机械制造技术基础第3章

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③角度摆动：瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角，但其交点 位置固定不变的漂移运动(图3－2（c）)。因此，在不同横截面内，轴 心的误差运动轨迹是相似的。角度摆动运动主要影响所加工工件圆柱面 的形状精度，同时对端面的形状精度也有影响。
实际上，主轴回转运动误差的三种基本形式是同时存在的(图3－2 （d）)。故不同横截面内轴心的误差运动轨迹既不相同，又不相似，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。
（1）工艺系统的几何误差。
（2）工艺系统的受力变形所引起的误差。
（3）工艺系统的热变形所引起的误差。
（4）工件内应力变化所引起的误差。
上述各种误差因素，在机械加工过程中将对加工精度产生综合性作 用。加工条件不同，误差构成不同，不是在任何加工中所有误差因素都 会同时出现。
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因此，在分析生产中的加工精度问题时，必须根据具体情况进行具 体分析，找出产生加工误差的主要因素，采取有效的补救或预防措施来 提高零件的加工精度。
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（1）导轨在水平面内直线度误差的影响。如
所示，磨床导
轨在x方向存在误差Δ (图3－7（a）)，引起工件在半径方向上的误差
(图3－7（b）)。当磨削长外圆柱表面时，将造成工件的圆柱度误差。
（2）导轨在垂直面内直线度误差的影响。如图3－8所示，磨床导 轨在y方向内存在误差Δ (图3－8（a）)，磨削外圆时，工件沿砂轮切线 方向产生位移，此时，工件半径方向上产生误差Δ R≈Δ 2/2R，对零件的 形状精度影响甚小（误差非敏感方向）。但导轨在垂直方向上的误差对 平面磨床、龙门刨床、铣床等将引起法向位移，其误差直接反映到工件 的加工表面（误差敏感方向），造成水平面上的形状误差。
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为减少传动链误差对加工精度的影响，可以采取以下措施： （1）尽量缩短传动链。减少传动元件数量，可减少误差的来源。
（2）采用降速比传动。特别是传动链末端传动副的传动比越小， 则传动链中其余各传动元件误差对传动精度的影响就越小。
（3）提高传动元件，尤其是末端传动元件的制造精度和装配精度。 （4）采用校正装置。其实质是人为加入一个大小与传动链原有的 传动误差大小相等方向相反的误差，以抵消原有的传动链误差。如图3 －10所示为丝杠误差的校正装置。 3.2.3刀具误差 刀具误差包括刀具制造误差、安装误差和磨损。机械加工中常用的 刀具分为一般刀具、定尺寸刀具和成形刀具。不同的刀具对加工精度的 影响不同。 定尺寸刀具（如钻头、铰刀、槽铣刀、拉刀等）加工时，刀具的制 造误差和磨损直接影响被加工工件的尺寸精度。
3.传动链误差
机床传动链误差是指传动链始末两端传动元件之间相对运动误差。 它是由传动链中各传动件的制造误差、装配误差、加工过程中由力和热 产生的变形以及磨损等引起的。传动件在传动链中的位置不同，影响程 度不同，其中，末端元件的误差对传动链的误差影响最大。传动链中的 各传动件的误差都将通过传动比的变化传递到执行元件上。在升速传动 时，传动件的误差被放大相同的倍数；在降速传动时，传动件的误差被 缩小相同的倍数。
①轴向窜动：瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的漂移运动(图3－ 2（a）)。它主要影响所加工工件的端面形状精度而不影响圆柱面的形 状精度，如图3－3所示。在加工螺纹时则影响螺距精度。
②径向跳动：瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线，但沿y轴和z 轴方向有漂移运动(图3－2（b）)，因此在不同横截面内，轴心的误差 运动轨迹都是相同的。径向漂移运动对加工精度的影响要看加工的具体 情况而定，如图3－4所示。在车削加工中对工件圆柱面的形状精度无影 响，而在镗床上镗孔时则对孔的形状精度有影响，如图3－5所示。
3.1.1机械加工精度的概念
