第四章 机械加工质量及其控制

L±0.05 Z
φ10 F7 k6
1）定位误差；
2）刀具导向（对刀）误差； 3）夹紧误差；
φ6F7
H7
g6
4）夹具制造误差；
5）夹具安装误差； „„
Y
通常要求定位误差和夹具 制造误差不大于工件相应公 差的1/3。
钻径向孔的夹具
2、装夹误差
定位误差和夹紧误差 1)定位误差
尺寸误差＋同轴度误差 2)夹紧误差
工件或夹具刚度过低 或夹紧力作用方向、作 用点选择不当，都会使 工件或夹具产生变形， 造成加工误差。
3 工艺系统受力变形引起的误差
工件受力变形
机床受力变形
（1）工艺系统刚度 1）工艺系统刚度
在加工误差敏感方向上工艺系统所受的径向切削分力与其 在该方向上的变形量之比
k系＝Fp / y
y系 y机床 y刀具 y夹具 y工件
2)形状精度 3)位置精度
3、加工经济精度
第2节 影响机械加工精度的因素
工艺系统的几何误差:机床、夹具和刀具等的制 造误差及其磨损
工件装夹误差
工艺系统受力变形引起的加工误差 工艺系统受热变形引起的加工误差 工件内应力重新分布引起的变形 其他误差，包括原理误差、测量误差、调整误差等
1 工艺系统的几何误差
Fp 1 2 Fp 2 2 k尾座 3 k主轴 3
最大：
在尾座处（
x l ）系统刚度最小， y系
Fp k刀架 Fp k尾座
y系max
则加工后，轴的 形状误差如图所 示：
D 2( y系max y系min ) Fp Fp Fp Fp 1 Fp 4 2 k k k尾座 刀架 k尾座 9 k主轴 9 刀架 Fp Fp 4 1 2 (1 ) 9 k主轴 9 k尾座 1000 8 1000 4 2 50000 9 100000 9
试求机床刚度不均引起的加工表面的形状误差为多少？ 并画出光轴加工后的形状。 解：在切削过程中工艺系统的总位移为：
y系
Fp k刀架
Fp l x 2 Fp x 2 k主轴 l k尾座 l
先求位移最小值，此时切出的工件直径最小。为此对
y系求导：
包括刀具切削部、装夹部的制造误差及刀具安装误差 ① 定尺寸刀具 刀具尺寸精度直接影响工件尺寸精度 ② 成形刀具 ③ 展成刀具 ④ 一般刀具 刀具形状精度直接影响工件形状精度 刀刃形状精度会影响工件加工精度 制造精度对工件加工精度无直接影响
刀具的尺寸磨损
初期磨损、正常磨损和剧烈磨损 三个阶段。
刀具的尺寸磨损量计算：
主轴回转误差 机床的几何误差 导轨误差 传动链误差 定尺寸刀具 成形刀具 展成刀具 一般刀具
刀具的几何误差
夹具的几何误差
（1）机床的几何误差
1)主轴回转误差 (a)径向圆跳动
在采用滑动轴承结构的主轴：
主轴颈的圆 度误差对主 轴径向回转 精度影响较 大。
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；
k机床＝Fp / y机床 y机床＝Fp / k机床
工艺系统刚度主要取决于薄弱环节的刚度。
2）机床刚度
y机床 y主轴 y刀架 y尾座
k主轴＝ k尾架＝ k刀架＝ Fp 2 y主轴 Fp 2 y尾架 Fp y刀架
机床的刚度取决于部件的刚度。
（2）工艺系统刚度对加工精度的影响
常见的几种工艺系统中其低刚度环节所在位置:
运用高等数学求极大值和极小值计算方法．
y系 Fp [
y系min
1 k刀架

