教学材料《机械制造》-第五章

第一节机械加工精度的相关概念

加工精度是指零件经过加工后的尺寸、几何形状以及各表面相互位置等参数的实际值与理想值相符合的程度，而它们之间的偏离程度则称为加工误差。加工精度在数值上通过加工误差的大小来表示，精度和误差是对同一问题的两种不同的说法，两者的概念是相关联的。即精度愈高，误差愈小;反之精度愈低，误差就愈大。零件的几何参数包括几何形状、尺寸和相互位置三个方面，故加工精度包括:.尺寸精度限制加工表面与其基准间尺寸误差不超过一定的范围;.几何形状精度限制加工表面宏观几何形状误差，如圆度、圆柱度、平面度、直线度等;下一页返回第一节机械加工精度的相关概念·相互位置精度限制加工表面与其基准间的相互位置误差，如平行度、垂直度、同轴度、位置度等。机械加工精度是加工质量的重要组成部分，无论是大批大量生产还是单件小批生产，分析加工精度对保证质量、提高生产率和降低成本都有重大意义，特别是对大批大量生产，一旦产生质量问题，所造成的损失是十分惊人的;对于单件小批生产中的贵重零件加工，分析其加工精度以保证质量有很大的经济效益。上一页下一页返回第一节机械加工精度的相关概念一、系统误差与随机误差从误差是否被人们掌握来分，可分为系统误差和随机误差(又称偶然误差)。凡是误差的大小和方向均已掌握，则为系统误差，它可以用代数和来进行综合。系统误差又可以分为常值系统误差和变值系统误差。顺次加工一批工件后，其大小和方向保持不变的误差，称为常值系统误差。例如加工原理误差和机床、夹具、刀具的制造误差等，都是常值系统误差。此外，机床、夹具和量具的磨损速度较慢，在一定时间内也可看作是常值系统误差。如果用直径φ20mm的铰刀铰孔，铰刀本身直径偏大0.01mm，则整批零件被铰的孔都将偏大0.01mm，这时的常值系统误差则为+0.0lmm。顺次加工一批工件后，其大小和方向保持不变的误差，称为常值系统误差。上一页下一页返回第一节机械加工精度的相关概念

凡是没掌握规律的误差，为随机误差。有可能是掌握了误差的大小但不掌握其方向或掌握了误差的方向而不掌握其大小。它不能用代数和来进行综合，只能用数理统计方法来处理。例如毛坯误差(余量大小不一、硬度不均匀等)的复映、定位误差(基准面精度不一、间隙影响)、夹紧误差(夹紧力大小不一)、多次调整的误差、残余应力引起的变形误差等，都是随机性误差。系统误差与随机误差之间的分界线不是固定不变的，随着科学技术的不断向前发展，人们对误差规律的逐渐掌握，随机误差不断向系统误差转移。上一页下一页返回第一节机械加工精度的相关概念二、静态误差与切削状态误差从误差是否与切削状态有关来分，可分为静态误差与切削状态误差。工艺系统在不切削状态下所出现的误差，通常称之为静态误差，例如机床的几何精度和传动精度等。工艺系统在切削状态下所出现的误差，通常称之为切削状态误差，如机床在切削时的受力变形和受热变形等。上一页返回第二节获得加工精度的方法一、试切法操作工人在每一工步或走刀前进行对刀，然后切出一小段，测量其尺寸是否合适，如不合适，将刀具的位置调整一下，再试切一小段，直至达到尺寸要求后才加工这一尺寸的全部表面。图5-1所示是一个车削的试切法例子。试切法的生产率低，要求工人的技术水平较高，否则质量不易保证，因此多用于单件、小批量生产。先按规定尺寸调整好机床、夹具、刀具和工件的相对位置及进给行程，从而保证在加工时自动获得尺寸。这种方法在加工时不再进行试切，生产率大大提高，但精度低些，主要决定于机床、夹具的精度和调整误差。下一页返回第二节获得加工精度的方法二、调整法调整法可以分为静调整法和动调整法两类:(1)静调整法静调整法又称样件法，它是在不切削的情况下，用对刀块或样件来调整刀具的位置。如在组合机床上或锁床上，用对刀块来调整锁刀的位置，以保证锁孔的直径尺寸，如图5-2所示;又如在铣床上用对刀块来调整刀具的位置，保证工件的高度尺寸，为了避免刀具与对刀块相撞，可控制两者接触的轻重。若用厚薄规来调整就更为准确，如图5-3所示。在六角车床、组合机床、自动车床及铣床上，有时用行程挡块来调整尺寸。这也是一种静调整法，一般来说其调整精度较低。上一页下一页返回第二节获得加工精度的方法(2)动调整法动调整法又称尺寸调整法，它是按试切零件进行调整，直接测量试切零件的尺寸，可以试切一件或一组零件(2一巧件)，所有试切零件合格，即调整完毕，可以进行加工。这种希法多用于大批和大量生产。动调整法由于考虑了加工过程中的影响因素，其精度比静调整法高。三、主动测量法在加工过程中，边加工边测量加工尺寸，达到要求时就立即停止加工，这就是主动测量法。图5-4表示了在外圆磨床上进行主动测量的情况。上一页下一页返回第二节获得加工精度的方法随着机械制造工业和电子工业的发展，主动测量中的数值可以用数字显示，到达尺寸时可自动停车。这种方法精度高，质量稳定，生产率也高。由于要用一定型号规格的测量装置，故多用于大批量生产中。同时，对前一工序的加工精度有一定的要求。

