机械加工精度及其控制方案研讨

第三章机械加工精度及其控制

尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量加工质量包含的内容1§3－1

概述

一、机械加工精度：

1、加工精度：

零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。符合程度越高，加工精度越高，实际生产中零件不可能与理想的要求完全符合。

2、加工误差：指加工后的实际几何参数（尺寸，形状和表面间的相互位置）对理想几何参数的偏离程度，从保证产品使用性能分析允许有一定的加工误差。

3、两者关系：两者从不同角度来评定加工零件的几何参数。加工精度的高低是由加工误差的小大来表示的，保证和提高加工精度问题，实际上是限制和降低加工误差问题。2

4、加工精度的合理制定：

一般加工精度越高则加工成本相对越高，生产效率则相对越低，因此设计人员应根据零件的使用要求，合理规定零件的加工精度，并尽量提高生产率和降低成本

5、工艺系统：在机械加工时，机床、刀具，夹具和工件构成一个完整的系统，为工艺系统。

6、原始误差：工艺系统的各种误差叫原始误差。

研究加工精度的目的，就是要弄清各种原始误差的物理，力学本质，以及他们对加工精度影响的规律，掌握控制加工误差的方法，获得预期的加工精度，需要时找出进一步提高加工精度的途径。31、原始误差分类工件相对于刀具静止状态下的误差原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差原始误差构成二、影响机械加工精度的因素

42、误差敏感方向

（4-1）（4-2）显然：工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。

误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。如图所示车刀加工ΔRΔYRＯYR0ya）误差敏感方向RΔR=ΔyＯYR0yb）5三、研究加工精度的方法

运用物理学和力学原理，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、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，当发生质量问题是可以从中判断误差性质，找出误差出现的规律。1、单因素分析法2、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，再适用单因素等分析，试验，以便迅速有效地找出影响加工精度的主要原因。6是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。§3－2

工艺系统的几何精度对加工精度的影响

式中R——球头刀半径；

h——允许的残留高度。

S——行间距例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件SRh空间曲面数控加工一、加工原理误差7例2：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮

采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造型误差。由于滚刀刀齿有限，实际加工出的尺形是一条有微小折线组成的曲线，和理论的光滑渐开线有差异。8二、调整误差

测量误差。机床进给机构的位移误差。定程机构误差。样件或样板误差。测量有限试件造成的误差。a）b）试切法与调整法1、试切法（图a）：

用于单件小批生产2、调整法（图b）：

用于大批大量生产9三、机床误差

（一）机床导轨导向误差

1、导轨导向精度及其对加工精度的影响

导轨导向精度：机床导轨副的运动件实际运动方向和理想运动方向的符合程度。两者之间的偏差值称为导向误差。

导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是运动的基准，它的各项误差直接影响被加工工件的精度。包括：导轨在水平面内的直线度，导轨在垂直面内的直线度，前后导轨平行度（扭曲），导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等。10.111）导轨在水平面内的直线度（弯曲）

对于于车车床床和和外外圆圆磨磨床床由由于于刀刀尖尖相相对对于于工工件件回回转转轴轴线线在在加加工工表表面面径径向向方方向向的的变变化化属属敏敏感感方方向向，，故故其其对对零零件件的的形形状状精精度度影影响响很很大大。。车床床导导轨轨在在水水平平面面内内有有弯弯曲曲后后，，纵纵向向进进给给中中刀刀具具相相对对工工件件轴轴线线不不能能平平行行。。因因而而工工件件表表面面上上形形成成形形状状误误差差。。当导导轨轨向向后后凸凸时时，，工工件件产生生鞍鞍形形误误差差。当导导轨轨向向前前凸凸时时，，工工件件产生生鼓形误误差差。。122）导轨在垂直面内的直线度（弯曲）