机械加工精度（简称加工精度）是指零件加工后的实际几何参数 （尺寸、形状和相互位置）与理想几何参数的符合程度。实际几何参数 与理想几何参数的偏离程度称为加工误差。加工误差是表示加工精度高 低的一个数量指标，一个零件的加工误差越小，则加工精度越高。
在机械加工过程中，由于各种因素的影响，加工出来的零件不可能 与理想的要求完全符合，总会产生一些偏差。从保证机器的使用性能出 发，机械零件应具有足够的加工精度，但没有必要把每个零件都做得绝 对准确。设计时应根据零件在机器上的功能，将加工精度规定在一定的 范围内是完全允许的。即加工精度的规定均以相应的标准公差值标注在 零件图上，加工时只要零件的加工误差未超过其公差范围，就能保证零 件的加工精度要求和工作要求。
（3）导轨面间平行度误差的影响。如图3－9所示，车床两导轨的 平行度产生误差（扭曲），使大溜板产生横向倾斜，刀具产生位移，因 而引起工件形状误差。由图3－9关系可知，其误差值Δ y≈HΔ 2/B。
（4）导轨对主轴轴心线平行度误差的影响。当在车床类或磨床类 机床上加工工件时，如果导轨与主轴轴心线不平行，则会引起工件的几 何形状误差。
• 3.1 • 3.2 • 3.3 • 3.4 • 3.5 • 3.6
概述 工艺系统的几何误差 工艺系统的受力变形 工艺系统热变形引起的加工误差 工件内应力引起的加工误差 保证加工精度的工艺措施
加工精度是加工质量的重要组成部分和重要指标，它直接影响机器 的工作性能和使用寿命。采取相应的工艺措施，确保零件的加工精度， 是机械制造工艺学的重要内容。
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成形刀具（如成形车刀、成形铣刀等)的制造误差和磨损主要影响 被加工工件的形状精度。
一般刀具(如车刀、铣刀、镗刀等)制造误差对加工精度无直接影响， 但刀具在切削过程中产生的磨损，将会影响加工精度。例如,车削长轴 时，车刀磨损将使工件出现锥度，产生圆柱度误差。
为减少刀具制造误差和磨损对加工精度的影响，应合理规定定尺寸 刀具和成形刀具的制造误差，正确选择刀具材料、切削用量和冷却润滑 液，提高刀具的刃磨质量，以减少初期磨损。
工艺系统受力变形的大小，与所受载荷的大小、载荷性质和系统的 刚度有关。
1.工艺系统的刚度
工艺系统的刚度表明工艺系统在各种外力作用下抵抗变形的能力。 在同样载荷作用下，系统刚度大，变形小，反之变形大。
1.主轴回转误差
机床的主轴是安装工件或刀具的基准，并把动力和运动传给工件或 刀具。因此，主轴的回转精度是机床的重要精度指标之一，它是决定加 工表面几何形状精度、表面波度和表面粗糙度的主要因素。
上一基本形式。主轴回转时，由于主轴及其轴承 在制造及安装中存在误差，主轴的回转轴线在空间的位置不是稳定不变 的。主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对理论回转轴线的“漂移”。 主轴回转误差可分为轴向窜动、径向跳动和角度摆动三种基本形式(图3 －2（a）、（b）、（c)）。
3.2.4夹具误差和装夹误差
夹具误差主要是指夹具的定位元件、导向元件及夹具体等的加工与 装配误差，它对被加工工件的位置误差有较大的影响。夹具的磨损是逐 渐而缓慢的过程，它对加工误差的影响不是很明显，对它们进行定期的 检测和维修，便可提高其几何精度。
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3.2.5调整误差
零件加工时，为了保证加工精度必须对机床、夹具和刀具进行调整， 由于调整不可能绝对准确，因而产生调整误差。例如，用试切法调整时 的测量误差、进给机构的位移误差及最小极限切削厚度的影响；用调整 法调整时的定程机构的误差，用样板或样件调整时样板或样件的误差。
3.2.6测量误差
在工序调整及加工过程中测量工件时，由于测量方法、量具精度等 因素对测量结果准确性的影响而产生的误差。
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在机械加工过程中，工艺系统在切削力、传动力、惯性力、夹紧力 以及重力的作用下产生变形，破坏了已经调整好的刀具和工件之间的相 互位置，造成加工误差。例如，车削细长轴时，工件在切削力作用下发 生变形，使加工后的工件产生中间粗两端细的腰鼓形，如图3－11（a） 所示。在内圆磨床上以横向切入法磨孔时，由于系统受力变形，磨出的 孔会出现圆柱度误差，如图3－11（b）所示。