四、尺寸刀具法尺寸刀具法大多利用定尺寸的孔加工刀具，如钻头、锁刀块、拉刀及铰刀等来加工孔。有些孔加工刀具可以获得非常高的精度，生产率也非常高。由于刀具有磨损，磨损后尺寸就不能保证，因此成本较高，多用于大批大量生产中。另外，用成型刀具加工也属于这一类。上一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素

机械加工时，机床、夹具、刀具和工件构成一个完整的系统，称为工艺系统。工艺系统本身的几何误差和切削过程中各因素引起的误差，在不同的条件下可能以不同的程度影响零件的尺寸、几何形状以及各表面相互位置的精度。影响零件加工精度的因素可归纳为四个因素，即原理误差、工艺系统的几何误差、工艺系统力效应、工艺系统的热变形。前两者是与工艺系统初始状态有关的主要原始误差，后两者是与切削过程有关的误差。实际上，切削加工的原理误差也属于几何误差，仅因为其产生原因特别，所以单独列出。下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素一、工艺系统的几何误差对加工精度的影响

1.加工原理误差原理误差是指在加工过程中采用近似的加工运动或近似的刀刃廓形等产生的误差。理论上完全正确的加工方法有时很难实现，甚至不可能，这种情况下，只要能满足零件的精度要求，就可以采用近似的方法加工。这样能够降低加工难度，提高生产率，降低成本。例如:用成型法加工直齿渐开线齿形时，理论上同一模数一种齿数的齿轮就要用相应的一种齿形刀具加工，而实际生产中常用一把模数铣刀加工几种不同齿数的齿轮。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素2.机床的几何误差机床的几何误差是通过各种成型运动反映到加工表面的，机床的成型运动主要包括两大类，即主轴的回转运动和移动件的直线运动。因而分析机床的几何误差主要包括主轴的回转运动误差、导轨导向误差和传动链误差。

(1)主轴回转误差可分为三种基本形式，如图5-5所示。①主轴的纯轴向跳动误差(见图5-5(a))对加工精度的影响主轴的纯轴向跳动误差主要影响所加工工件的端面的形状和位置精度，而不影响圆柱面的形状精度，加工螺纹时影响螺距精度。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素②主轴的纯径向跳动误差(见图5-5(b))对加工精度的影响主轴的纯径向跳动误差会引起工件圆柱表面横截面的圆度误差和圆柱面的形状误差。③钝角向摆动误差(见图5-5(c)对加工精度的影响主轴的钝角向摆动会使车外圆时产生圆柱度误差(锥度);锁孔时孔将成为椭圆形状等圆柱度误差。角向摆动，一般还会使加工表面远离主轴端的圆度误差加大。实际上，主轴工作时其回转误差总是以上三种方式误差的综合。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素(2)导轨误差床身导轨是确定机床上主要部件间相对位置及其相对运动的基准，用于保持刀具和工件之间正确的相对位置。对机床导轨精度的要求主要有:在水平面内的直线度;在垂直面内的直线度;两导轨之间的平行度。现以车削为例，分析导轨误差对加工精度的影响。①导轨在水平面内的直线度误差使刀尖产生水平位移△y(见图5-6(a))，引起工件在半径方向上的加工误差△R=△y,，使车削的外圆表面形成鞍形、鼓形或锥形等圆柱度误差。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素②导轨在垂直面内的直线度误差使刀尖产生垂直位移△z(见图5-6(b))，引起工件在半径方向上的加工误差△R≈2△z/D,D=2R。该误差会使被加工表面产生很小的圆柱度误差，常常忽略不计。③两导轨间的平行度误差(又称扭曲)床身的两条导轨在垂直方向上发生相对倾斜在某一截面内床鞍可能产生后仰或前倾，使刀具偏离理想位置△y=△xH/B(见图5-7)。