垂直直面面内内直直线线度度误误差差对车车床床的的影影响响较较小小，，可可以以忽忽略略不不计计。。但对对于于龙龙门门刨刨床床、、龙龙门门铣铣床床及及导导轨轨磨磨床床来来说说，，导导轨轨在在垂垂直直面面内内的的直直线线度度误误差差将将直直接接反反映映到到工工件件上上。。133）前前后后导导轨轨的的平平行行度度（（扭扭曲曲））δ一般般车车床床：：磨床床：：以车车床床为为例例142、导导轨轨导导向向精精度度的的影影响响因因素素1）导导轨轨的的制制造造误误差差2）导导轨轨的的安安装装误误差差：对对长长度度较较长长的的龙龙门门刨刨床床、、龙龙门门铣铣床床和和导导轨轨磨磨床床。。他他们们的的床床身身导导轨轨为为一一细细长长结结构构、、刚刚性性较较差差，，在在本本身身自自重重作作用用下下就就容容易易变变形形，，若若安安装装不不正正确确或或地地基基不不良良，，都都会会造造成成导导轨轨弯弯曲曲变变形形。。3)导轨轨的的磨磨损损：由由于于使使用用程程度度不不同同及及受受力力不不均均，，机机床床使使用用一一段段时时间间后后，，导导轨轨全全长长上上各各段段的的磨磨损损量量不不等等。。并并且且在在同同一一横横截截面面上上个个导导轨轨面面的的磨磨损损量量也也不不相相等等。。153、提提高高导导轨轨导导向向精精度度的的措措施施制造造误误差差———机床床设计计制制造造时时，应应从从结结构构、、润润滑滑、、防防护护装装置置、、采采取取措措施施提提高高导导向向精精度度。。安装装误误差差———机床床安装装时时，应应校正正好好水平平和和保保证证地地基基质质量量。。磨损损误误差差———使用用时时，，注注意意调整整导轨轨配合合间间隙隙，同同时时保保证证良良好好的的润润滑滑和和维维护护。。16（二二））主主轴轴的的回回转转误误差差1．．回回转转精精度度：：机床床主主轴轴在在回回转转时时实实际际回回转转轴轴线线对对理理想想回回转转轴轴线线的的相相符合合程度度。。回转转误误差差：：机床床主主轴轴在在回回转转时时实实际际回回转转轴轴线线对对理理想想回回转转轴轴线线的的漂移移。机床床主主轴轴是是用用来来装装加加工工件件或或刀刀具具，，并并传传递递主主要要切切削削运运动动的的重重要要零零件件，，其其回回转转精精度度主要要影影响响零件件加加工工表表面面的的几何何形形状状精精度度，，位位置置精精度度和和表表面面粗粗糙糙度度。2．．误误差差产产生生原原因因：：由于于主轴轴部部件件中中轴承承、、轴轴颈颈、、轴轴承承座座孔孔等等的的制造造误误差差和和配配合合质质量量，润润滑滑条条件件，，以以及及回回转转时时的的动动力力因因素素的的影影响响。。瞬瞬时时回回转转轴轴线线的的空空间间位位置置在在周周期期性性变变化化。。3．．理理想想回回转转轴轴线线：：客观观存存在在，，但但无无法法确确定定，，通通常常是是以以平平均均回回转转轴轴线线来来代代替替。。174．分分类类：：b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动主轴回转误差基本形式径向向圆圆跳跳动动端面面圆圆跳跳动动倾角角摆摆动动185.主轴轴回回转转误误差差对对加加工工精精度度的的影影响响★主轴轴径径向向圆圆跳跳动动对加加工工精精度度的的影影响响（镗镗孔孔））考虑虑最最简简单单的的情情况况，，主主轴轴回回转转中中心心在在y方向向上上作作简简谐谐直直线线运运动动，，其其频频率率与与主主轴轴转转速速相相同同，，幅幅值值为为2e。则则刀刀尖尖的的坐坐标标值值为为：：e径向跳动对镗孔精度影响式中中R———刀尖尖回回转转半半径径；；φ———主轴轴转转角角。。显然然，，镗出出的的孔孔为为一一椭椭圆圆。1920径向向跳跳动动对对车车外外圆圆精精度度影影响响12345678仍考考虑虑最最简简单单的的情情况况，，主主轴轴回回转转中中心心在在y方向向上上作作简简谐谐直直线线运运动动，，其其频频率率与与主主轴轴转转速速相相同同，，幅幅值值为为2e。则刀尖运动动轨迹接接近于正正圆。结论：主轴径向跳动动对车外外圆时，，基本不不影响加加工表面面的加工工误差e★主轴径向向圆跳动动对加工精精度的影影响（车外圆圆）2122★主轴端面面圆跳动动对加工工精度的的影响被加工端端面不平平，与圆圆柱面不不垂直；；加工螺纹纹时，产产生螺距距周期性性误差。。23★主轴倾角角摆动对对加工精精度的影影响几何轴线线相对与与平均轴轴线在空间成一定锥锥角的圆锥运动动。若沿与平平均轴线线垂直的的各个截截面来看看，相当当于几何何轴线绕绕平均轴轴心做偏偏心运动动，只是是各截面面的偏心心量不同同。因此此，无论论车削还还是镗削削都能获得一个个正圆柱柱。几何轴线线在某一平平面内作角度摆摆动若频率和和主轴回回转频率率一致，，沿与平平均回转转轴线垂垂直的各各个截面面看，车削表面面是一个个圆，整整体为一一圆柱（相当于于是主轴轴径向跳跳动），镗孔时，在垂直直于主轴轴平均轴轴线的各各个截面面内都形成椭椭圆，整整体加工工出椭圆圆柱。24AB6、影响主轴轴回转精精度的主主要因素素图1轴径不圆引起车床主轴径向跳动★滑动轴承承镗床类机床（图2）——切削力随随主轴回回转而回回转，主主轴径总总是以固固定部位位与轴承承孔内表表面的不不同部位位接触，，因此轴承孔的的圆度对对主轴回回转精度度影响最最大，轴轴颈圆度度影响不不大。图2轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动车床类机床（图图1）——切削力的的方向大大体不变变，主轴轴轴颈以以不同的的部位与与轴承内内孔的某某一固定定部位相相接触。。因此影响主轴轴回转精精度的，，主要是是轴承处处主轴轴轴颈的圆圆度，轴轴承孔的的圆度影影响不大大。1）轴承误误差的影影响253）与轴承承配合的的零件误误差的影影响2）轴承间间隙的影影响轴承间隙隙对回转转精度也也有影响响，如轴轴承间隙隙过大，，会使主主轴工作作时油膜膜厚度增增大．