《机械制造工程学》课件-第3章机械加工精度

MechanicalManufacturingEngineering机械制造工程学2025年7月27日第一节概述第二节工艺系统几何误差对加工精度的影响第三节工艺系统受力变形对加工精度的影响第四节工艺系统受热变形对加工精度的影响第五节内应力对加工精度的影响第六节加工误差的统计分析法第七节提高加工精度的途径第3章机械加工精度第一节概述一、加工精度与加工误差的概念1、加工精度第一节概述2、加工误差加工误差是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离量。实际生产中不可能把零件做得与理想零件完全一致，总会产生大小不同的偏差。零件在某一规定的范围内变动，这个允许变动的范围，就是公差。3、误差敏感方向对加工精度影响最大的方向，称为误差的敏感方向。一般为已加工表面过切削点的法线方向。例如：车削外圆柱面时，加工误差敏感方向为过刀尖的外圆的直径方向第一节概述4、经济加工精度某种加工方法经济加工精度是指在正常生产条件下，即采用符合质量标准的设备，工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间等，所能保证的加工精度。由实验曲线可知，加工误差δ与加工成本S成反比关系。某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个确定值，而应理解为一个范围，如图3-1中的AB，在这个范围内都可以说是经济的。经济加工精度第一节概述二、获得加工精度的方法1、获得尺寸精度的方法试切法调整法定尺寸刀具法自动控制法试切法车外圆调整法铣平面第一节概述二、获得加工精度的方法2、获得形状精度的方法运动轨迹法成型法仿形法展成法靠模车削3、获得位置精度的方法一次安装获得法多次安装获得法第一节概述三、原始误差的概念及种类能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统（简称工艺系统）中完成的。引起工艺系统各组成部分之间的正确几何关系发生改变的各种因素称为工艺系统误差。通常将工艺系统误差称为原始误差。第一节概述根据原始误差性质、状态的不同，可以将其分为：与工艺系统初始状态有关的原始误差（几何误差），包括：加工原理误差、工件的装夹误差、调整误差、刀具误差以及机床主轴回转误差、机床导轨导向误差、机床传动误差等。与加工过程有关的原始误差，包括：测量误差、刀具磨损、工艺系统受力变形、工艺系统受热变形以及工件残余应力引起的变形等。第一节概述四、研究机械加工精度的方法因素分析法统计分析法第二节工艺系统几何误差一、加工原理误差加工原理误差(也称理论误差)：在加工中采用了近似的加工运动、近似的刀具轮廓和近似的加工方法而产生的原始误差。近似刀具加工所造成的误差，如：使用阿基米德齿轮滚刀代替渐开线齿轮滚刀加工齿轮，存在齿形误差；成形铣刀加工齿轮，齿形形状也是近似的。第二节工艺系统几何误差一、加工原理误差由于采用近似的加工运动方法所造成的误差

1）展成法切削齿轮：第二节工艺系统几何误差一、加工原理误差由于采用近似的加工运动方法所造成的误差

2）车削模数(m=2)螺纹：第二节工艺系统几何误差一、加工原理误差由于采用近似的加工运动方法所造成的误差

2）车削模数(m=2)螺纹：模数螺纹：P=mπ=2×3.1415927=6.2831854挂轮齿数：Z1=26、Z2=24、Z3=29、Z4=30若蜗杆长度为100mm，则导程的累积误差为：第二节工艺系统几何误差二、机床的误差1.主轴回转误差第二节工艺系统几何误差回转精度的表现形式

a）轴向窜动：指回转轴线在轴向的位置变化。

1.主轴回转误差主轴的轴向窜动对内、外圆加工没有影响，但所加工的端面却与内外圆不垂直。当加工螺纹时，会产生单个螺距内的周期误差。第二节工艺系统几何误差回转精度的表现形式b）径向跳动：指回转轴线绕平均轴线作平行的公转运动。1.主轴回转误差车削时，主轴的纯径向跳动对工件的圆度影响很小。