由于在导轨全程上不同位置处的扭曲程度不同，工件将产生圆柱度误差。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素(3)传动链的传动误差机械加工时，工件表面是通过一系列传动元件使工件相对刀具产生一定的运动而形成的。这些传动机构的制造、安装误差和磨损会引起工件表面形成的运动不准确，产生加工误差。对传动比有严格要求的内联系传动链，如车螺纹、滚齿等，传动误差是影响加工精度的主要因素。为减少传动误差对加工精度的影响，可采取下列措施:.减少传动链中传动元件的数目，以减少误差来源;.提高传动元件，特别是末端传动元件的制造精度和装配精度;上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素·降低传动比，尤其要降低最后一对传动元件的传动比;.消除传动链中齿轮副的传动间隙，在数控机床应用较多;·采用误差校正机构来提高传动精度，如在滚齿机用一凸轮副来校正分度误差。

(4)刀具与夹具的误差①刀具的误差刀具对加工精度的影响因刀具的种类不同而不同。单刃刀具，如车刀、刨刀的制造误差对加工精度没有直接影响。定尺寸刀具，如拉刀、钻头的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度。成型刀具，如成型车刀、成型铣刀的形状精度直接影响工件的形状精度。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素②夹具的误差夹具的作用是在加工过程中使工件和刀具保持正确的相对位置。因此，夹具的制造误差和磨损对加工精度的影响很大。如车床上常用的三爪自定心卡盘的三个卡爪与机床主轴若不同心，以工件外圆柱面定位夹紧时，加工出来的内孔与外圆柱面就会产生同轴度误差。

(5)定位和调整误差工件在夹具上装夹时，由于定位不准确而产生的定位误差会影响工件的加工精度。在加工中总是要对机床、夹具、刀具进行调整，以保证工件与刀具间的正确的相对位置。由于调整不可能绝对准确，就会产生调整误差。在工艺系统满足要求的前提下，调整误差的大小对加工精度起决定性作用。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素二、工艺系统受力效应对加工精度的影响及控制措施机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧力、重力等外力的作用下，产生的变形会改变切削刃与工件之间已经调整好的相对位置，从而产生加工误差。工艺系统抵抗弹性变形的能力越强，加工精度越高。工艺系统抵抗变形的能力可用刚度K系统来表述。所谓工艺系统的刚度是指工件加工表面受到的切削力法向分力Fy与刀具相对工件在该方向上位移Y系统的比值，其单位为N/mm。即: K系统=Fy/Y系统上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素值得注意的是，上述刚度的定义中工件和刀具在Y系统方向上产生的相对位移几、，不单是Fy作用的结果，而是Fx,Fy,Fz同时作用的结果。

切削加工中工艺系统某处的法向总变形，等于机床、夹具、刀具及工件在该处法向变形的叠加，即:Y系统=Y机床+Y夹具+Y刀具+Y工件而工艺系统、机床、夹具、刀具及工件的刚度分别为:代人前式整理得:

上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素由此可以看出，已知工艺系统各组成部分的刚度，就可以求出工艺系统的刚度。工艺系统刚度对加工精度的影响可以归纳为以下两方面。

1.切削力的变化对加工精度的影响

(1)切削力作用点位置变化的影响工艺系统的刚度除了受各组成部分刚度的影响，还随切削力作用点的位置变化而变化，从而引起加工误差。例如，在两顶尖间车削短粗轴，因工件短而粗，刚度大，其本身在受力下的变形可忽略不计，所以工艺系统的变形取决于机床前后顶尖和刀架的变形，如图5-8所示。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素当刀具距工件左端为X时，工艺系统的变形为: Y系统=YX+Y刀具由于所以设FA,FB为Fy所引起的头座、尾座处的作用力，则上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素代人上式得到又因则刀具在X处相对于工件法向总位移为:所以，系统刚度