油油膜承载载能力降降低，当当工作条条件(载荷、转转速等)变化时，，油楔厚厚度变化化较大，，主轴轴轴线漂移移量增大大。由于轴承承内、外外圈或轴轴瓦很薄薄，受力力后容易易变形，，因此与与之相配配合的轴轴颈或箱箱体支承承孔的圆圆度误差差，会使使轴承圈圈或轴瓦瓦发生变变形而产产生圆度度误差。。与轴承承圈端面面配合的的零件如如轴肩、、过渡套套、袖承承端盖、、螺母等等的有关关端面，，如果有有平面度度误差或或与主轴轴回转轴轴线不垂垂直，会会使轴承承圈滚道道倾斜，，造成主主轴回转转轴线的的径向、、轴向漂漂移。箱箱体前后后支承孔孔、主轴轴前后支支承轴颈颈的同轴轴度会使使轴承内内外圈滚滚道相对对倾斜，，同样也也会引起起主轴回回转轴线线的漂移移。264）主轴转转速的影影响由于主轴轴部件质质量不平平衡、机机床各种种随机振振动以及及回转轴轴线的不不稳定随随主轴转转速增加加而增加加，使主主轴在某某个转速速范围内内的回转转精度较较高，超超过这个个范围时时，误差差就较大大。5）主轴系系统的径径向不等等刚度和和热变形形主轴系统统的刚度度，在不不同方向向上往往往不等，，当主轴轴上所受受外力方方向随主主轴回转转而变化化时，就就会因变变形不一一致而使使主轴轴轴线漂移移。机床工作作时，主主轴系统统的温度度将升高高，使主主轴轴向向膨胀和和径向位位移。由由于轴承承径向热热变形不不相等，，前后轴轴承的热热变形也也不相同同，在装装卸工件件和进行行测量时时主轴必必须停车车而使温温度发生生变化，，这些都都会引起起主轴回回转轴线线的位置置变化和和漂移而而影响主主轴回转转精度。。277、提高主主轴回转转精度的的措施1）提高主轴轴部件的的制造精精度首先应提提高轴承承的回转转精度．．其次是是提高箱箱体支承承孔、主主轴轴颈颈和与轴轴承相配配合有关关表而的的加工精精度。此此外，还还可在装装配时先先测出滚滚动轴承承及主轴轴锥孔的的径向圆圆跳动，，然后调调节径向向圆跳动动的方位位，使误误差相互互补偿或或抵消，，以减少少轴承误误差对主主轴回转转精度的的影响。。2）对滚动轴承承进行预紧紧，消除间间隙对滚动轴承承适当预紧紧以消除间间隙，甚至至产生微量量过盈．由由于轴承内内外圈和滚滚动体弹性性变形的相相互制约，，既增加了了轴承刚度度，又对轴轴承内外圈圈滚道和滚滚动体的误误差起均化化作用，因因而可提高高主轴的回回转精度。。283）使主轴回转转误差不反反映到工件件上（误差转移）直接保证工件在加工工过程中的的回转精度而而不依赖于于主轴，是保证工件件形状精度度的最简单单而又有效效的方法。。如采用两固定定顶尖支承承磨削外圆柱柱面。在镗床上加加工箱体类类零件孔。。采用前后导导向套的镗模。29（三）机床床传动误差差1．传动链精精度（误差差）：传动链的传传动误差是是指内联系系的传动链链中首末两两端传动元元件之间相相对运动的的误差，它它是螺纹、、齿轮、蜗蜗轮及其它它按展成原原理加工时时，影响加加工精度的的主要因素素。例.用滚齿机加工直齿齿轮时，要要求滚刀和和工件之间间具有严格格的运动关关系。即：：滚刀转一一转，工件件转过一个个齿，这种种运动关系系是由刀具具与工件的的传动链来来保证的。。当传动链中中各传动元元件如齿轮轮、蜗轮、、蜗杆、丝丝杆、螺母母等有制造造误差，装装配误差和和磨损时，，就会破坏坏正确的运运动关系，，是被加工工工件产生生误差。30齿轮机床传动链z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd运动关系其中31缩短传动链长度度提高末端元件的制造精度与与安装精度度传动比小，，尤其是传传动链末端端传动副的的传动比小小，因此采用降速传传动保证传动精精度的重要要原则采用校正装置对传动误差差进行补偿偿末端元件转转角误差2、提高传动精精度措施32四、夹具的的制造误差差和磨损L±0.05φ6F7φ10F7k6φ20H7g6YZ钻孔的夹具误差对加工精度的影响1、夹具误差差对加工位位置精度影影响最大。。2、与夹具有有关的影响响位置误差差因素包括括通常要求定定位误差和和夹具制造造误差不大大于工件相相应公差的的1/3。1）定位误差差；2）刀具导向向（对刀））误差；3）夹紧误差差；4）夹具制造造误差；5）夹具安装装误差；6）夹具的磨磨损……33五、刀具的的制造误差差与磨损1、定尺寸刀刀具（钻头头、铰刀等等）尺寸误误差影响加加工尺寸误误差2、成形刀具具（铣刀、、成形车刀刀等）形状状误差影响响加工形状状误差2、展成刀具具加工时，，刀刃形状状必须满足足加工表面面的共轭曲曲线，刀具具形状误差差影响加工工形状误差差34§3－3工艺系统的的受力变形形对加工精精度的影响响一、基本概概念1．弹性系统统：切削加工时时，由机床床、刀具、、夹具、工工件组成的的工艺系统统是弹性系系统。2．工艺系统统总位移1）弹性变形形：机械加工时时，由于切切削力、夹夹紧力以及及重力、惯惯性力等的的作用，工工艺系统各各部分产生生的相应的的变形。2）系统中各各元件因其其接触处的间隙还会产产生位移、3）工艺系统统总位移弹性变形+位移=总位移4）决定因素素：外力的大小小和弹性系系统抵抗外外力及其变变形的能力力353．刚度：物体抵抗欲欲使其变形形的外力的的能力4．工艺系统刚刚度：指工艺系统统抵抗其变变形的外力力的能力。是指工件件加工表面面在切削力力法向分力力Fy的作用下，，刀具相对对工件在该该方向位移移y的比值。36加工中影响响加工精度度最大的是刀刃在加加工表面法法线方向的的位移。因此计算算时必须考考虑此方向向上的切削削力和位移移。法向位位移y除了Fy分力影响外外，Fy、Fz也对它有影影响。在K一定时，则则Fy越大，则系系统变形量量越大。对对加工精度度影响越大大。