第二节工艺系统几何误差回转精度的表现形式

c）角度摆动：指回转轴线绕平均轴线作不平行的公转运动。1.主轴回转误差车削时仍然能够得到一个圆的工件，但工件成锥形。镗孔时，镗出的孔将成椭圆形。第二节工艺系统几何误差影响主轴回转精度的因素

a）前后支承轴承的影响;

b）前后支承轴颈的圆度误差的影响。1.主轴回转误差第二节工艺系统几何误差主轴的回转精度对加工的影响1.主轴回转误差【例】镗孔时镗杆回转，镗杆中心作某一方向的简谐振动。h=A*COSΦ第二节工艺系统几何误差主轴的回转精度对加工的影响1.主轴回转误差【例】镗孔时镗杆回转，镗杆中心作某一方向的简谐振动。h=A*COSΦ第二节工艺系统几何误差提高主轴的回转精度的措施a）提高主轴箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合的零件有关表面的加工精度;b）提高主轴的轴承精度；

c）对滚动轴承进行预紧，以消除间隙

d）减少机床主轴回转误差对加工精度的影响1.主轴回转误差第二节工艺系统几何误差对机床导轨的精度要求a）导轨在水平面内的直线度;b）导轨在垂直面内的直线度；

c）前后导轨的平行度2.导轨误差第二节工艺系统几何误差机床导轨误差对工件精度的影响a）水平面内直线度误差的影响由于刀尖相对于工件回转轴线在加工表面径向方向的变化属敏感方向，故其对零件的形状精度影响很大。2.导轨误差第二节工艺系统几何误差机床导轨误差对工件精度的影响

b）垂直面内直线度误差的影响垂直面内直线度误差对车床的影响较小，可以忽略不计。但对于龙门刨床、龙门铣床及导轨磨床来说，导轨在垂直面内的直线度误差将直接反映到工件上。第二节工艺系统几何误差机床导轨误差对工件精度的影响