上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素由此可知，工艺系统的刚度在沿工件轴向的各个位置是不同的，所以加工后工件各个横截面上的直径尺寸也不相同，工件呈中间细两端粗的鞍形，造成了工件的形状误差。(2)切削力大小的变化引起的加工误差工件在切削加工时，因毛坯表面存在着形状及位置误差或材料硬度的不均匀，导致背吃刀量发生变化而引起切削力的变化，从而产生加工误差。

图5-9所示为车削一个有圆度误差的毛坯。将刀尖调整到要求的尺寸后，在工件每一转过程中，背吃刀量aD在最大背吃刀量aD1和最小背吃刀量aD2之间变化。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素因此，法向切削力也随背吃刀量的变化而由最大变到最小，它所引起的变形量也由最大(y1)变化到最小(y2)，所以加工后工件仍有圆度误差，这种毛坯形状误差复映到加工后的工件表面上的现象称为误差复映。为了定量地反映毛坯误差经加工后减小的程度，将工件误差△工(△工=(y1-y2)与毛坯误差△毛(△毛=aD1-aD2)的比值称为误差复映系数，以符号ε表示,即

ε=△工/△毛ε总是小于1，一般经过二至三次切削就可使误差复映的影响减至允许的范围内。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素2.工艺系统其他作用力的变化对加工精度的影响在加工过程中，传动力和惯性力等在工件的每一转中发生改变，因此其法向分力也随之变化，从而引起工艺系统的受力变形发生变化，造成工件的几何形状误差。对于刚性较差的工件，夹紧力常会引起较大变形，造成加工误差。工艺系统有关零部件自身的重量(特别是重型机床)以及它们在加工中位置的移动，也可引起相应的变形，造成加工误差。

3.减小工艺系统受力变形对加工精度影响的措施

(1)提高工艺系统的刚度上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素①合理的结构设计。在设计工艺装备时，应尽量减少连接件数目，并注意刚度的匹配，防止有局部低刚度环节出现。在设计基础件、支承件时，应合理选择零件结构和截面形状。②提高连接表面的接触刚度。由于部件的接触刚度大大低于实体零件本身的刚度，所以提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。而提高机床部件中零件间接合表面的质量，给机床部件以预加载荷，提高工件定位基准面的精度和减小它的表面粗糙度值等，都是提高连接表面的接触刚度的有效措施。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素③采用合理的装夹和加工方式。④增加辅助支承，以提高工件刚度。例如，加工细长轴时采用中心架或跟刀架是一个典型的实例。

(2)减小载荷及其变化采取适当的工艺措施减小载荷，如合理选择刀具材料和切削用量;精加工时采用较小的背吃刀量;控制夹紧力大小并使其均匀分布;使机床旋转部件平衡以减小离心力和惯性力等。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素三、工艺系统热变形对加工精度的影响及控制措施机械加工中，工艺系统在各种热源作用下会产生一定的热变形，工艺系统热变形对精加工影响较大。据统计，在精密加工中，由于热变形引起的加工误差占总加工误差的40%~70%;在大型零件加工中，热变形对加工精度的影响也十分显著。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素1.工艺系统热变形对加工精度的影响

(1)机床热变形不同类型的机床因其结构与工件条件的差异而使热源和变形形式各不相同。图5-10为几种机床热变形的大概趋势。这种热变形必然影响刀具和工件间的预定相对位置和运动，引起加工误差。如铣床的热变形主要是主轴在垂直面内的倾斜，它使得铣削后的平面与基面之间出现平行度误差。

(2)刀具热变形在加工过程中，刀具切削部分温度很高，刀具受热伸长，从而影响工件的加工精度。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素刀具的热变形在加工不同的零件时产生的加工误差不同。断续切削时，如加工一批短轴的外圆，刀具热伸长对每一个零件的影响不明显，对一批零件而言，则尺寸逐渐减小，影响一批工件的尺寸分散范围;连续切削时，如加工长轴外圆时，刀具热伸长会使工件产生锥度。由于刀具体积小，能较快地达到热平衡，而且刀具的伸长又能与刀具的磨损互相补偿，所以对加工精度的影响不大。

