第二节影响机械加工精度的因素

刀具的尺寸磨损量可用下式计算
NB
NB0
K NB l
1000
l0
NB0
K NBl 1000
4 2
选用新型耐磨刀具材料，合理选用刀具
几何参数和切削用量，正确刃磨刀具，正确
采用冷却润滑液等，均可减少刀具的尺寸磨
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。
（三）夹具的几何误差 图 夹具的作用是使工件相对于刀具和机床
占有正确的位置，夹具的几何误差对工件的 加工精度（特别是位置精度）有很大影响。 在图4－9所示钻床夹具中，影响工件孔轴线 a与底面B间尺寸L和平行度的因素有：钻套 轴线与夹具定位元件支承平面C间的距离和 平行度误差；夹具定位元件支承平面C与夹 具体底面d的垂直度误差；钻套孔的直径误 差等。
在设计夹具时，对夹具上直接影响工件 加工精度的有关尺寸的制造公差一般取为工 件上相应尺寸公差的1／2－1／5。
一、工艺系统的几何误差 （一）机床的几何误差 加工中，刀具相对于工件的成形运动，
通常都是通过机床完成的。工件的加工精度 在很大程度上取决于机床的精度。
机床制造误差中对工件加工精度影响较 大的误差有：主轴回转误差、导轨误差和传 动误差。
1．主轴回转误差
机床主轴是用来装夹工件或刀具，并将 运动和动力传给工件或刀具的重要零件，主 轴回转误差将直接影响被加工工件的形状精 度和位置精度。
夹具元件磨损将使夹具的误差增大。为 保证工件加工精度，夹具中的定位元件、导 向元件、对刀元件等关键易损元件均需选用 高性能耐磨材料制造。
二、装夹误差 装夹误差包括：定位误差、夹紧误差。 （一）定位误差 图 定位误差：因定位不正确而引起的误差。 定位误差的产生：是由于定位基准与工
序基准不重合以及定位面和定位元件制造不 准确而引起。
（2）轴向圆跳动：图4-2b）是主轴回转 轴线沿平均回转轴线方向的变动量。
车端面时它使工件端面产生垂直度、平 面度误差。产生轴向国跳动的原因是主轴轴 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。
（3）角度摆动：图4-2c）主轴回转轴线 相对平均回转轴线成一倾斜角度的运动。车 削时，它使加工表面产生圆柱度误差和端面 的形状误差。
（二）工艺系统刚度对加工精度的影响
1．加工过程中由于工艺系统刚度发生
变化引起的误差 图
x
y系 y刀架 yx y刀架 y主轴 y尾座 y主轴 l
lx
F主轴 Fp xl
F尾座 Fp
y系 y刀架 y 例
l
x
Fp
1 k刀 架
1 k主 轴
l
l
x
2
1 k尾 座
x l
2
2．由于切削力变化引起的误差 加工过程中，由于毛坯加工余量和工件 材质不均等因素，会引起切削力变化，使工 艺系统变形发生变化。从而产生加工误差。 误差复映现象： 图 车削一具有锥形误 差的毛坯，加工表面上必然有锥形误差；待 加工表面上有什么样的误差，加工表面上必 然也有同样性质的误差，这就是切削加工中 的误差复映现象。
三、工艺系统受力变形引起的误差 （一）工艺系统刚度 图 1．工艺系统刚度 机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧
力、传动力、惯性力和重力等的作用下，将 产生相应变形, 使工件产生加工误差。工艺系 统在外力作用下产生变形的大小，不仅取决 于作用力的大小，还取决于工艺系统的刚度。
垂直作用于工件加工表面的背向力与工
k刀 具 Fp / y刀 具 ， k夹 具 Fp / y夹 具 ，
k工 件 Fp / y工 件，将它们代入上式得
1 1 1 1 1 k系 k机 床 k刀 具 k夹 具 k工 件
4 6
由式（4－6）知，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。若已
知各组成环节的刚度，即可由式（4－6）求
不同而不同。采用定尺寸刀具（例如钻头、铰 刀、键槽铣刀、圆拉刀等）加工时，刀具的尺 寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度。采用 成形刀具（例如成形车刀、成形铣刀、齿轮模 数铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的形状误 差和磨损将直接影响工件的形状精度。对于一 般刀具（例如车刀、健刀、铣刀等），其制造 误差对工件加工精度无直接影响。
例如：用三爪自定心卡盘装夹薄壁套简 镗孔时，夹紧前薄壁套筒的内外圆是圆的， 夹紧后工件呈三棱圆形；镗孔后，内孔呈圆 形；但松开三爪卡盘后，外圆弹性恢复为圆 形，所加工孔变成为三棱圆形，使镗孔孔径 产生加工误差。为减少由此引起的加工误差， 可在薄壁套筒外面套上一个开口薄壁过渡环， 使夹紧力沿工件圆周均匀分布。
图 刀具的尺寸磨损量NB是在被加工表面的 法线方向上测量的。刀具的尺寸磨损NB与切 削路程l的关系如图4－8所示。新刃磨刀具切 削初期，刀具磨损较剧烈，这段时间的刀具 磨损量称为初期磨损量NB；进入正常磨损阶 段后，磨损量与切削路程成正比，其斜率称 为相对磨损，相对磨损表示每切削1000m路 程刀具的尺寸磨损量；当切削路程 l l' 时， 磨损急剧增加，这时应停止切削。
（2）提高接触刚度 提高接触刚度是提 高工艺系统刚度的关键。减少组成件数，提高 接触面的表面质量，均可减少接触变形，提高 接触刚度。对于相配合零件，可以通过适当预 紧消除间隙，增大实际接触面积。