c）导轨之间垂直方向的平行度误差的影响一般：车床：磨床：对零件精度的影响不容忽视第二节工艺系统几何误差3.传动链误差以车螺纹为例，说明传动链精度对工件加工精度的影响：第二节工艺系统几何误差3.传动链误差第二节工艺系统几何误差3.传动链误差第二节工艺系统几何误差3.传动链误差第二节工艺系统几何误差3.传动链误差由此可见：传动链短，则传动精度高；传动链中最后一个传动件的精度要高；传动比i小，则传动精度高；传动链中采用降速比的传动是保证传动精度的重要原则。第二节工艺系统几何误差三、刀具的制造误差及磨损1.定尺寸刀具和成形刀具的制造精度和尺寸磨损对加工精度的影响采用定尺寸刀具(如钻头、铰刀、键槽铣刀、镗刀块及圆拉刀等)加工时，刀具的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度。采用成形刀具(如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等)加工时，刀具的形状精度将直接影响工件的形状精度。展成刀具(如齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀等)的刀刃形状必须是加工表面的共扼曲线。因此，刀刃的形状误差会影响加工表面的形状精度。第二节工艺系统几何误差三、刀具的制造误差及磨损2.一般刀具的尺寸磨损对加工精度的影响一般刀具，如车刀、立铣刀等，主要靠调整刀具位置来保证加工尺寸，刀具制造精度不会影响加工尺寸精度。但刀具的尺寸磨损将对工件的加工精度产生影响。第二节工艺系统几何误差2.一般刀具的尺寸磨损对加工精度的影响一般刀具，如车刀、立铣刀等，主要靠调整刀具位置来保证加工尺寸，刀具制造精度不会影响加工尺寸精度。但刀具的尺寸磨损将对工件的加工精度产生影响。第二节工艺系统几何误差3.减少刀具尺寸磨损对加工精度影响的措施进行刀具补偿；选用合理的刀具材料；选用最佳的切削用量。第二节工艺系统几何误差四、调整误差在利用静调整法或动调整法来获得所需的加工尺寸时，都会有调整误差，因此会影响到加工精度。第二节工艺系统几何误差五、夹具误差夹具误差包括：夹具制造误差；夹具安装误差；夹具的磨损；定位误差；夹紧误差。对IT5～IT7级精度工件来说，夹具精度取工件精度的1/3～1/5。第三节工艺系统受力变形一、工艺系统刚度1.刚度和柔度第三节工艺系统受力变形刚度：用来表征物体受力后抵抗受力变形的能力。物体在受力方向上产生单位弹性变形所需要的力称为刚度。1.刚度和柔度第三节工艺系统受力变形物体在受力方向上某一时刻的力变化与在该方向上产生的变形变化量的比值被称为瞬时刚度。柔度是物体受单位力时在受力方向的变形，它是刚度的倒数。1.刚度和柔度第三节工艺系统受力变形2.工艺系统的刚度一、工艺系统刚度第三节工艺系统受力变形2.工艺系统的刚度一、工艺系统刚度在工艺系统中，往往一个方向的力同时会产生几个方向的变形。因此工艺系统的变形具有复合性。第三节工艺系统受力变形2.工艺系统的刚度一、工艺系统刚度第三节工艺系统受力变形3.工艺系统刚度的测定一、工艺系统刚度机床部件刚度的测定第三节工艺系统受力变形3.工艺系统刚度的测定一、工艺系统刚度影响机床部件刚度的因素连接表面的接触变形薄弱零件本身的变形第三节工艺系统受力变形3.工艺系统刚度的测定一、工艺系统刚度接触表面之间的摩擦连接表面间的间隙影响连接件夹紧力的影响第三节工艺系统受力变形3.工艺系统刚度的测定一、工艺系统刚度工艺系统刚度的计算工艺系统是由机床、刀具、夹具、工件等组成，系统的受力变形应等于各环节在误差敏感方向的变形之和。即：依据刚度的定义：第三节工艺系统受力变形1.切削力对加工精度的影响二、工艺系统受力变形对加工精度的影响切削力作用位置变化引起的加工误差考虑床头、尾座的变形：第三节工艺系统受力变形二、工艺系统受力变形对加工精度的影响考虑刀架的变形：第三节工艺系统受力变形二、工艺系统受力变形对加工精度的影响考虑工件的变形：第三节工艺系统受力变形第三节工艺系统受力变形1.切削力对加工精度的影响二、工艺系统受力变形对加工精度的影响切削力大小变化引起的加工误差——误差复映原理车削时XFc=1，在一次走刀中f不变，故：车削前圆度误差：车削后圆度误差：第三节工艺系统受力变形1.切削力对加工精度的影响二、工艺系统受力变形对加工精度的影响切削力大小变化引起的加工误差——误差复映原理△0越大，△1越大，这种由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯形状误差复映到加工后工件表面的现象称为“误差复映”。第三节工艺系统受力变形令：则：第一次走刀：第二次走刀：第n次走刀：可见：n↑，则：ε↓；KST↑，则：ε↓A↓(f↓、Kr=90°)，则：ε↓误差复映系数第三节工艺系统受力变形2.传动力对加工精度的影响二、工艺系统受力变形对加工精度的影响FCFCRr如图：传动力F在Y方向的分力为：第三节工艺系统受力变形如图：传动力F在Y方向的分力为：由传动力引起的工件夹持端在Y方向的位移为：第三节工艺系统受力变形在x处工件和刀具的相对位移：在x处工件的实际半径：令：则：r’是x和θ的函数，x引起圆柱度误差，θ的变化造成圆度误差。第三节工艺系统受力变形加工精密零件时改用双爪拨盘或柔性连接装置带动工件旋转根据以上分析计算，可知加工出的零件形状如下：第三节工艺系统受力变形不平衡质量为M，工件转速为n。在Y方向上由F引起的变形：3.惯性力对加工精度的影响第三节工艺系统受力变形4.夹紧力对加工精度的影响第三节工艺系统受力变形5.重力对加工精度的影响第三节工艺系统受力变形三、减少工艺系统受力变形的措施提高机床构件自身刚度；对于机床的床身、立柱、横梁、夹具的夹具体这些对工艺系统刚度有较大影响的构件，选用合理的结构，如采用封闭截面，可以大大提高其刚度；合理布置筋板。第三节工艺系统受力变形三、减少工艺系统受力变形的措施提高机床构件自身刚度；提高零部件间的接触刚度；一般部件的接触刚度大大低于实体零件本身的刚度，提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。通过刮研改善配合的表面粗糙度和形状精度，使实际接触面积增加，能有效提高接触刚度。第三节工艺系统受力变形三、减少工艺系统受力变形的措施提高机床构件自身刚度；提高零部件间的接触刚度；设置辅助支承，提高系统刚度；增加辅助支承也是提高工件刚度的常用方法。加工细长轴时采用中心架或跟刀架。第三节工艺系统受力变形三、减少工艺系统受力变形的措施提高机床构件自身刚度；提高零部件间的接触刚度；设置辅助支承，提高系统刚度；加预紧力；预加载荷，可消除配合面间的间隙，增加接触面积，减少受力后的变形，此方法常用于各类轴承的调整。第三节工艺系统受力变形三、减少工艺系统受力变形的措施提高机床构件自身刚度；提高零部件间的接触刚度；设置辅助支承，提高系统刚度；加预紧力；采用合理的安装、加工方法。加工细长轴时，如改为反向进给(从主轴箱向尾座方向进给)，使工件从原来的轴向受压变为轴向受拉，也可提高工件刚度。第四节工艺系统的受热变形一、工艺系统的热源1.切削热（内部热源）一般传入工件或刀具的切削热用下式估算：铣、刨时：Q工件<30%，钻削时：Q工件>50%磨削时：Q屑≈4%，Q砂轮≈12%，Q工件≈84%切削热是由于切削过程中，切削层金属的弹性、塑性变形及刀具与工件、切屑之间摩擦而产生的热量。第四节工艺系统的受热变形一、工艺系统的热源1.切削热（内部热源）一般传入工件或刀具的切削热用下式估算：铣、刨时：Q工件<30%，钻削时：Q工件>50%磨削时：Q屑≈4%，Q砂轮≈12%，Q工件≈84%2.摩擦热（内部热源）主要为机床和液压系统中运动部件间的摩擦热。第四节工艺系统的受热变形一、工艺系统的热源1.切削热（内部热源）一般传入工件或刀具的切削热用下式估算：铣、刨时：Q工件<30%，钻削时：Q工件>50%磨削时：Q屑≈4%，Q砂轮≈12%，Q工件≈84%2.摩擦热（内部热源）如环境温度、阳光、灯光的热辐射等。3.环境温度（外部热源）第四节工艺系统的受热变形二、工艺系统热变形对加工精度的影响1.工件的热变形特点：工件热变形主要是受切削热的影响；工件受切削热的量不同，变形的影响也不同，各部分的温升不同且随时间而变化；不同的加工方法、工件的形状不同，产生的热变形也不同。第四节工艺系统的受热变形二、工艺系统热变形对加工精度的影响1.工件的热变形棒料：车削或磨削外圆时，切削热是从四周均匀传入工件。主要是使工件的长度和直径增大，其尺寸误差可以按物理学计算热膨胀的公式求出。式中：α：工件材料的线膨胀系数；L、D：工件原有的长度和直径；△t：工件切削后的温升。板材：Δ例如：精刨铸铁导轨，L=2000mm，h=600mm，如果床面与床脚温差为2.4℃,α=1.1×10-5/℃，则：第四节工艺系统的受热变形1.工件的热变形第四节工艺系统的受热变形1.工件的热变形减少工件热变形的措施：