lx 2 1 x 2 （ ） （ ）] k主轴 l k尾座 l 1
Fp k主轴 k尾座
y系max Fp k刀架 Fp k尾座
Fp k刀架
在图示条件下由于工艺系统刚度随刀架位置变化产生的加工 误差：
为0.02mm。选用刀具材料YT15(单位磨损量 8.5μm， 初始磨损量 为4μm，初始磨损长度为500m )，进给量
f1
=0.32mm/r，
试计算由于刀具磨损所产生的圆柱度误差是否超差？
解：由题意知采用YT15车刀： 切削路程为:
3.14159 100 2100 L 2061.67 m 1000 f 1000 0.32
第4章 机械加工质量及其控制
第1节 机械加工精度概述
1、产品制造质量
零件制造质量、产品的装配质量
加工质量指标分加工精度和加工表面质量
2、机械加工精度
（1）加工精度与加工误差 加工精度： 实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想 几何参数的符合程度。
加工误差：实际几何参数对理想几何参数的偏离程度。
1）理想几何参数 对于尺寸，是图样规定尺寸的平均值，如40+0.2+0.1mm的 理想尺寸就是40.15mm； 对于形状和位置，则是绝对正确的形状和位置，如绝对的 圆和绝对的平行等等。 2）“加工精度”和“加工误差” 生产实际中用控制加工误差的方法来保证加工精度。 是由零件图样或工艺文件以公差 T 给定的，而加工误差 则是零件加工后的实际测得的偏离值Δ 。 （2）零件的几何参数 1)尺寸精度
车刀尺寸磨损量为:
L 2061.67 500 NB B 0 (4 8.5) 17.3 μm 1000 1000
dl
全长的圆柱度误差为:
d 2 NB 2 17.3 34.6 μm 32μm
故圆柱度超差。
（3）夹具的几何误差
与夹具有关的影响位置误差因素 包括：
Fp CFp a p x f y HBS n
讨论：
每一件毛坯的形状误差(圆度、圆柱度、同轴度 等)都以一定的 复映系数复映成工件的加工误差，这是由于切削余量不均匀引起 的。
ε=Δ工 /Δ毛= C /k系 ε总是小于1，有修正误差的能力,在一般车削下，由于工 艺系统刚度比较高，复映系数远小于 1，在 2～ 3次走 刀以后，毛坯误差下降很快。 多次进给ε总=ε1ε2ε3… k系越大，ε就越小，复映到工件上的误差越小 C减小， ε就越小，应采取减小Fp的措施
镗孔：工件进给孔为椭圆形。
避免措施
提高主轴及箱体的制造精度、选用高精度的轴承、提高主轴 部件的装配精度、对高速主轴部件进行平衡、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
(a) 在水平面 内的直线度误 差 误差敏感方向
(b) 在垂直平面 内的直线度
ΔR ≈Δ22/D 设Δ2=
0.0266 mm
2）由于切削力变化引起的误差
Δ毛 = ap1 – ap2
Fp CFp a p
xFp
f
yFp
c K F
nFp
p
Δ工 = y1 – y2
误差复映系数ε=Δ工 /Δ毛

