制造工程基础-第7章机械加工精度

第七章：机械加工精度7.1加工精度的概念一、机械加工精度的含义及内容加工精度：零件加工后尺寸、形状及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。

加工误差：上述实际值与理想值之间的偏离程度。

加工精度在数值上通过加工误差的大小来表示，精度和误差是同一问题的两种不同的说法，两者的概念是相互关连的。

加工精度包括：尺寸精度实际尺寸与设计尺寸间的符合程度，如长度、直径精度等。

形状精度加工表面实际形状与理想形状的符合程度，如平面度、直线度、圆柱度等。

位置精度加工表面与其基准间的实际位置与理想位置的符合程度。

如平行度、垂直度、同轴度、位置度等。

二、机械加工误差分类1. 系统误差与随机误差系统误差：大小和方向均已掌握的误差。

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。

常值系统误差的数值是不变的。

变值系统误差是误差的大小和方向按一定规律变化，可按线性变化，也可按非线性变化。

随机误差：没掌握规律的误差。

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。

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。

2. 静态误差与切削状态误差静态误差：工艺系统在不切削状态下仍存在的误差。

例如机床的几何精度和传动精度等。

切削状态误差：仅在切削状态下所出现的误差。

如机床在切削时的受力变形和受热变形等。

7.2 工艺过程的精度保证1. 试切法操作工人在每一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，调整刀具再试切出一小段，直到达到尺寸要求后才加工这一尺寸的全部表面（图6－1）。

2. 调整法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。

调整法可以分主静调整法和动调整法两类：1）静调整法：在不切削的情况下，用对刀块或样件来调整刀具的位置。

又称样件法（图6-2、6-3）2）动调整法：直接测量试切零件的尺寸，可以试切一件或一组零件，所有试切零件合格，即调整完毕，可以进行加工。

动调整法又称尺寸调整法，3. 尺寸刀具法用定尺寸的刀具来加工，获得精度。

如钻头、镗刀块、拉刀及铰刀等。

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。

用成形刀具加工也属于这一类4. 主动测量法加工中，实时测量加工尺寸，达到要求时就立即停止加工，图6-4表示了在外圆磨床上进行主动测量的情况。

7.3加工误差产生的原因及提高精度的措施影响加工精度的主要因素有：机床受力变形、工件受力变形、机床导轨磨损、刀具的尺寸磨损和刀具的受热变形等，另外还有度量误差和对刀误差（调整误差）。

一、加工误差产生的原因（一）原理误差由于采用了近似的加工运动或者近似的刀具轮廓而产生的误差。

如在用滚刀切削渐开线齿轮、渐开线花键轴时，是利用展成法原理，滚刀切出的齿形是由各个刀齿轨迹的包络线所形成的，是一条近似的折线，如图6-5。

（二）工艺系统精度和磨损的影响工艺系统中机床、刀具、夹具本身的制造精度及磨损对工件的加工精度有不同程度的影响。

1. 机床精度的影响1）导轨误差导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是运动的基准，它的各项误差直接影响被加工工件的精度。

导轨在垂直平面内的弯曲对加工精度的影响就不大一样，小到可以忽略不计的程度。

如图6-6a 表示由于导轨在垂直面内位移量为δz ，引起工件上的半径误差δR 。

222()()R R z R δδ+=+忽略高阶小项，得：()22z R Rδδ= 即工件上的直径误差为：()2z D Rδδ= 图6-6 b 表示在水平面内的弯曲使刀尖在水平面内位移δy ，引起工件上的误差δR ′。

