机械制造技术基础 课件 5.2 影响机械加工精度的因素

第5章

机械加工质量控制机械制造技术基础概述5.1影响机械加工精度的因素5.2加工误差的综合分析5.3影响机械加工表面质量的因素5.4机械加工过程中的振动5.5第5章

机械加工质量控制5.2影响机械加工精度的因素引言---基本概念原始误差：工艺系统中的种种误差就会在不同的具体条件下，以不同的程度和方式反映为加工误差。工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。分析原始误差和加工误差之间的定性与定量关系，是保证和提高零件加工精度的必要理论基础。5.2.1加工误差产生的原因工艺系统的误差（原始误差）是“因”，是根源；

加工误差是“果”，是表现。工艺系统的“动误差”原始误差是在加工前就已存在，即在无切削负荷的情况下可检验的工艺系统的“静误差”原始误差是在加工过程中产生的，即在有切削负荷情况下才产生的归纳工件在加工前、中、后工艺系统中可能出现的种种原始误差5.2影响机械加工精度的因素1.加工前的原始误差加工原理误差：概念：采用了近似的成形运动或近似的刀具轮廓进行加工而产生的误差。举例：采用了近似的成形运动或近似的刀具轮廓进行加工而产生的误差。滚齿：齿形误差有误差，但仍采用，理由？加工前的原始误差装夹误差：包括定位误差和夹紧误差定位误差的分析已经在第4章进行了讨论夹紧误差：产生夹紧误差的原因；：举例；减小措施。薄壁套：车或镗薄片：磨或铣加工前的原始误差调整误差：不同的调整方式，有不同的误差来源试切法：

测量误差

机床进给机构的位移误差

试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响调整法：

定程机构误差

样件或样板的误差

测量有限试件造成的误差精加工

粗加工加工前的原始误差夹具的制造误差：(1)定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等的制造误差；(2)夹具装配后，以上各元件工作表面间的相对尺寸和位置误差。(3)夹具在使用过程中个主要工作表面的磨损造成的误差。加工前的原始误差刀具的制造误差：采用定尺寸刀具(如钻头、铰刀、键槽铣刀、镗刀块及圆孔拉刀等)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轭曲线，刀刃的形状误差会影响加工表面的形状精度。对于一般刀具(如车刀、镗刀、铣刀)，刀具制造精度对加工精度无直接影响。加工前的原始误差机床误差：工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床的误差包括机床的制造误差、安装误差和磨损等机床误差的项目很多，这里着重分析对工件加工精度影响较大的几项误差主轴回转误差；导轨误差；传动链误差加工前的原始误差机床主轴的回转误差：主轴在每一瞬间回转轴线的空间位置都是变动的，即存在着回转误差。主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对其理想回转轴线(一般用平均回转轴线来代替)的偏离程度。主轴回转误差可以分解为三种基本形式：纯径向跳动、纯轴向窜动和纯角向摆动径向圆跳动

轴向窜动

角度摆动加工前的原始误差产生径向跳动误差的主要原因：主轴支承轴颈的圆度误差、轴承工作表面的圆度误差等。不同的加工方法，主轴径向跳动误差对加工精度的影响也不同：举例：在镗床镗孔，镗刀轴旋转，工件不转车削时，工件旋转，刀具直线进给纯径向跳动：加工前的原始误差纯轴向窜动：指主轴回转轴线沿平均回转轴线方向的变动量举例：车外圆、内孔---没有影响车端面---影响端面与轴线的垂直度加工前的原始误差纯角向摆动：指主轴回转轴线相对于平均回转轴线成一倾斜角度的运动举例：当主轴有纯角度摆动时，车削加工仍能得到一个圆的工件，但工件沿轴向有锥度；镗削加工时（工件进给），镗出的孔则将是椭圆形的。加工前的原始误差总之，不同形式的主轴回转误差对加工精度的影响不同；同一型式的回转误差在不同的加工方式（如车削和镗削）中对加工精度的影响也不一样机床主轴回转误差产生的工件加工误差主轴回转误差的基本形式车床上车削镗床上镗削内、外圆端面螺纹孔端面径向跳动近似真圆（理论上为心脏线形）无影响