Fp1 Fp2 k系 a p1 a p2 ) （ CFp f
yFp

c K F
nFp
p
k系

பைடு நூலகம்
C k系
y系
令
2Fp x k尾座l
2

2Fp (l x) k主轴l 2
y系 0
x k尾座
x
lx ( )0 k主轴
50000l l 100000 50000 3
最小（即系统刚度最大）：
k尾座l k主轴 k尾座
所以
l 当 x3 时
y系
y系 min
Fp k刀架
轴承内表面 的圆度误差 对主轴径向 回转精度影 响较大。
采用滚动轴承结构主轴：
车床：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； 镗床：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。
(b)轴向窜动 主要原因: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。 (c)角度摆动 车削：外圆或内孔有锥度误差；
导轨扭曲引起的加工误差
δ
（d）导轨与主轴回转轴线的平行度误差
若车床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差， 车出的内外圆柱面就产生锥度；若在垂直面内有平行度误 差，则圆柱面成双曲线回转体,因是误差非敏感方向故可 略。
（e)导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。可采用耐磨 合金铸铁、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨、导轨表面淬火等 措施提高导轨的耐磨性。
（3）其它作用力的影响
1）重力影响
【例】龙门铣横梁 解决1：重量转移 解决2：变形补偿
龙门铣横梁变形
龙门铣横梁变形转移
龙门铣横梁变形补偿
2）夹紧力影响
【例1】薄壁套夹紧变形 解决：加开口套
3）惯性力的影响
（3） 减小工艺系统受力变形的途径
1）提高工艺系统刚度
a）提高工件和刀具的刚度 钻孔和镗孔、车削细长轴； 铣削杆叉类工件时在工件刚度薄弱处宜设置辅助支承等。 b）提高机床刚度
3）传动链误差
jn jn K j j
j 1 j 1
n
n
减少传动链误差的措施：
① 尽可能缩短传动链，减少传动元件数目； ② 尽量采用降速传动，误差被缩小；
③ 提高传动元件、特别是末端元件的制造和
装配精度；
④ 消除传动间隙；
⑤采用误差补偿机构或自动补偿装置。
（2）刀具的几何误差
正确地选用刀具材料和选用新型耐磨的刀具材料，合理地选 用刀具几何参数和切削用量，正确地刃磨刀具，正确地采用冷 却润滑液等，均可有效地减少刀具的尺寸磨损。必要时还可采 用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿。
10000.054 mm， 加工一合金钢管，其外径为
工件长度
l =2100mm，圆柱度公差在全长范围内
工艺系统的刚度在不同的加工位置上是各不相同的，当主轴箱 刚度与尾座刚度相等时，工艺系统刚度在工件全长上的差别最 小，工件在轴截面内几何形状误差最小。
在车床上加工短而粗的光轴（工件刚度相对于机床刚度大 得多），已知径向切削分力
Fp
=1000N，主轴刚度
k主轴
=100000N/mm，尾座刚度
k尾座
=50000N/mm，
工艺系统的总变形 y系为
y系 y机床 y刀具 y夹具 y工件
y系＝y刀架 yx
x y系＝y刀架 y主轴 [ y尾座－y主轴 ] l
作用在主轴箱上的力F主轴
作用在尾座上的力F尾座
lx F主轴＝Fp l x F尾座＝Fp l
x y系＝y刀架 y主轴 [ y尾座－y主轴 ] l 1 1 lx 2 1 x 2 Fp [ （ ） （ ）] k刀架 k主轴 l k尾座 l
例：具有偏心量 e= 1.5mm 的短阶梯轴装夹在车床三爪自定 心卡盘中分两次进给粗车小头外圆，设两次进给的复映系数 均为ε =0.1，试估算加工后阶梯轴的偏心量是多大？经几次 加工后偏心量为0.001 解： 第一次进给后的偏心量为： Δ工1 = εΔ毛 第二次进给后的偏心量为： Δ工2 = εΔ工1 = ε2Δ毛 =0.12×1.5mm =0.015mm 第n次进给后的偏心量为：Δ工n = εnΔ毛 n=?
0.1mm,
D=40mm，则 ΔR =0.00025mm
，可忽略不计。 除平面磨床、龙 门刨床。
(c)导轨间的平行度误差 垂直平面内有平行度误差(扭曲误差) ：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。
Δy
D ΔR α Y X
B
导轨间在垂直方向有平 行度误差δ 时，将使工 件与刀具的正确位置在 误差敏感方向产生 △ y≈(H／B) δ 的偏移 量，使工件半径产生 △ R＝△ y误差，对加 工精度影响较大。
c）采用合理的装夹方式和加工方式
2）减小切削力及其变化 合理地选择刀具材料、 增大前角和主偏角、对 工件材料进行合理的热 处理以改善材料的加工 性能等，都可使切削力 减小。
例：细长轴的车削: 用辅助支承提高工件刚度减少加工误差
利用中心架，缩短切削力作用点和支承点的距离可以提高工件的 刚度近8倍。
采用跟刀架也可提高工件的刚度。 后顶尖用弹簧活动顶尖，逆向进给消除热变形引起热伸长的危害。
在一般情况下： (a）对于车床， k主轴> k尾架> k刀架；车细长轴时， k工件为最小。 (b）对于卧式铣床，k升降台（固定） > k工作台> k主轴> k刀杆。 (c）对于镗床， k镗杆为最小。
(d）对于内圆磨床， k磨杆为最小。
1）由于工艺系统刚度变化引起的误差
车削外圆：
设工件和刀具的刚度很大，可以忽略不计。工艺系统刚度 k 系主要取决于机床刚度 k机。