(3)工件热变形工件在热膨胀下达到的加工尺寸，冷却收缩后会变小，甚至超差。在精加工时，工件的热变形对加工精度的影响很大，特别是对细长工件的加工影响尤为突出。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素如磨削丝杠时，工件的热伸长会引起加工螺距的累积误差，严重地影响螺距精度，必须采取适当的措施来减少受热变形。工件的热变形一般对粗加工的影响不大，但在工序集中的场合，会给紧接着的精加工带来影响。工件受热是否均匀对热变形影响也很大。在平面的刨、铣、磨等加工中，工件单面受热，受热不均，尤其是板类零件的单面加工，上下表面的温差造成工件弯曲变形，主要影响形状精度。大型、复杂零件及铜、铝等有色金属的热变形对加工精度的影响更为显著。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素2.减少工艺系统热变形的措施

(1)减少热源的发热和隔热切削热是切削加工中最主要的热源，可通过合理选择切削(或磨削)用量和正确选择刀具的几何参数等方法，以减少热量的产生。凡是有可能从机床中分离出去的热源如电动机等，尽可能放在机床的外部;而主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等则可从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，以减少发热。例如采用静压轴承、静压导轨，改用低瓤度润滑油等。上一页下一页返回第三节影响机械加工精度的主要因素(2)强制冷却和均衡温度对机床发热部位可采取风冷、油冷等强制冷却方法;对切削区域内供给充分的冷却液，以降低切削温度。有时单纯地减少温升往往不能收到满意的效果，可采用热补偿的方法使机床的温度比较均匀。如图5-11所示的平面磨床，采用热空气加热温度较低的立柱后壁，以均衡立柱的温度，防止其倾斜。

(3)保持热平衡机床运转一段时间后，工艺系统吸收的热量和散发的热量大致相等，温升达到某一稳定值，则认为工艺系统达到热平衡。因此加工前应先开动机床空转一段时间，在达到或接近热平衡时再进行加工。

(4)控制环境温度环境温度的变化也会使工艺系统产生变形。因此，精密零件的加工常在晚上10时至第二天凌晨6时之间完成，因为这段时间内温度变化较小。上一页返回第四节提高机械加工精度的途径一、直接减小或消除误差这是生产中应用较广的一种方法。它是在查明产生加工误差的主要因素后，设法直接消除或减小加工误差，以提高加工精度。如车削细长轴时，因工件刚性差，容易产生变形和振动，因此在采用跟刀架的同时，再采取反向进给的切削方法，使工件轴向受拉，减小变形，从而保证加工精度。如图5-12所示。二、原始误差补偿或抵消误差补偿指的是人为地造出一种新误差以抵消工艺系统中的原始误差。例如，龙门铣床的横梁导轨在两个立铣头自重的作用下会产生较大的向下凸起的弯曲变形，因此可按导轨面向上凸起的形状来修正刮研导轨，以抵消因铣头自重而产生的横梁导轨的受力变形，如图5-13所示。下一页返回第四节提高机械加工精度的途径误差抵消指的是利用工艺系统中原有的一种误差去抵消另一种误差。例如，用校正机构提高丝杠车床的加工精度。在精密螺纹加工中，机床丝杠(即母丝杠)的螺距误差将直接反映到被加工零件的螺距上，影响精密丝杠的加工精度。为了满足精密丝杠的加工要求，在生产中经常应用误差补偿原理来消除母丝杠的螺距误差对精密丝杠加工精度产生的影响。图5-14为精密丝杠车床上用校正装置达到误差补偿目的的示意图，图中与机床母丝杠3相配合的螺母2和摆杆4连接，摆杆的另一端装有滚柱6和校正尺5接触。上一页下一页返回第四节提高机械加工精度的途径当母丝杠转动时，滚柱就沿校正尺移动。由于校正尺上预先已经加工出与机床母丝杠螺距误差相对应的曲线，因此就使摆杆上升或下降，造成了螺母的附加转动。当螺母与母丝杠相向转动时，螺距就增大;同向转动时，螺距就减小。此方法的实质是利用校正尺的人为误差抵消机床母丝杠螺距的原始误差。三、误差转移误差转移是指将工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等转移到不影响加工精度的方向或其他的工艺装置上。上一页下一页返回第四节提高机械加工精度的途径如磨削机床主轴的锥孔时，锥孔和主轴外圆柱面的同轴度，不是靠提高磨床的回转精度来保证的，而是将被磨的机床主轴放在夹具的V形铁上，并将磨床主轴与机床主轴用万向联轴器作浮动连接，这样磨床主轴的回转误差就被转