椭圆（每转跳动一次）无影响轴向窜动无影响平面度、垂直度（端面凸轮形）螺距误差无影响平面度垂直度角度摆动近似真圆（轴向为锥形）影响极小椭圆柱孔（每转摆动一次）平面度（马鞍形）加工前的原始误差影响主轴回转运动误差的因素：主要有主轴支承轴颈的误差、轴承工作表面的圆度误差、轴承的间隙、箱体支承孔的误差及主轴刚度和热变形等。举例：采用滑动轴承支承的主轴回转误差根源加工前的原始误差机床导轨误差：在机床的精度标准中，直线导轨的导向精度一般包括：导轨在水平面内的直线度（弯曲）、在垂直面内的直线度（弯曲）、前后导轨的平行度（扭曲）以及导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度等。对于不同的加工方法和加工对象，导轨误差所引起的加工误差也不相同举例：导轨在水平面内的直线度误差会使被加工的工件产生鼓形或鞍形加工前的原始误差

导轨在垂直平面内的直线度误差对工件加工的影响误差敏感方向概念非常重要，在分析加工精度问题时经常要用到它刀具在垂直面安装加工前的原始误差车床前后导轨之间的扭曲对加工精度的影响以车床为例：车床前后导轨产生扭曲之后，刀架和工件之间的相对位置也就发生了变化，结果就会引起工件的形状误差（腰鼓形、马鞍形、锥度等）

该误差将使工件产生圆柱度误差；由于一般车床H/B≈2/3，外圆磨床H/B=1，导轨扭曲引起的加工误差还是较大的。ΔR≈Δy=Δ·H/B加工前的原始误差传动链误差：传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量有些加工方法(如车螺纹、滚齿、插齿等)，要求刀具与工件之间必须具有严格的传动比关系，机床传动链误差是影响这类表面加工精度的主要原因之一。举例：滚齿机传动系统图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是不相同的加工前的原始误差减小传动链误差的途径：传动元件制造精度和装配精度越低、传动链越长，控制传动链误差的难度越大，所以减少传动链长度、提高传动元件的制造精度和装配精度（特别是末端）是减少传动链误差的主要途径；（如：现代精密、超精密机床为了减少传动链误差，不但对每个零件的加工精度和装配精度提出苛刻要求，而且出现了“零”长度的传动链，如现在精密、超精密机床所用的电主轴和直线电机驱动的工作台等都属于这种情况）传动链采用降速传动，尽可能使末端传动副采用大的降速比，这样可使其它元件的传动误差对被加工工件的影响变小加工前的原始误差2.加工中产生的原始误差主要来源于工艺系统受力变形、受热变形、刀具磨损等几个方面。工艺系统的受力变形：艺系统受力变形的大小，不仅与作用力有关，还与系统的刚度有关。机械加工中工艺系统的受力变形现象：

以车床车细长轴、磨床磨内孔为例变形的原因、产生的现象结论：工艺系统的受力变形是机械加工中影响加工精度的一项很重要的原始误差，它不但严重影响加工精度，而且还影响着表面质量，限制切削用量和生产率的提高。加工中产生的原始误差工艺系统的刚度及特点：工艺系统的刚度k系可定义为：切削力在加工表面法线方向的分力Fy与在总切削力作用下工艺系统产生的沿法向（误差敏感方向）的变形y系的比值k系=Fy/y系

车削强调：切削过程中切削力是不断变化的，工艺系统在动态下产生的变形和静态下产生的变形是不一样的，这样就有了动刚度和静刚度的区别。加工中产生的原始误差工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量y系：y系=y机床+y刀具+y夹具+y工件