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c滚动轴承滚子的形状与尺寸误差； d轴承定位端面与轴心线垂直度误差、轴承端面之间的平行度误差； e轴承间隙以及切削中的受力变形。 f主轴系统的径向不等刚度及热变形。 （3）提高主轴回转精度的途径。通过上面分析可知，主轴回转误 差对加工精度有显著影响。为了提高主轴回转精度，不但要根据机床精 度要求选择相应精度等级的轴承，还需要恰当确定支撑轴颈、支撑座孔 等有关零件的精度及其与轴承的配合精度，并严格保证装配质量要求。 只有这样，才能获得高的回转精度。 2.导轨导向误差 机床导轨副是实现直线运动的主要导向部件，其制造精度、装配精 度和使用中的磨损程度是影响直线运动精度的主要因素。
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零件的加工精度包含尺寸精度、形状精度和位置精度。零件的尺寸 精度主要通过试切法、调整法、定尺寸刀具法和自动控制法来获得；形 状精度则由机床精度或刀具精度来保证；位置精度主要取决于机床精度、 夹具精度和工件的安装精度。这三方面的精度既有区别，又有联系，一 般来说，形状精度应高于尺寸精度，而位置精度在大多数情况下也应高 于相应的尺寸精度。
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采用近似的成形运动或近似的刀刃轮廓，虽然会带来加工原理误差， 但往往可以简化机床或刀具的结构，有时反而可以得到高的加工精度， 并且能提高生产率和经济性。因此，只要其误差不超过规定的精度要求， 在生产中仍得到广泛的应用。
3.2.2机床的几何误差
机床的制造误差、安装误差、使用中的磨损等都会在加工中直接影 响刀具与工件的相互位置精度，造成加工误差。机床的几何误差主要包 括主轴回转误差、导轨导向误差和传动链误差。
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工艺系统的几何误差包括加工原理误差、机床几何误差、刀具和夹 具的制造误差、工件的装夹误差、调整误差以及工艺系统磨损所引起的 误差。
3.2.1加工原理误差
加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行加 工而产生的误差。
例如，滚齿加工用的齿轮滚刀，就有两种误差存在：一是刀刃轮廓 近似造型误差，由于制造上的困难，采用了阿基米德基本蜗杆或法向直 廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆；二是由于滚刀刀齿数有限，实际上加 工出的齿形是一条折线，和理论的光滑渐开线有差异，这些都会产生原 理误差。又如，车削模数蜗杆时，由于蜗杆的螺距等于蜗轮的周节（即 π m），其中m是模数，而π 是一个无理数，但是车床的配换齿轮齿数是 有限的，选择配换齿轮时只能将π 化为近似的分数值计算，这就将引起 刀具相对于工件的成形运动（螺旋运动）不准确，造成螺距误差。
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原始误差主要来源于两个方面。一方面是工艺系统本身的误差，包 括加工原理误差，机床、夹具、刀具的制造误差，工件的装夹误差等； 另一方面是加工过程中出现的载荷和各种干扰，包括工艺系统的受力变 形、热变形、振动、磨损等引起的误差。
研究加工精度时，通常按照工艺系统误差的性质将其归纳为四个方 面。
（2）影响主轴回转精度的主要因素。
①主轴误差：主要包括主轴支撑轴颈的圆度误差、同轴度误差（使 主轴轴心线发生偏斜）和主轴轴颈轴向承载面与轴线的垂直度误差（影 响主轴轴向窜动量）。
②轴承误差：如图3－6所示，轴承误差主要包括以下5种：
a滑动轴承内孔或滚动轴承滚道的圆度误差；
b滑动轴承内孔或滚动轴承滚道的波度；
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例如，车床导轨与主轴轴心线在水平面内不平行，会使工件的外圆 柱表面产生锥度；在垂直面内不平行时，会使工件成马鞍形。
机床的安装对导轨的原有精度影响也很大，尤其是床身较长的龙门 刨床、导轨磨床等。因其床身长，刚度差，在本身自重的作用下容易产 生变形，如果安装不正确或地基不坚实，都会使床身发生较大的变形， 使工件的加工精度受到影响。
研究加工精度的目的，就是要分析影响加工精度的各种因素及其存 在规律，从而找出减少加工误差，提高加工精度的合理途径。
3.1.2加工误差的来源和原始误差
在机械加工中，机床、夹具、刀具和工件组成了一个完整的系统， 称为工艺系统，加工精度问题也就涉及整个工艺系统的精度问题。由于 工艺系统本身的结构和状态及加工过程中的物理现象产生的误差称为原 始误差。