、样件、行程挡块及靠模等调整工艺

7、系统。 这些元件的制造误差、刚度、装夹误差、对刀误差，都是 调整误差的主要因素，反映为工件的加工误差。【例2.2】 在车床上加工心轴时，粗精车外圆及台肩面后，经检测发现有圆柱度误差，对有垂直度误差试从机床几何误差的影响，分析产生以上误差的主要原因有哪些？【答案】产生面圆度误差的主要原因： 是车床主轴回转轴线的径向跳动。产生面圆柱度误差的主要原因有： 主轴回转轴线的角度摆动； 床身导轨在水平面内的直线度误差； 床身导轨的扭曲； 床身导轨和主轴回转轴线在水平面内不平行； 产生面对面不垂直的主要原因有： 主轴回转轴线的轴向窜动； 刀架横溜板导轨与主轴回转轴线不垂直。滚齿工作过程简图例如，常用的滚齿加

8、工就是一种近似的加工方法 齿轮滚刀有两种原理误差： 一是近似造形原理误差，即由于制造上的困难，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； 二是由于滚刀刀刃数有限，所切成的齿轮齿形实际上是一根折线，和理论上光滑渐开线有差异，但近似于理论渐开线。 所以滚切齿轮是一种近似的加工方法。（二）各种力对零件加工精度的影响1. 夹紧力的影响2. 切削力的影响3. 重力的影响 （三）控制工艺系统受力变形的主要措施1. 降低切削用量2 . 补偿工艺系统有关部件的受力变形3. 合理安装工件减少夹紧变形4 . 提高工艺系统刚度 特别是提高工艺系统中薄弱环节的刚度2.3 工艺系统受力变形对加工精度的影

9、响及其控制（一）工艺系统刚度1、工艺系统刚度的概念及特点（1）概念：是指整个工艺系统在外力作用下抵抗变形的能力。 工艺系统刚度用下式表示 式中 加工表面所受法向分力； 刀具在此方向上相对于工件的变形量。（2 ）特点工艺系统的刚度是由组成工艺系统的各零部件刚度决定1）工件、刀具的刚度特点：属于简单零件， 其刚度是一个常数， 即外力与变形量之间呈线性关系。材力公式计算 2）接触刚度 连接面存在着接触变形 占很大比例。 零件表面的加工方法是影响接触变形的重要因素， 连接面的几何形状精度越高、表面粗糙度越低，实际接触 面积越大，接触变形越小，接触刚度越高。 接触刚度不是常数，即外力与变形量之间不呈线性

10、关系， 外力越大其接触刚度越大。 3）机床、夹具刚度的特征： 机床变形包括：a 零件本身变形 b 连接面接触变形 占很大比重 外力与变形之间是非线性函数关系， 提高机床（夹具）刚度的主要措施：（1）设计时，应尽量减少其组成零件数，以减少总的接触变形；（2）加工机床的组成零件时 ，应尽量提高有关组成零件连接面 的形状精度，降低其表面粗糙度；（3）装配时，对机床上的固定联接件，采取预紧措施。外力越大其接触刚度越大会增加实际接触面积，并相应提高了它们的接触刚度。2、工艺系统刚度与零件加工精度的关系（1） 由于工艺系统在工件加工各部位的刚度不等产生的加工误差例(a)：在车床前后顶尖之间加工细长轴外圆表

11、面工艺系统的变形主要取决于工件的变形例(b)：在车床上车削加工刚度很高的短粗轴（a）腰鼓形（b）轴腰形（2） 由于切削力变化而产生的加工误差要减少误差复映现象 , 主要措施是提高工艺系统的刚度。 工件加工前的误差 以类似的形状反映到加工后的工件上去，造成加工后的误差 ，这个规律称为误差复映规律。 误差复映的程度通常以误差复映系数 表示：4、提高工艺系统刚度的主要措施1. 提高工件加工时的刚度2. 提高刀具在加工时的刚度3. 提高机床和夹具的刚度（1）设计时，应尽量减少其组成零件数，以减少总的接触变形；（2）加工机床（或夹具）的组成零件时 ，应尽量提高有关组成零件 连接面的形状精度，降低其表面粗

12、糙度；（3）装配时，对机床（夹具）上的固定联接件，采取预紧措施。【例2.5】 在三台车床上各加工一批工件的外圆表面，加工后经度量发现有如图所示的形状误差：（a）锥形；（b）腰鼓形；（c）轴腰形（鞍形）。 试分析产生上述各种形状误差的主要原因。【解】 产生上述各种形状误差的主要原因： (b) 工件刚度差；机床纵导轨直线度误差；误差复映等。(c) 机床床头、尾座刚度较弱；刀具直线运动与工件回转运动轴线不 在同一平面内，即在空间交错平行；误差复映等。 (a) 机床纵溜板运动与主轴轴线不平行；刀具磨损；误差复映等。 1. 夹紧力的影响 例如：在车床上用三爪卡盘装夹加工薄壁套内孔2. 切削力的影响例如：