根据刚度定义：k系=Fy/y系

，k机床=Fy/y机床，k刀具=Fy/y刀具，k夹具=Fy/y夹具，k工件=Fy/y工件，将它们代入上式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需要说明的是：由于加工工艺系统和各组成部件都是由若干零件组成，刚度问题是比较复杂的，用简单的力学模型进行计算不但计算困难，且很不准确，需要用实验的方法来加以测定。加工中产生的原始误差某车床刀架部件静刚度实测得到的刚度曲线加载、卸载；反复三次分析曲线，总结机床部件刚度的特点如下：①

力和变形的关系不是直线关系，不符合胡克定律，这反映了部件的变形不纯粹是弹性变形。②加载曲线与卸载曲线不重合，两者之间包容的面积代表了在加载卸载的循环中所损失的能量，也就是消耗在克服部件内零件之间的摩擦力和接触面塑性变形所做的功。③当载荷去除后，变形恢复不到起点，这说明部件的变形不仅有弹性变形，而且还产生了不能恢复的塑性变形。在反复加载以后，残余变形逐渐减少到零，加载曲线才和卸载曲线重合。④看似刀架的轮廓尺寸相当大，但它并不是铁板一块，而是由许多零件组合而成，零件之间存在着许多薄弱环节，因此部件的实际刚度远比想象的要小，在受力变形时不能和整体零件相比。加工中产生的原始误差工艺系统刚度对加工精度的影响：以外圆车削为例说明由于受力点位置的变化（引起系统刚度变化）而产生的工件形状误差工艺系统的刚度除了受到各组成部分刚度的影响之外，也随着受力点的位置变化而变化，从而造成工件形状误差。先假定工件短而粗，说明其刚度很高，它在受力下变形比机床、夹具、刀具的变形小很多，可以忽略不计，则工艺系统的总位移完全取决于机床头架、尾架(包括顶尖)和刀架(包括刀具)的位移结论：工艺系统变形y系随刀架位置x变化而变化加工中产生的原始误差在前述切削条件下，车刀自右向左车削过程中，由于切削力的作用点不断发生变化而引起工艺系统刚度随之变化而造成的形状误差（圆柱度）大小（半径方向）为：运用高等数学求极值方法：假设：某车床的k头架=100000N/mm，k尾架=56600N/mm，k刀架=30000N/mm，径向切削分力Fy=400N工件加工后圆柱度误差大小是：加工中产生的原始误差其它加工方式：工艺系统的刚度沿工件轴线方向在各个位置是不同的，造成加工变形不同，最后造成形状误差。工艺系统受力变形随施力点位置变化而变化卧式镗床镗孔（工件进给）加工中产生的原始误差由于切削力的变化引起的加工误差（误差复映现象）：以车削一椭圆截面的短轴(假设毛坯材料硬度均匀)为例说明毛坯形状误差复映工件加工前的误差大小Δ毛坯=ap1－ap2加工后表面误差大小为Δ工件=y1－y2如果某表面经过n次走刀切削，第i次走刀误差复映系数为εi，最终误差复映系数ε总为：通过增加走刀次数，可以不断提高加工精度，但会影响生产率，故提高工艺系统刚度，对减小误差复映系数具有重要意义。误差复映系数总是小于1的“渐精原则”加工中产生的原始误差需要进一步说明：a）每一件毛坯的形状误差，不论是圆度、圆柱度、同轴度、平直度误差等都会以一定的复映系数复映成加工后表面的加工误差，这是由于切削余量不均匀而引起的。b）一般情况下，由于工艺系统刚度比较高，且多次切削时的切削深度和进给量常常是递减的，复映系数ε也就递减，加工误差下降得很快，所以一般只有在粗加工时用误差复映规律估算加工误差才有实际意义。c）在大批大量生产中，都是采用定尺寸调整法加工的，即刀具在调整到一定的切深后，就一件件连续加工下去，这对于一批尺寸大小有参差的毛坯而言，每件毛还的加工余量都不一样，由于误差复映的结果，也就造成了加工后一批工件的“尺寸分散”。为了保持“尺寸分散”不超出允许的公差范围，就有必要查明误差复映的大小。加工中产生的原始误差其它作用力造成工艺系统受力变形的变化引起的加工误差：除了切削力作用于工艺系统，还作用着其它力，如夹紧力、工件重力、机床移动部件的重力、传动力以及惯性力等，这些力也能使工艺系统中某些环节的受力变形发生变化，产生加工误差。加工中产生的原始误差