因 δR ′＝ δy ，所以在工件直径上的加工误差将为δD ＝2 δy 。

假设δy= δz=0.1mm ，D=40mm ，则可见δR ′比δR 大400倍。

这就是说，在垂直面导轨的弯曲对加工精度很小，可以忽略不计；而在水平面内同样大小的导轨弯曲就不能忽视。

2）主轴误差在运转的情况下主轴轴心线和定位端面位置的稳定性。

主轴的回转精度不但和轴部件的制造精度（包括加工精度和装配精度）有关，而且还和受力后主轴的变形有关，并且随着主轴转速的增加，还需要解决主轴轴承的散热问题。

在主轴部件中，由于存在着主轴轴颈的圆度误差、同轴度误差、轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴的挠度和支承端面对轴颈轴心线的垂直度误差等原因，主轴在每一瞬时回转轴心线空间位置都是变动的。

主轴的误差的四种基本形式：纯径向跳动、纯角度摆动、纯轴向窜动和轴心漂移（图6－7）。

实例：镗孔径向跳动的影响：镗轴旋转，工件不转（图6－8）。

20.10.00025400.1400R mm R mm Rδδδ=='==设由于主轴纯径向跳动而使主轴轴心线在y 坐标方向上作简谐直线运动，其频率与主轴每秒钟的转数相同，振幅为A ；再设主轴中心偏移最大（等于A ）时，镗刀尖正好通过水平位置1.则当镗刀再转过一个ϕ角时（位置1’），刀尖轨迹的水平分量和垂直分量各为：上式是个椭圆方程式即镗出的孔成椭圆形。

主轴的纯轴向窜动对于孔加工和外圆加工并没影响，但在加工端面时，造成端面与内外圆不垂直，主轴每转一周，就要沿轴向跳动一次，向前窜动的半周中形成了右螺旋面，向后窜动的半周中形成了左螺旋面（如图6-10），最后切出了如同端面凸轮一般的形状，而在端面中心附近出现一个凸台。

在这种情况下车削螺纹，也必然会产生单个螺距内的周期误差。

2222cos cos ()cos sin 1()y A R A R z R y z R A Rϕϕϕϕ=+=+=+=+2. 刀具精度和磨损的影响定尺寸刀具：制造精度影响加工尺寸精度，如钻头、扩孔钻、铰刀、镗刀块和圆孔拉刀等，这些刀具磨损后加工尺寸就会产生变化，而且其中某些刀具难以修复或补偿。

其它刀具精度不会影响加工尺寸，如车刀、立铣刀、镗刀等，主要靠刀具位置的调整（即对刀）来保证。

砂轮的磨损比一般金属切削刀具大得多，砂轮的磨损与其硬度有关。

在外圆磨床上，由于砂轮直径一般都比较大，砂轮的磨损对工件尺寸精度、形状精度影响较小，而对于内圆磨床，由于砂轮直径较小，砂轮磨损对工件精度的影响就比较大，因此在精密外圆磨床、精密内圆磨床、齿轮磨床及花键磨床上多有砂轮补偿机构，砂轮修整后及时进行尺寸补偿。

修整砂轮的装置有时采用定时自动修整并及时补偿的联合机构。

为了减少刀具尺寸磨损对加工精度的影响，可以采取如下措施：1）进行尺寸补偿。

在数控机床上可以比较方便地进行刀具尺寸补偿，它不仅可以补偿尺寸磨损，而且可以补偿刀具刃磨后的尺寸变化，如棒铣刀、圆盘铣刀等。

2）采用合理切削用量，不使刀具过快磨损。

3）选用耐磨性较高的刀具材料，如涂层刀具、陶瓷、立方氮化硼等。

3. 夹具的制造精度和磨损夹具的制造精度主要表面在定位元件、对刀装置和导向元件等本身的精度以及它们之间的相对位置精度。

定位元件确定工件与夹具的相对位置，对刀装置和导向元件确定刀具与夹具的相对位置，通过夹具就间接确定了工件和刀具之间的相对位置，从而保证了加工精度。

夹具中定位元件、对刀装置和导向元件的磨损会直接影响加工精度。

（三）工艺系统受力变形对加工精度的影响1. 刚度的概念工艺系统中机床、刀具、夹具及工件等在受到切削力、传动力、惯性力、重力、夹紧力和内应力等作用时会产生弹性变形，当超过弹性变形极限后会产生塑性变形，工艺系统的变形一般都属于弹性变形。

