机械制造技术基础第15讲

第四章机械加工质量及其控制一、加工精度与加工误差二、加工经济精度第一节机械加工精度概述

第二节影响机械加工精度的因素机械加工系统（简称工艺系统）由机床、夹具、刀具和工件组成。通常，将工艺系统的误差称之为原始误差（凡是能直接引起加工误差的因素），因为零件的机械加工是在工艺系统中完成的，工艺系统各组成部分的种种误差，都会不同程度的引起加工误差。影响加工精度的原始误差主要包括以下几方面：1）工艺系统的几何误差。2）工件装夹误差。3）工艺系统受力变形引起的加工误差。4）工艺系统受热变形引起的加工误差。5）工件内应力重新分布引起的变形。6）其它误差。一、工艺系统的几何误差（一）机床的几何误差加工中，刀具相对于工件的表面成形运动，都是通过机床完成的。工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床制造误差中对工件加工精度影响较大的误差有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。同时，机床的磨损将使机床精度下降。1.主轴回转误差机床主轴是用来装夹工件或刀具，并将运动和动力传给工件或刀具的重要部件，主轴回转误差将直接影响被加工工件的形状精度和位置精度。主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对其平均回转轴线（实际回转轴线的对称中心线）的最大变动量。为便于分析，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向圆跳动和角度摆动三种不同形式的误差。图4-2主轴回转误差的三种基本形式径向圆跳动（径向漂移）轴向圆跳动（轴向漂移）角度摆动（角向漂移）（1）径向圆跳动它是主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量。车外圆时它使加工表面产生圆度和圆柱度误差。图4-2主轴回转误差的三种基本形式产生径向圆跳动误差的主要原因有：主轴支承轴颈的圆度误差、滚动轴承工作表面的圆度误差等。图4-3a采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动若机床主轴采用滑动轴承结构，在车床上车外圆时切削力F的方向可认为是基本不变的。在切削力F的作用下，主轴颈以不同的部位与轴承内径的某一固定部位相接触。滑动轴承内表面主轴轴颈外表面图4-3a采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动此时主轴支承轴颈的圆度误差将直接反映为主轴径向圆跳动

d，而轴承内孔的圆度误差则影响不大。

在镗床上镗孔时，由于切削力F的作用方向随主轴的回转而改变，在切削力F的作用下，主轴总是以其支承轴颈某一固定部位与轴承内孔表面的不同部位接触。图4-3b采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动b）滑动轴承内表面主轴轴颈外表面因此，轴承内孔表面的圆度误差将直接反映为主轴径向圆跳动

d，而主轴支承轴颈的圆度误差则影响不大。图4-3b采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动b）同理，若机床主轴采用滚动轴承结构，在车床上车外圆时，滚动轴承内环外滚道的圆度误差对主轴径向圆跳动影响较大；在镗床上镗孔时，轴承外环内滚道的圆度误差对主轴径向圆跳动影响较大。滚动体的尺寸误差将直接影响主轴径向圆跳动误差的大小。（2）轴向圆跳动它是主轴实际回转轴线沿平均回转轴线方向的变动量。车端面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差。图4-2主轴回转误差的三种基本形式产生轴向圆跳动的原因是主轴轴肩端面和推力轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。（3）角度摆动主轴实际回转轴线相对平均回转轴线产生倾斜引起的主轴回转误差。车削时它使加工表面产生圆柱度误差和端面的形状误差。图4-2主轴回转误差的三种基本形式产生主轴角度摆动的原因有：箱体上主轴各轴承孔及主轴各段支承轴颈间的同轴度误差，轴承间隙过大等。必须指出，实际上主轴工作时其实际回转轴线的运动总是上述三种形式误差运动的合成，它既影响所加工工件圆柱面的形状精度，又影响端面的形状精度。提高主轴及箱体轴承孔的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。2．导轨误差导轨是确定机床上各主要部件相对位置关系的基准，也是机床运动的基准。（1）卧式车床导轨在水平面内的直线度误差⊿y

图4-5导轨水平面内的直线度误差对加工精度的影响由于⊿y致使在导轨全长上刀具相对于工件的正确位置将产生⊿y的偏移量，导致工件半径产生⊿R=⊿y的误差。导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加工工件表面的法线方向（误差敏感方向）上，对加工精度的影响最大。图4-5导轨水平面内的直线度误差对加工精度的影响（2）卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差⊿z