减小工艺系统受力变形的途径：从提高工艺系统刚度和减小切削力及其变化两个方面入手合理的结构设计，以提高工艺系统的刚度；提高工艺系统中配合面之间接触刚度；采用合理的装夹方式和加工方式，提高工艺系统刚度；减小切削力及其变化加工中产生的原始误差工艺系统热变形对加工精度的影响：热变形将破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系，从而造成加工误差特别是在精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的40%～70%工艺系统的热源和热平衡：内部热源：主要指切削热；摩擦热外部热源：

主要是指工艺系统外部的、以对流传热为主要形式的环境温度(它与气温变化、通风等有关)和各种热辐射(包括由阳光、照明、暖气设备等发出)。热平衡：工作一定时间后，系统单位时间内吸收和散发的热量相等时，工艺系统达到了热平衡状态，其热变形也就达到某种程度的稳定，工艺系统精度也趋于稳定；精密加工应在系统达到热平衡状态后再进行。加工中产生的原始误差机床热变形引起的误差：原因：由于机床热源的不均匀性及其结构的复杂性，形成不均匀的温度场，使机床各部分的变形程度不等，从而破坏了机床原有的几何精度，降低了机床的加工精度。由于各类机床的结构和工作条件相差很大，其主要热源各不相同，热变形引起的加工误差也不相同。加工中产生的原始误差工件热变形引起的加工误差：工件的热变形主要是由切削热引起。对于大型或精密零件，外部热源如环境温度变化、日照等辐射热的影响也不可忽视。举例（实验表明）：车削中切屑所带走的热量达50%~86%，而高速切削时还会超过90%，传入刀具的热量为10%~40%，传给工件的热量不到10%；（只适合于车、铣、刨、立镗、外拉削等切屑流出畅快、切屑和刀具的摩擦也较小的情况：像钻孔这种半封闭式加工，切屑和钻头排屑沟的摩擦以及散热条件不好等原因，所产生的热量约有50%进入工件。又如在卧镗铸铁工件时，切屑几乎全部留在孔内，传给切屑的热量又传给了工件。磨削时，约有80%多的磨削热传入工件，只有约4%传人磨屑，约12%传入砂轮。加工中产生的原始误差需要说明的是，即使是同样的热量，由于工件的受热体积(尺寸)和结构不同，温升和热变形也不一样：例如：薄壁件VS实心件；工件受热均匀与否；工件单面受热VS双面受热工件均匀受热情况：如车削或磨削轴、套筒等对称零件

工件热变形量；伸长量：精加工时热变形问题是比较突出的，特别是长度比较长且精度要求高的零件例如：磨削长度为1m丝杠，如果磨削时温度升高1℃，则丝杠的伸长量为：加工中产生的原始误差工件均匀受热：