若工艺系统统刚度很大大，尽管切切削力等外外力作用，，也能使系系统位移减减少到最低低限度。5．加工误差差：由于切削力等引引起的工艺艺系统产生生的弹性变变形，使刀具和和工件在静静态下调整整好的相互互位置，以以及切削成成形运动所所需要的正确几何关关系发生变变化，从而而造成加工工误差。376、举例件刚性差，，在加工细细长轴时出出现中间粗粗，两头尖尖的情况（（腰鼓形））如图所示示：无进给磨削削38二、工艺系系统刚度的的计算式中y——工艺系统总总变形；yjc——机床的受力力变形；yjj——夹具的受力力变形；yd——刀具的受力力变形；yg——工件的受力力变形。切削加工时时，工艺系系统的有关关部件在各各种外力的的作用下，，会产生不不同程度的的变形，使使刀具和工工件的相对对位置发生生变化，从从而产生相相应的加工工误差。工艺系统在在某处的法法向总变形是各各个组成环环节在同一一处的法向向变形的迭迭加。1、工艺系统统总变形y=yjc+yjj+yd+yg（1）392、工艺系统统刚度计算算代入1式得工艺系统统刚度与工艺系统统各组成部部分刚度之之间的关系系：式中k——工艺系统刚刚度；kjc——机床刚度；；kjj——夹具刚度；；kd——刀具刚度；；kg——工件刚度。。由工艺系统统的刚度定定义可知，，机床刚度度kjc、夹具刚度度kjj、刀具刚度度kd和工件刚度度kg分别为：kjc=Fy/yjc，kjj=Fy/yjj，kd=Fy/yd，kg=Fy/yg401）机床床变变形形引引起起的的加加工工误误差差三、、工工艺艺系系统统刚刚度度对对加加工工精精度度的的影影响响1、切切削削力力作作用用点点位位置置变变化化引引起起工工件件形形状状误误差差ydjytjywz工艺系统变形随受力点变化规律FpAA′BB′CC′xLFAFByxΔx41机床床的的刚刚度度是是由由各各个个部部件件的的刚刚度度决决定定的的，，其其计计算算方方法法为为：：设工工件件短短而而粗粗，，刚刚度度很很大大，，其其变变形形可可以以忽忽略略不不计计，，安安装装在在两两顶顶尖尖之之间间，，在在切切削削力力Fy的作作用用下下，，床头头位置置由由A到A`，尾座座由B到B`，刀架架从C到C`，其其位位移移量量分分别别为为：：ytj，ywz，ydj，中心心线线从从AB移到到A`B`。径向向切切削削力力为为Fy，由由Fy引起起的的头头架架和和尾尾座座处处的的受受力力为为FA和FB，刀刀架架受受力力为为Fy。在距距离离床床头头X处，，工工件件轴轴线线移移动动的的距距离离为为yx。42机床床总总的的变变形形量量：：根据据刚刚度度定定义义，，Ktj，Kwz，Kdj分别别为为头头架架、、尾尾座座和和刀刀架架的的刚刚度度，，则则：：43其中中：：由上上式式看看出出，，随着着切切削削力力作作用用点点的的变变化化，，工工艺艺系系统统的的变变形形是是变变化化的的，，这是是由由于于工工艺艺系系统统的的刚刚度度随随着着切切削削力力作作用用点点变变化化而而变变化化44当x=0时，当x=L时，当x=L/2时，当时，45由上上面面对对机机床床刚刚度度的的分分析析可可知知，，工件件加加工工后后成成鞍鞍形形，如如图图所所示示：：1、机机床床不不变变形形的情情况况2、考考虑虑主主轴轴箱箱、、尾尾座座变变形形情况况3、考考虑虑刀刀架架变变形形在内内机床受力变形引起的加工误差123462）工件件变变形形引引起起的的加加工工误误差差工件件为为悬悬臂臂梁梁时时：加工后工件形状为：47工件件为为简简支支梁梁时时：当x=0或x=L时，，yg=0，变形最小小当x=L/2时，变形最最大，由于工件变变形，使工件加工工后成鼓形形，如图所示示48式中yg——工件变形；；E——工件材料弹弹性模量；；I——工件截面惯惯性矩；Fy——工件受到的的切削力x——受力点到支支承点的距距离L——工件的长度度492、切削力大大小变化引引起的加工工误差误差复映规规律切削加工中中，由于毛毛坯本身的的误差（形形状或位置置）使切削深度不不断变化，，从而引起起切削力的的变化，促使工艺艺系统产生生相应的变变形，因而而工件表面上上保留了与与毛坯表面面类似的形形状和位置置误差，但但加工后残残留的误差差比毛坯误误差从数值值上大大减减少了，这一现象象称为“误差复映””50切削力大小小变化对加加工精度的的影响51讨论：ε=Δ工/Δ毛=C/k系ε总是小于1，有修正正误差的能能力多次进给ε=ε1ε2ε3…2.k系越大，ε就越小，复复映到工件件上的误差差越小3.C减小，ε就越小，应应采取减小小Fy的措施524、增加走走刀次数，，可大大减减小工件的的复映误差差：若近似假设每次走刀后后的误差复复映系数都都相同，则则车外圆时，，工件的圆度度误差与走走刀次数x的关系为为：其中53减少误差复复映的方法法1）增大工工艺系统刚刚度；2）减少进给量f，减小切削削力；3）增加走刀次次数；4）减小毛毛坯误差值值。543、夹紧力、、重力、传传动力和惯惯性力引起起的加工误误差◆夹紧力影响响a）b）薄壁套夹紧变形【例1】薄壁套夹紧紧变形解决：加开口套55【例2】薄壁工件磨磨削薄壁工件磨削解决：加橡橡皮垫56【例】龙门铣横梁梁龙门铣横梁变形龙门铣横梁变形补偿◆重力影响解决：变形形补偿5758四、机床部部件刚度测定静态测定法法：在机床不工工作状态，，模拟车削削时的受力力的受力情情况对机床床施加静载载荷，然后后测出机床床部件在不不同载荷下下的变形，，作出各部部件的刚度度特性曲线线并计算刚刚度。59右图是对一一车床进行行3次加载和卸卸载循环，，绘制了他他的刚度曲曲线。车床刀架变形曲线Δy（μm）10203040500123F（KN）60非线形关系系，不完全全是弹性变变形加载和卸载载曲线不重重合，所围围面积表示示克服摩擦擦和接触塑塑性变形所所作功存在残余变变形，反复复加载卸载载后残余变变形→0机床部件刚刚度比按实实体估算值值小许多，，表明其变变形受多种种因素影响响分析刚度曲曲线的特点点：工作状态测测定法61五、减小受受力变形对对加工精度度影响措施施1）合理的结构构设计：设计工艺装装备时，尽尽量减少连连接面数目目，注意刚刚度的匹配配，防止局局部低刚度度环节出现现，设计基基础件、支支承件时，，合理设计计零部件结结构和截面面形状。