图4-6导轨垂直面内的直线度误差对加工精度的影响RΔR(R+ΔR)2

=R2+Δz2ΔR≈Δz2/(2R)Δz因⊿z↓，故(⊿z)2↓↓，⊿R↓。设⊿z=0.1mm，R=20mm，则工件半径产生的误差为⊿R≈(⊿z)2/(2R)=0.12/40=0.00025mm因此，导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度影响很小，一般可忽略不计。在分析上述问题时要注意⊿是否出现在加工表面的法线方向（误差的敏感方向）上。图4-6导轨垂直面内的直线度误差对加工精度的影响（3）卧式车床导轨间的平行度误差当前后导轨在垂直平面内有平行度误差（扭曲误差）时，刀架将产生摆动，刀架沿床身导轨作纵向进给运动时，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生圆柱度误差。图4-7导轨间的平行度误差对加工精度的影响图4-7导轨间的平行度误差对加工精度的影响当误差为⊿l3时，将使工件半径产生的误差：⊿R=⊿y≈(H/B)×⊿l3，对加工精度影响较大。除了导轨本身的制造误差之外，导轨磨损也是造成机床精度下降的主要原因。3.传动误差传动误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。一般用传动链末端件的转角误差来衡量。当有些加工方法要求刀具与工件之间必须具有严格的传动比关系时，机床传动误差是影响这类表面加工精度的主要原因之一。图4-8所示为滚齿机传动系统图。图4-8滚齿机传动系统图由于各传动件在传动链中所处的位置不同，它们对工件加工精度的影响程度亦不相同。设滚刀主轴均匀旋转，若齿轮Z1有转角误差,而其它各传动件假设无误差，则由

产生的工件转角误差为

差动机构传动比误差传递系数误差传递系数K1反映了齿轮Z1的转角误差对终端工作台传动精度的影响程度，同理，若第j个传动元件有转角误差，则该转角误差通过相应的传动链传递到被切齿轮而产生的转角误差为式中：Kj——第j个传动件的误差传递系数。因此，被切齿轮转角误差的总和为（4–1）

提高传动元件的制造精度和装配精度

末端传动副尽量用大降速比提高传动链传动精度可采取的措施

尤其是传动链中末端传动元件与升速传动元件缩短传动链长度减少传动件数采用降速传动（二）刀具的几何误差刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。定尺寸刀具的尺寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度；成形刀具的形状误差和磨损将直接影响工件的形状精度；而一般刀具（除定尺寸刀具和成形刀具外），其制造误差对工件的加工精度无直接影响。刀具的尺寸磨损量NB是在被加工表面的法线方向上测量的，它与切削路程的关系如图4–9所示。选用新型耐磨刀具材料，合理选用刀具几何参数和切削用量，正确刃磨刀具，合理使用冷却润滑液等，均可减少刀具的尺寸磨损。图4-9刀具的尺寸磨损与切削路程的关系（三）夹具的几何误差夹具的作用是使工件相对于刀具和机床占有正确的位置，夹具的几何误差对工件的加工精度（特别是位置精度）有很大影响。图4-10工件在夹具中装夹示意图钻套夹具体底平面支承板工作台在设计夹具时，对夹具上直接影响工件加工精度的有关尺寸的制造公差一般取为工件上相应尺寸公差的1/2～1/5。夹具元件磨损将使夹具的误差增大。为保证工件加工精度，夹具中的定位元件、导向元件、对刀元件等关键易损元件均需选用高性能耐磨材料制造。二、装夹误差装夹误差包括定位误差和夹紧误差两个部分。（一）定位误差1.定位误差的概念定位误差是指一批工件采用调整法加工时，因定位不准确而引起的误差。图4-11a是在套筒工件上铣平面工序的工序简图。已知工件内孔直径为，外圆直径为，工件以内孔在水平放置的心轴上定位。图4-11a）定位误差计算示例由工序简图可知，本工序的工序基准与定位基准不重合。图4-11定位误差计算示例定位基准工序尺寸工序基准定位基面由于工件的工序基准与定位基准不重合，致使工序基准在工序尺寸方向上产生位置变化，其最大位移量为：该项误差称为基准不重合误差，用Δjb表示。Δjb主要取决于工件外圆直径尺寸的变动量Td。图4-11b）定位误差计算示例φd-TdφdΔjw如图4-11c所示工况，由于定位副制造不准确以及定位副间的最小配合间隙，引起定位基准在工序尺寸方向上产生位置变化，其最大位移量为：（当时）图4-11b）定位误差计算示例当定位副间的最小配合间隙不为零时，定位基准在工序尺寸方向上产生的最大位移量为：图4-11b）定位误差计算示例式中⊿S——定位孔和定位心轴间的最小配合间隙。Δjw该项误差称为定位基准位移误差，用Δjw表示。Δjw主要取决于定位副有关尺寸的变动量。由此可知，定位误差Δdw由基准不重合误差Δjb和定位基准位移误差Δjw两部分组成。基准不重合误差是指由于工序基准与定位基准不重合引起的加工误差。其值等于在工序尺寸方向上工序基准至定位基准间的尺寸公差值。定位基准位移误差是指由于定位