主要影响工件的尺寸精度，可以通过调整的方法予以纠正。工件不均匀受热---形状误差：

如像铣削、磨削工件表面时，属于单面受热（不均匀受热），上下平面间产生温差，容易导致工件产生形状误差（弯曲或翘曲），而形状误差很难用调整法纠正。

工件不均匀受热时，工件弯曲量随工件长度的增加而急剧增加，而且工件厚度越薄，工件弯曲量也越大，所以要减小热变形，就必须控制不同表面之间的温差Δt。措施：或粗加工后停机以待热量散发后再进行精加工；或增加工序(使粗、精加工分开)，以使工件粗加工后有足够的冷却时间-----工序分散加工中产生的原始误差刀具热变形引起的加工误差：通常传给刀具的热量并不多，因其体积小而热容量小，仍会产生很高的温升。不但影响加工精度，而且刀具的硬度也会下降。对于大型零件，刀具热变形往往造成被加工工件的几何形状误差。如车削长轴或在立车上加工大直径的平面，由于刀具长时间切削而逐渐膨胀，往往造成工件出现圆柱度或平面度误差。但实际上，刀具在使用过程中还有磨损，总体上对加工精度的影响没有那么显著。加工中产生的原始误差减少热变形影响的措施：减少发热和隔离热源；加强散热能力；均衡温度场；采用合理的机床结构；控制环境温度均衡机床立柱前后温度场加工中产生的原始误差3.加工后产生的原始误差加工后产生的原始误差工件内应力引起的变形：工件一旦有内应力产生，就处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位转化，转化的速度取决于外界条件；当带有内应力的工件受到力或热的作用而失去原有的平衡时，内应力就将重新分布以达到新的平衡，并伴随有变形发生。毛坯制造和热处理过程中产生的内应力；冷校直产生的内应力；切削加工产生的内应力几种典型情况：加工后产生的原始误差减少内应力变形的措施：①

合理设计零件结构。在零件结构设计中，尽量做到结构对称，壁厚均匀，以消除内应力产生的隐患。②合理安排工艺过程。设计加工顺序时，应使能造成内应力重新分布引起的较大变形在进行机械加工之前或在粗加工阶段尽早完成，如合理划分工件的粗、精加工阶段、合理安排时效处理时机和次数等，这样就可以在后续加工中予以纠正。加工后产生的原始误差测量引起的加工误差：测量误差是工件测量尺寸与实际尺寸的差值。测量过程中人的因素、测量仪器的因素、测量方法的因素、外界环境的因素等都会引起测量误差的产生这些误差都是不可避免的，都会对加工结果产生一定的影响。精密测量对仪器、测量方法、测量环境控制都有较严格的要求。加工后产生的原始误差5.2.2提高加工精度的途径生产实际中尽管有许多减少误差的方法和措施，但从减小误差出发点不同，可分成两大类：误差预防措施；误差补救措施。1.误差预防查明产生加工误差的原因，直接消除或减少误差的方法1)采用先进工艺和设备这是保证加工精度的最基本方法，在制订零件的加工工艺时，应对零件每道工序的设备加工能力进行精确评价，并尽可能合理采用先进的工艺和设备，使每道工序都具备足够的工艺能力。2）直接减少原始误差法。这也是在生产中从根本上消除加工误差的方法。在查明影响加工精度的主要因素之后，设法对其直接进行消除或减少。5.2影响机械加工精度的因素举例：加工细长轴要点：分析零件特征；引起变形的主要原因；提高细长轴车削精度的具体措施

误差预防2.

误差补救当加工精度要求高于某一程度后，有时利用误差预防措施来提高加工精度所花费的成本将呈指数规律增长，会很不经济。误差补救就是在现存的误差条件下，以分析、测量信息为依据，通过弱化或改变误差对加工精度的影响关系，以减少或消除零件的加工误差。误差补救转移原始误差法：该法实质上是把影响加工精度的原始误差从敏感方向转移到非敏感方向或其他零部件上去，常用于转移工艺系统的几何误差、受力或受热变形等。举例：在立轴转塔车床车削外圆，车刀采用垂直安装（立刀安装）时，此时误差敏感方向为垂直方向，导轨水平面内的弯曲和刀架转位误差则位于误差非敏感方向，由此所引起的半径误差可以忽略不计。根据这个思路，若在普通车床加工中也采用立刀安装的方法，就可以把四方刀架的转位误差转移掉。误差补救三轴转台的基础框架零件又如：关键工序：孔系加工误差补救均分原始误差法：生产中会遇到这样的情况：本工序的加工精度是稳定的，但由于前道工序工件误差过大，导致“误差复映”严重，或定位误差超差，使得本工序无法保证精度要求。解决这类问题最好采用均分误差(分组调整)法：将上工序加工的工件(或毛坯)按误差大小分为n组，每组毛坯或零件的误差就缩小为原来的1/n；然后按组分