2）提高连接表表面接触刚刚度提高机床部部件中零件件接合表面面的接触质质量给机床部件件预加载荷荷提高工件定定位基准的的精度和降降低表面粗粗糙度值。。3）采用辅助支支承（中心架，，跟刀架，，镗杆支承承等）1、提高工艺艺系统刚度度624）采用合理装装夹和加工工方式支座零件不同安装方法2、减小载荷荷及其变化化63六、工件残残余应力引引起的变形形1、内应力定义：外部作用力力去除后工工件内存留留的应力特点：具有内应力力的零件处处于一种不不稳定状态态，它内部部的组织有有强烈的倾倾向要恢复复到一个稳稳定的没有有应力的状状态，即使使在常温下下，零件也也会不断的的缓慢地进进行这种变变化，直到到残余应力力安全松弛弛为主，在在这一过程程中，零件件将会翘曲曲变形，原原有的加工工精度会逐逐渐丧失。。642、毛坯制造造和热处理理产生的残残余应力原因：在铸、锻、、焊、热处处理等加工工过程中，，由于各部部分冷热收收缩不均匀匀，以及金金相组织的的体积变化化，使毛坯坯内部产生生相当大的的残余应力力。例1：下图表示一一个内外壁壁厚相差较较大的铸件件，浇注后后，冷却过过程如下：：壁A、C较薄，散热热容易，冷冷却快。壁壁B冷却慢，当当A、C从塑性状态态冷却到弹弹性状态时时，B还处于塑性性状态，这这时A、C收缩时B不起阻挡变变形的作用用，铸件内内部不会产产生内应力力。65当B冷却到到弹性状态态时，A、、C的温度度已经降低低很多，收收缩速度很很慢，但B收缩快，，所以受到A、C的的阻碍，壁壁B受拉应应力，A、、C受压应应力，以保保持平衡。。在C上开一一小口，C上压应力力消失，在在A、B内内应力作用用力，内应应力重新分分布，达到到平衡，工工件翘曲。。66例2：机床床身铸铸件，为提提高导轨面面的耐磨性性，采用局部激激冷的工艺艺使他冷却更更快一些，，这样可以以获得高的的硬度，但但铸件内应应力更大，，导轨表面面经粗加工刨去一层，，引起内应力力重新分布布，产生弯弯曲变形，，新平衡过程程需较长时时间，导轨轨精加工后后除去大部部分变形，，但内部还还在变化，，合格的导导轨面丧失失原有的精精度。673、切削加工带带来的残余余应力4、减小残余余应力措施施设计合理零零件结构，，提高零件件刚性，使使壁厚均匀匀。合理安排工工艺过程粗粗、精加工工分开时效处理68§3.4工艺系统的的热变形对对加工精度度的影响1、加工中的的热现象：：一上班，空空转机床坐标镗床在在恒温室内内磨床身导轨轨，走两刀刀休息一下下冬天加工时时，尺寸合合格，夏天天就装不进进去。一、概述2、工艺系统统的变形热变形：机械加工过过程中，工工艺系统会会受到各种种热的影响响而产生温温度变形，，称为热变变形。这种种变形将破破坏刀具与与工件的正正确几何关关系和运动动关系，造造成工件的的误差。693、工艺系统统热源切削热：切削时所作作的功几乎乎全部转变变成热，其其热量以传传导的形式式传递，对对刀具和工工件影响较较大。摩擦热：机械零件的的摩擦轴承承、导轨的的摩擦而产产生的热，，液压传功功、电气传传功等，都都是热源，，对机床影影响较大，，以传导形形式传递。。其它热：指工艺系统统外部的，，以对系统统传热为主主的环境温温度和各种种辐射热。。70各种热对加加工精度的的影响切削热热：车削时时，切切屑带带走热热量可可达50%———80%，传给给工件件约30%，传给给刀具具约5%。铣削、、刨削削加工工，传传给工工件30%钻削和和卧镗镗，切切屑留留在孔孔中，，传给给工件件大于于50%磨削时时，切切屑带带走热热量4%，传导导工件件84%，工件件表面面温度度高工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热源辐射热71摩擦热热：使工艺艺系统统局部部发热热，引引起局局部温温升和和变形形，破破坏系系统原原有的的几何何精度度。外部热热源：：大型工工件昼昼夜加加工，，由于于温差差引起起工艺艺系统统的热热变形形不一一样，，照明明光、、散热热器、、日光光等也也会引引起机机床的的局部部温度度和变变形。。72温度场场——工艺系系统各各部分分温度度分布布温度度场与与热平平衡研研究——目前以以实验验研究究为主主热平衡衡——工艺系系统在在各种种热源源作用用下，，温度度逐渐渐升高高，同同时它它们也也通过过各种种传热热方式式向周周围散散热，，当工工件、、刀具具和机机床的的温度度达到到某一一数值值时，，单位位时间间内散散发的的热量量和热热源传传刀的的热量量趋于于相等等，这这时工工艺系系统就就达到到了热热平衡衡状态态。在热平平衡状状态下下，工工艺系系统的的各部部分的的温度度保持持在一一相对对固定定的数数值上上，各各部分分的热热变形形也相相应趋趋于稳稳定4、温度度场与与工艺艺系统统热平平衡73二、工工件热热变形形对加加工精精度的的影响响1、热源源：切削热热2、工件件均匀匀受热热应用条条件：：形状简简单的的轴类类，套套类，，盘类类等零零件的的内外外圆加加工时时，切切削热热较均均匀的的传入入工件件，若若不考考虑温温升后后的散散热，，其温温度给给工件件全长长和圆圆周的的分布布比较较均匀匀，可可近似似看作作均匀匀受热热。热变形形的大大小长度：：直径：：◆圆柱类类工件件热变变形74式中ΔL，ΔD——长度和和直径径热变变形量量；L，D——工件原原有长长度和和直径径；α——工件材材料线线膨胀胀系数数；Δt——温升。。应用车削较长的轴时，会产生圆度误差，加工精度较高的轴类零件时，采用弹性或液压尾顶尖。75例：长400mm丝杠，加工过程温升1℃，热伸长量为：