刚度是物体受力后抵抗外力的能力，也就是物体在受力方向上产生单位弹性变形所需要的力yF K y =式中：N y F Y y mm —方向的外力，；—在受力方向上的变形，。

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。

yy G F = 物体在受力后产生变形，力和变形之间的关系不一定是线性的，上述刚度是指平均刚度， 瞬时刚度：物体受力的增量与该方向上产生的变形增量的比值。

yF k y ∆=∆在工艺系统中，往往一个方向的力同时产生几个方向的变形，如图6－14所示。

因此工艺系统的变形具有复合性。

2. 刚度曲线及影响刚度的因素1）工艺系统的变形曲线（1）加载变形曲线：非线性图6－15表示了一台机器或一个部件的加载变形曲线，可以明显地看出，载荷和变形不成线性关系，而成曲线关系，这主要是由于接触变形的影响，也可能有刚度很差的零件存在。

这类变形曲线又可以分为两类，一是凹形曲线（a），一是凸线（b）。

凹形曲线的特点是开始变形很大，逐渐刚度变好；而凸形曲线的特点是开始刚度好，随着载荷的加大，刚度愈来愈差。

（2）正反加卸载变形曲线：不重合图6－16表示了某一结构正反加卸载变形曲线。

先在正方向加载，得加载变形曲线，然后卸载，得到卸载曲线，可见两条线不重合，产生类似“磁滞”现象，这主要是由于接触面上的塑性变形，零件位移时的摩擦力消耗以及间隙的影响。

同理在反方向加载和卸载，又可得到加载变形曲线和卸载变形曲线，两者也不重合，同时整个加卸载过程最后不回原点，最终最大间隙为y。

2）影响工艺系统刚度的因素（1）接触面的表面质量接触面间的变形与零件的表面粗糙度、几何形状、接触面积大小及材料的物理机械性质有关。

如图6－18所示，接触变形中包括弹性变形和塑性变形两部分，卸载弹性变形可恢复,而塑性变形不可恢复，这是造成加载与卸曲线不重合的原因之一。

（2）系统存在薄弱环节—刚度较差的零件机器或部件中，经常采用镶条、键等联结零件。

这些零件本身的刚度很差，极易变形，使整个系统刚度变差，变形曲线成凹形。

（3）连接件夹紧力的影响机器和部件中的许多零件是用螺钉等连接起来的，当外加载荷方向与螺钉的夹紧力方向相反时，开始载荷小于螺钉所形成的夹紧力，这时变形较小，刚度较高；当载荷大于螺钉所形成的夹紧力时，螺钉将变形，因此变形较大，刚度较差，所以有连接件的一引动结构中，多出现凸形变形曲线。

（4）摩擦力的影响在加载时，零件间外摩擦力阻碍零件的间隙位移，材料内摩擦力阻碍变形增加；在卸载时，外摩擦力阻碍零件的间隙恢复，内摩擦力阻止变形减小。

但摩擦力总是会造成能量的消耗，因此使得加载曲线与卸载曲线不重合。

（5）间隙的影响在机器或部件上进行正向加载，由于间隙的存在，当载荷大于零件间的摩擦力时就会产生位移。

反向加载时也是一样。

因而造成正向加载曲线的起始点与反向卸曲线的终结点不重合。

3）工艺系统刚度及其组成工艺系统的受力变形等于机床、刀具、工件及夹具的受力变形之和。

因此工艺系统的柔度就等于机床、刀具、工件及夹具的柔度之和。

G G G G G =+++刀具系统工件夹具机床用刚度来表示，就有11111K K K K K +++刀具系统工件夹具机床＝3. 切削力对加工精度的影响工艺系统受切削力的作用将产生变形，当切削力变化时造成变形量的变化，因此将会影响工件的尺寸精度、形状精度及位置精度。