粗、精分开；合理选择切削用量；合理选择刀具的几何形状；充分利用冷却液。第四节工艺系统的受热变形2.刀具的热变形二、工艺系统热变形对加工精度的影响刀具连续工作时的热变形：tC1：时间常数，与刀具质量、比热、截面积等有关。一般取：tC1=4min。刀具断续工作时的热变形：刀具的热变形主要影响工件的形状误差，如车削长轴时，工件可能由于刀具的伸长而产生锥度。第四节工艺系统的受热变形二、工艺系统热变形对加工精度的影响3.机床的热变形机床的热变形主要体现在：①主轴部件②导轨③床身④立柱⑤工作台等部件上。第四节工艺系统的受热变形三、减少工艺系统热变形的措施减少热源产生的热量减少切削热和磨削热通过控制切削用量，合理选择和使用刀具来减少切削热。零件精度要求高时，还应注意将粗加工和精加工分开进行。第四节工艺系统的受热变形三、减少工艺系统热变形的措施减少热源产生的热量减少切削热和磨削热从运动部件的结构和润滑等方面采取措施，改善摩擦特性以减少发热。减少机床各运动副的摩擦热第四节工艺系统的受热变形三、减少工艺系统热变形的措施减少热源产生的热量减少切削热和磨削热分离热源、隔离热源凡能从工艺系统分离出去的热源尽可能移出；不能分离的热源，可采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。减少机床各运动副的摩擦热第四节工艺系统的受热变形三、减少工艺系统热变形的措施减少热源产生的热量减少切削热和磨削热分离热源、隔离热源冷却、通风与散热对加工件进行大流量或喷雾等方法冷却减少机床各运动副的摩擦热使用大流量切削液，或喷雾等方法冷却，可带走大量切削热或磨削热。第四节工艺系统的受热变形三、减少工艺系统热变形的措施减少热源产生的热量减少切削热和磨削热2.改善散热条件对加工件进行大流量或喷雾等方法冷却机床发热部件采取冷油强制冷却热源部分采用通风散热措施减少机床各运动副的摩擦热第四节工艺系统的受热变形三、减少工艺系统热变形的措施3.均衡温度场恒温加工对于精密机床，一般应安装在恒温车间，其恒温精度应严格控制，一般在±1℃内，精密级为±0.5℃，超精密级为±0.01℃。恒温的标准温度可按季节调整，一般为20℃，冬季可取17℃，夏季取23℃。第四节工艺系统的受热变形三、减少工艺系统热变形的措施3.均衡温度场恒温加工机床热平衡后再进行加工当达到热平衡后，热变形逐渐趋于稳定。一般方法有两种，一是加工前，让机床先高速空运转，当机床迅速达到热平衡后进行加工。二是在机床某部位设置“控制热源”，人为地给机床局部加热，使其加速达到热平衡。第四节工艺系统的受热变形三、减少工艺系统热变形的措施3.均衡温度场均衡温度场恒温加工机床热平衡后再进行加工第四节工艺系统的受热变形三、减少工艺系统热变形的措施4.改进机床结构采用热对称结构第四节工艺系统的受热变形三、减少工艺系统热变形的措施合理选择装配基准4.改进机床结构采用热对称结构第四节工艺系统的受热变形三、减少工艺系统热变形的措施合理设计零部件的相对位置合理选择装配基准4.改进机床结构采用热对称结构第五节内应力对加工精度的影响工件的内应力毛坯热应力切削加工内应力冷校直内应力对于铸、锻、焊毛坯，由于各部分厚度不均，冷却速度不等而产生的内应力。对于铸件：“厚拉薄压”“心部受拉、表层受压”第五节内应力对加工精度的影响通过冷校直后产生应力，当应力释放后，又产生变形。第五节内应力对加工精度的影响力的作用使工件表层产生压应力，热作用使工件表层产生拉应力。大多数的情况下热的作用大于力的作用，故工件表层应力通常呈“表层受拉，里层受压”状态。减少内应力的措施：时效处理；结构上保证壁厚均匀；刚度适当；减少切削力，“小切深，多走刀”；尽量不用冷校直工序。第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法实测这批工件，按照孔径尺寸范围分组摆放，可以直观地看到工件尺寸的分布状况。