5级丝杠累积误差全长≤5μm，可见热变形的严重性3、工件件不均均匀受受热应用条条件：：铣、刨刨、磨磨平面面时，，工件件单面面受热热作用用，上上下表表面间间的温温差，，将导导致工工件向向上拱拱起，，加工工时，，中间间凸起起被切切去，，冷却却后工工件下下凹。。热变形形的大大小76式中

ΔX——变形挠度；

L，S——工件原有长度和厚度；

α——工件材料线膨胀系数；

Δt——温升。平面加工热变形Δxφ/4φLS结果：加工时时上表表面升温，，工件向上拱拱起，磨削削时将将中凸凸部分分磨平平，冷却后后工件件下凹凹。77例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3℃，则变形量为：此值已大于精密导轨平直度要求解决措措施切削液液充分分冷却却高速切切削、、使传传入工工件热热量减减少在精加加工前前充分分冷却却刀具不不要过过分磨磨钝在夹紧紧状态态下，，有伸伸缩的的自由由78三、机床床热变变形对对加工工精度度影响响1、热源源：内外热热源有有影响响（其其中摩摩擦热热影响响很大大），，且由由于各各部件件的热热源不不同，，分布布不均均匀，，以及及机床床结构构的复复杂性性，因因此不不仅各各部件件的温温升不不同，，而且且同一一部件件不同同位置置的温温升也也不相相同。。使机机床各各部件件之间间的相相互位位置发发生变变化，，破坏坏了机机床原原有的的几何何精度度而造造成加加工误误差。。2、机床床的热热平衡衡状态态：机床运运转一一段时时间后后，各各部件件传入入的热热量和和散失失的热热量基基本相相等，，即达达到热热平衡衡状态态，变变形趋趋于稳稳定。。在机机床达达到热热平衡衡之前前，机机床几几何精精度变变化不不定，，对加加工精精度的的影响响也变变化不不定。。793、机床床地温温升：：机床各各部件件由于于体积积较大大，热热量大大，因因此其其温升升一般般不大大。车床主主轴箱箱〈60℃磨床〈15—25℃车床床床身与与主轴轴箱结结合处处〈20℃磨床床床身〈10℃其他精精密机机床部部件温温升较较低4、热平平衡时时间车床、、磨床床4—6h中小型型精密密机床床1—2h大型精精密〉12h805、各种种机床床的热热变形形及其其对加加工精精度的的影响响车、铣铣、、钻、、镗类类机床床：主轴箱箱中的的齿轮轮，轴轴承磨磨擦发发热，，润滑滑油发发热是是主要要热源源，使使主轴轴箱及及与之之相连连部分分如床床身或或立柱柱的温温度升升高而而产生生较的的变形形。81车床受受热变变形a）车车床受受热变变形形形态运转时间/h0