13、在外圆磨床上用宽砂轮 横向进给磨削工件的轴颈 造成工件的圆柱度误差 由于磨床头架刚度高于 尾架刚度3. 重力的影响3. 重力的影响例如：图（a）：用悬伸式磨头的平面磨床加工平面时，由于磨头部件的 自重变形，而造成加工表面的平面度误差及其对工件底 面的平行度误差。图（b）：在双立柱坐标镗床上加工箱体孔时，造成加工后各孔间的位置误差。图为 工艺系统刚度与加工误差的复映不同镗孔方式2.4 工艺系统热变形对加工精度的影响及其控制（一）工艺系统的热源及热平衡 工艺系统在各种热源的影响下，产生热胀冷缩，破坏了工件与刀具的相对正确位置，从而产生加工误差。工艺系统的热平衡 处于热平衡时：热变形趋于稳定， 此时

14、引起的加工误差是有规律的，易于控制。 预热期：温度随时间而升高，其热变形逐渐增大， 对加工精度的影响比较大。 因此，精密加工应在热平衡之后进行。（二） 工艺系统热变形所引起的加工误差1. 机床热变形所引起的加工误差 对于车、铣、镗床类机床，其主要热源是主轴箱的发热，它将使主轴箱和床身（或立柱）发生变形，从而造成主轴的抬高和倾斜。 磨床的主要热源是磨头轴承和液压系统的发热轴承的发热将使磨头轴线产生热位移和倾斜；液压系统的发热将导致床身的弯曲变形。2. 工件热变形所引起的加工误差工件热变形主要由切削热引起。工件受切削热的影响而产生的热变形主要有两种情况： 一种是均匀受热：如车、磨削轴类零件外圆 温

15、度逐渐升高，其直径逐渐增大，增大的部分将被刀具切去，故当工件冷却后，只有尺寸变化，而几何形状不受影响； 二种是不均匀受热：如：铣、磨、刨平面 工件是一面受热，工件的加工面与底面的温差所引起的热变形也是 很大的，这时，不但加工表面的尺寸有变化，几何形状也有变化。 细长轴在顶尖间车削；精密丝杠磨削。3. 刀具热变形所引起的加工误差 主要由切削热引起调整法： 连续切削时-切削初期，刀热膨胀，工件尺寸缩小；热平衡后影响很小。 间断切削时-刀具的热变形曲线有热胀和冷缩双重特性，变形量很小。试切法： 没什么影响。（三）控制工艺系统热变形的主要措施1. 减少发热和隔热；2. 加强散热能力；3. 控制温度变化

16、，均衡温度场；4. 采取补偿措施；5. 改进机床结构。（1）注意结构的对称性（2）使关键部件的热变形只在无碍于加工精度的方向上产生；（3）从选择材料上加以考虑。（1）注意结构的对称性（2）在结构设计时，使关键部件的热变形只在无碍于加工精度的方向上产生；2.5 工件的残余应力所引起的加工误差（一）残余应力（内应力）的概念及特点概念：零件在没有外力加载的条件下，其内部仍存有的应力。特点：残余应力经过一个时期后，会自行地逐渐减少，直到消失， 同时会引起零件的相应变形，原有的加工精度也会逐渐丧失。（二）残余应力产生的原因及对零件加工精度的影响产生的原因： 是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化所引起

17、。 1. 毛坯制造过程中产生的残余应力 1. 毛坯制造过程中产生的残余应力 2. 切削加工中产生的残余应力：由于力和热的作用 3. 冷校直带来的残余应力 冷校直的原理是使工件产生与原弯曲方向相反的残留变形， 以补偿原有的弯曲误差。冷校直细长轴：可减少弯曲，但工件内会产生残余应力， 这样就不能长期保持已校直的形状精度。（三）减少或消除残余应力的措施1. 合理设计零件结构，减少壁厚差；2. 采取时效处理 自然时效：利用气温的自然变化，经过多次热胀冷缩， 适用于特别精密的大型件。 人工时效：是目前使用最广的一种方法。 适用于中、小型零件。 振动时效：利用共振的原理消除工件中的残余应力。 适用于大型机体类零件。分布曲线同一尺寸间隔内的零件数量与零件总数之比叫做频率。以频率为纵坐标，零件尺寸为横坐标，就可得到一条实验分布曲线。分散范围：一批零件中的最大尺寸和最小尺寸之差。平均尺寸：分散范围中心尺寸。(二)统计分析法 是以现场观察与实际测量所得的数据为基础，应用概率论理论和统计学的原理，以确定在一定加工条件下，一批零件加工总误差的大小及其分布情况。只能用于调整法加工的成批、大量生产之中。（符合正态分布）2.6 加工误差的综