△系统第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法1.正态分布曲线第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法2.利用分布曲线进行加工误差性质的判别假如加工过程中没有变值系统性误差，那么其尺寸分布应服从正态分布，这是判别加工误差性质的基本方法。用此方法即可区分常值系统性误差和随机性误差。

第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法3.利用分布曲线进行工艺验证σ大，则曲线平坦尺寸分布范围大加工方法的加工精度低令：CP：工艺能力系数T>6σ，表示全部零件合格T>>6σ，加工方法精度过高造成浪费T=6σ，加工方法勉强，易出废品T<6σ，工艺能力不足，需改进CP＞1.67特级，但过高1.67≥CP＞1.33一级，足够1.33≥CP＞1.0二级，勉强1.0≥CP＞0.67三级，不足CP≤0.67四级，不行第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法4.利用分布曲线计算一批零件的合格率和废品率XminXmax被加工零件尺寸：Xmax=X2=D+esXmin=X1=D-ei中心偏差Δ为“+”表示分布中心比公差带中心大。+Δ不可修复废品可修复废品x2x1第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法4.利用分布曲线计算一批零件的合格率和废品率令：第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法4.利用分布曲线计算一批零件的合格率和废品率第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法例：检查一批精镗后的活塞销孔直径，图纸规定的尺寸及公差为mm，检查件数为100个。将测量所得的数据按尺寸大小分组，每组的尺寸间隔为0.002mm，然后填在下表内。

表中n是测量的工件数，m是每组的件数。

第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法以工件尺寸x为横坐标，以频率m/n为纵坐标，便可绘出实际分布曲线图。

第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法公差带中心＝(28－0.015/2)mm＝27.9925mm分散范围中心(工件平均尺寸)＝∑mixi/n＝27.9979mm样本均方根偏差σ＝0.002233，则6σ＝0.0134第六节加工误差的统计分析法工艺能力系数CpCp＝T/6σ＝1.12，表明本工序等级为二级，工艺能力勉强，必须密切注意。计算合格品率和废品率Fa＝F(5.78)＝0.5Fb＝F(0.94)＝0.3264F＝F(a)＋F(b)＝0.5＋0.3264＝0.8264＝82.64％即合格率为82.64％，废品率为17.36％。

第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法5.误差分析如果尺寸分布中心与公差带中心不重合，则一定存在常值系统误差；多峰值分布曲线，存在阶跃变值系统误差。等概率分布曲线，存在线性变值误差，如刀具的磨损；不对称分布曲线，存在随机误差；特点是有一段曲线概率相等。在随机性误差中混有线性变值系统性误差。用试切法加工轴颈或孔径时，由于操作者为了避免产生不可修复的废品，主观地使轴颈宁大勿小，使孔径加工宁小勿大，这是一种随机误差(主观误差)所形成的。实际上是两组正态分布曲线的叠加，也即随机性误差中混入了常值系统性误差。第六节加工误差的统计分析法一、分布曲线法6.存在问题分布曲线法未考虑零件的加工先后顺序，不能反映出系统误差的变化规律及发展趋势；只有一批零件加工完后才能画