1

2

3

450150100200位移/μm20406080温升/℃ΔYΔy前轴承温升b）温升与变形曲线车床主主轴发发热使使主轴轴箱在在垂直直面向向内和和水平平向内内发生生偏移移和倾倾斜。。在垂垂直向向内，，主轴轴箱的的温升升使主主轴升升高，，又因因主轴轴前轴轴承的的发热热量大大于后后轴承承的发发热量量，主主轴前前端比比后端端高，，由于于主轴轴箱热热量传传给床床身，，床身身导轨轨向上上台起起，故故而加加剧了了主轴轴的倾倾斜。。82龙门刨刨床、、导轨轨磨床床等机机床床身热热变形形是影影响加加工精精度的的主要要因素素：因因其床床身较较长、、导轨轨稍有有温差差，就就会产产生较较大的的弯曲曲变形形。床身上上下表表面产产生温温差的的原因因，不不仅是是由于于工作作台运运动时时导轨轨摩擦擦发热热所知知，环环境温温度的的影响响也很很大。。导轨磨床受热变形83双端面面磨床床：切削热热喷向向床身身中部部的顶顶面，，使其其局部部受热热而产产生中中凸变变形。。使两两砂轮轮的端端面产产生倾倾斜。。84立铣床受热变形形态立式平平面磨磨床：：主轴承承和主主电机机的发发热传传到立立柱，，使立立柱内内侧温温度高高于外外侧，，因而而引起起立柱柱的弯弯曲变变形。。85五、减减小小热变变形对对加工工精度度影响响的措措施1、减少少热源源发热热和隔隔离热热源减少切切削热热和磨磨削热热，粗粗、精精加工工分开开。充分冷冷却和和强制制冷却却。分离热热源。。对不能能分离离的摩摩擦热热源，，尽量量采取取措施施，改改善其其摩擦擦特性性，减减少发发热。采用隔隔热材材料将将发热热部件件和机机床大大件隔隔离开开来86例1：磨床油油箱置置于床床身内内，其其发热热使导导轨中中凹解决：导轨下下加回回油槽槽平面磨床补偿油沟2、均衡衡温度度场，，使机床床各部部分温温升差差降低低87例2：立式平平面磨磨床立立柱前前壁温温度高高，产产生后后倾。。解决：采用热热空气气加热热立柱柱后壁壁（图图4-41）。均衡立柱前后壁温度场883、加速速达到到热平平衡高速空空运转转人为加加热4、控制制环境境温度度恒温89§3.5加工误误差的的统计计分析析前面分分析了了影响响加工工精度度的原原始误误差，，从原原始误误差中中找找出影影响加加工误误差的的规律律，实实际上上加工误误差是是一综综合因因素，如：：刀具具磨损损误差差，反反映为为磨损↑—Fy↑↑—y↑——热量↑—热变形形↑。同一加加工误误差产产生的的原因因可以以是多多种多多样的的，实际际上分分析问问题总总是从从加工工误差差着手手，根根据原原始误误差作作用规规律寻寻找原原始误误差，，现在在一般采采用统统计分分析的的方法法分析析加工工误差差，找出出规律律，在在在这这些规规律中中寻找找原始始误差差的影影响，，从而而消除除原始始误差差。901、系统统误差差在顺序序加工工一批批工件件中，，其大大小和和方向向均不不改变变，或或按一一定规规律变变化的的加工工误差差。◆常值系系统误误差——其大小小和方方向均均不改改变。如机机床、、夹具具、刀刀具的的制造误误差，工艺艺系统统在均均匀切切削力力作用用下的的受力力变形形，调调整误误差，，机床床、夹夹具、、量具具的磨磨损等等因素素引起起的加加工误误差。。◆变值系系统误误差——误差大大小和和方向向按一一定规规律变变化。如机机床、、夹具具、刀刀具在在热平平衡前前的热热变形形，刀具磨磨损等因素素引起起的加加工误误差。。一、加加工误误差的的性质质91◆在顺序序加工工一批批工件件中，，其大小小和方方向随随机变变化的加工工误差差。◆随机误误差是是工艺艺系统统中大大量随随机因因素共共同作作用而而引起起的。。◆随机误误差服服从统统计学学规律律。◆如毛坯坯余量量或硬硬度不不均，，引起起切削削力的的随机机变化化而造造成的的加工工误差差；定定位误误差；；夹紧误误差；残余余应力力引起起的变形等。2、随机误差差92二、解决途途径◆常值性误差差：查明大小小和方向，，可通过相相应的调整或检修工艺艺装备或制制造人为误误差来抵消消常值误差差。◆变值性误差差：摸清其变变化规律后后，可以进进行自动连连续补偿和和自动周期补补偿。◆随机误差：无明显规规律，难以以完全消除除，只能查查明根源，，给予尽量减小。93三、加工误误差的分布布图分析法法（统计分分析法）1、生产中的的加工误差差问题◆生产中常以以复杂因素素出现加工工误差问题题，这些误误差不能采用单单因素分析析法来衡量其因因果关系，，更不能从从单个工件件的检查得得出结论。。◆单个工件不不能暴露出出误差的性性质和变化化规律，单个工件不不能代表整整批工件的的误差大小小。◆一批工件加加工中，即即存在变值值性误差，，也存在随随机误差，，这时单个个工件的误误差是不断断变化的，，凭单个工工件推断整整批工件误误差是不可可靠的，所所以采用统计分分析法。942、统计分析析法◆定义：以生生产现场内内对许多工工件进行检检查的数据据为基础，，运用数理统统计的方法法，从中找找出规律性性的东西，，进而获得得解决问题题的途径。◆过程：母体试样数据作图结论措施抽样测定处理分析研究处理953、实验分布布图（直方方图）的绘绘制方法◆基本概念：：样本：用于抽取取测量的一一批工件样本容量n：抽取样本本的件数；；样本容量量通常取n=50～200随机机变变量量x：任任意意抽抽取取的的零零件件的的加加工工尺尺寸寸。。极差差R：抽取取的的样样本本尺尺寸寸的的最最大大值值和和最最小小值值之之差差。。R=Xmax-Xmin组距距d：将将样样本本尺尺寸寸按按大大小小顺顺序序排排列列，，并并分分为为k组，，组组距距为为d96频数数mi：同同一一尺尺寸寸或或同一一误误差差组组的的零零件件数数量量mi称为为频频数数。。频率率fi：频数数与与样样本本容容量量的的比比值值。。平均均值值：表表示示样样本本的的尺尺寸寸分分散散中中心心。。标准准差差S：反映映了了一一批批工工件件的的尺尺寸寸分分散散程程度度97◆绘制制步步骤骤1）采采集集数数据据样本本容容量量通通常常取取n=50～2002）确确定定分分组组数数、、组组距距、、组组界界、、组组中中值值①按教教材材72页表表2-2初选选分分组组数数k′；②确定定组组距距d：取整整，d′→→d③确定定分分组组数数k：④确定定各各组组组组界界、、组组中中值值（（第一一组组以以Xmin为组组中中值值）⑤统计计各各组组频频数数98-14.5-8.55-3.5y

y（频数）（偏差值）（平均偏差）-15-10-5（公差带中心）（公差带下限）（公差带上限）3）计计算算样样本本平平均均值值和和标标准准差差:4）画画直直方方图图：以以工工件件尺尺寸寸（（误误差差））为为横横坐坐标标，，以以频频数数或或频频率率为为纵纵坐坐标标。。99◆举例例磨削削—批抽抽径径的的工工件件，，绘绘制制工工件件加加工工尺尺寸寸的的直直方方图图。。轴径径尺尺寸寸实实测测图图（（单单位位：：um）注：：表表中中数数据据为为实实测测尺尺寸寸和和基基本本尺尺寸寸之之差差1001)收集集数数据据本例例取取n＝l00件，，实实测测数数据据列列于于上上表表中中．．找找出出最最大大值值Xmax=54um，最最小小值值Xmin＝16um。2)确定定分分组组数数k、组组距距d、各各组组组组界界和和组组中中值值组组数数d可查查表表得得，，本本例例取取k＝9。组距距：：取整整d=5um确定定分分组组数数k：各组组组组界界为为：：=101第一一组组下下界界为为：第一一组组上上界界为为：各组组组组中中值值为为：3）记记录录各各组组数数据据，，整整理理成成频频数数分分布布表表4）根根据据频频数数分分布布表表列列直直方方图图5）数数据据分分析析平均均值值：：标准准差差：：102103104从本本实实验验分分布布曲曲线线可以以看看出出：工件件尺尺寸寸的的分散散范范围围是；；有少少量量的的过过小小废废品品；；存在在常常值值系系统统误误差差：：本样样本本零零件件的的尺尺寸寸基基本本符符合合正正态态分分布布规规律律。。105◆正态态分分布布式中中μ和σ分别别为为正正态态分分布布随随机机变变量量总总体体平均均值值和标标准准差差。。平均均值值μ=0，标标准准差差σ=1的正正态态分分布布称称为为标标准准正正态态分分布布，，概率率密密度度函函数数yF（z）正态分布曲线μ(z=0)x(z)0z-σ+σ4、理理论论分分布布曲曲线线106分布布函函数数yF（z）正态分布曲线μ(z=0)x(z)0z-σ+σ其中中x：为为工工件件尺尺寸寸μ：为为工工件件平平均均中中心心σ：均均方方根根偏偏差差；工工件件尺尺寸寸为为x时出出现现的的概概率率n：工工件件总总数数107正态态分分布布曲曲线线的的特特点点μ决定定分分布布曲曲线线的的坐坐标标位位置置，———取决决于于常常值值误误差差，，改改变变常常值值误误差差，，曲曲线线在在横横坐坐标标上上移移动动，，但但曲线线形形状状不不变变。XYμ1μ2μ3μ对正态分布曲线的影响108σ均方方根根偏偏差差，，是是决定定曲曲线线形形状状的唯唯一一参参数数，，是决决定定分分散散范范围围的的唯唯一一参参数数其大大小小决决定定了了随随机机误误差差的的影影响响程程度度。σ=1/2σ=1σ=2

σ对正态分布曲线的影响109正态态分分布布曲曲线线下下包包含含的的面面积积代表表了了全全部部工工件件：：()图中中红色色剖剖面面线线面面积积F表示示工工件件尺尺寸寸在在μ到x间出出现现的的概概率率。。110令：将z代入入上上式式，，有有：：称z为标标准准化化变变量量yF（z）μz(x)0xF（z）为为图图中中剖剖面面部部分分的的面面积积对于于不不同同Z值的的F（z），，可可以以查查表表得得到到（（参见见教教材材P76）。。F(z)的意意义义yF（z）正态分布曲线μ(z=0)x(z)0z-σ+σ111例：：当当F=0.4772F=0.49865F=0.1915F=0.3413112113±3σσ的含含义义:当z＝土土3,即x一μ＝土土3σσ,查表表得得2F(3)＝0.49865××2＝99．73％。。这这说说明明随随机机变变量量落落在在土土3σσ范围围以以内内的的