（3）采用合理的装夹方式和加工方法 提高工件的装夹刚度，应从定位和夹紧两个 方面采取措施。
2．减小切削力及其变化 改善毛坯制造工艺，减小加工余量，适 当增大前角和后角，改善工件材料的切削性 能等均可减小切削力。为控制和减小切削力 的变化幅度，应尽量使一批工件的材料性能 和加工余量保持均匀。
艺系统在该方向上的变形y的比值，称为工
工艺系统刚度K 系 （N／㎜）
k系 Fp / y
4 4
工艺系统在某一位置受力作用产生的变
形量 y系 应为工艺系统各组成环节在此位置
受该力作用产生的变形量的代数和，即
y系 y机 床 y刀 具 y夹 具 y工 件
4 5
根据刚度定义知：
k机床 Fp / y机床 ，
３ ． 传 动 链 误 差
图4-7 滚齿机传动系统图
图 传动链误差：是指传动链始末两端传动 元件相对运动的误差。一般用传动链末端元 件的转角误差来衡量。机床传动链误差是影 响表面加工精度的主要原因之一。
提高传动元件的制造精度和装配精度， 减少传动件数，均可减小传动链误差。
（二）刀具的几何误差 刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的
减少工艺系统变形的途径为：提高工艺系统 刚度；减小切削力及其变化。
1．提高工艺系统刚度 提高工艺系统刚度应从提高其各组成部 分薄弱环节的刚度入手，这样才能取得事半 功倍的效果。提高工艺系统刚度的主要途径 是：
（1）设计机械制造装备时应切实保证关键 零部件的刚度 在机床和夹具中应保证支承件 （如床身、立柱、横梁、夹具体等）。主轴部 件和传动件有足够的刚度。
得工艺系统刚度。工艺系统刚度主要取决于
薄弱环节的刚度。
2．机床刚度 机床结构较为复杂，它由许多零、部件
组成，其刚度值迄今尚无合适的简易计算方
法，目前主要还是用实验方法进行测定。
测得机床部件刚度 k 主 轴 、k 尾 座 、k刀 架
之后，就可以通过计算求得机床刚度。
y系
y刀 架
1 2
y主轴 y尾座
第二节 影响机械加工精度的因素
机械加工系统（简称工艺系统）的组 成：机床、夹具、刀具和工件。
影响加工精度的主要因素有： l）工艺系统的几何误差，包括机床、夹 具和刀具等的制造误差及其磨损。 2）工件装夹误差。 3）工艺系统受力变形引起的加工误差。 4）工艺系统受热变形引起的加工误差。 5）工件内应力重新分布引起的变形。 6）其他误差，包括原理误差、测量误差、 调整误差等。
（2）导轨在垂直平面内的直线度误差对 加工精度的影响
导轨在垂直平面内有直线度误差Δz时， 也会使车刀在水平面内发生位移，使工件半 径产生误差ΔR。与Δz值相比，ΔR属微小量， 由此可知，导轨在垂直平面内的直线度误差 对加工精度影响很小，一般可忽略不计。
（3）导 轨间的平 行度误差 对加工精 度的影响
提高主轴及箱体轴承孔的制造精度，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 导轨是机床中确定各主要部件相对位置 关系的基准。
（1） 导 轨在水平 面内的直 线度误差 对加工精 度的影响
导轨在水平面内有直线度误差Δy时，在 导轨全长上刀具相对于工件的正确位置将产 生Δy的偏移量，使工件半径产生ΔR=Δy的误 差。导轨在水平面内的直线度误差将直接反 映在被加工工件表面的法线方向（误差敏感 方向）上，对加工精度的影响最大。
工件的误差统计值。
当工件表面加工精度要求高时，须经多
次切削才能达到加工要求。第一次切削的复
映系数
1
加
工
表
面
1/
待
加
工
表
；第二次切削
面
的复映系数 2
加
工
表
面
百度文库
2/
加
工
表
面
，…，则
1
该加工表面总的复映系数
总 1 2 3 n
因每个复映系数均小于1，故总的复映
系数将是一个很小的数值。
（三）减小工艺系统受力变形的途径 由工艺系统刚度表达式（4－4）可知，
主轴回转误差：是指主轴实际回转轴线 相对其平均回转轴线的变动量。
主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向 圆跳动和角度摆动三种不同形式的误差。
（1）径向圆跳动：图4-2a）是主轴回转 轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量。 车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差 。
图产4生-3径向圆跳动误差的主要原因有：主 轴支承轴颈的圆度误差、轴承工作表面的圆 度误差等。
3）第一次卸载后，刀架恢复不到第一 次加载的起点，这说明有残余变形存在，经 多次加载和卸载后，加载曲线起点才和卸载 曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零。
4）部件实测刚度远比按实体结构估算 值小。
一个外形尺寸很大的刀架，它的实测平 均刚度值只相当于一个截面积较小的铸铁悬 臂梁的刚度，其原因在于刀架外形尺寸看起 来很大，但它是由许许多多零件组装而成， 零件间有间隙，结合面间有接触变形，由于 这些因素的影响，总的变形就大了。
定位误差 dw 的组成：由基准不重合误
差 jb 和定位副（含工件定位基面和定位元
件）制造不准确误差db 两部分组成。
定位误差 dw 值为上述两项误差在工序
尺寸方向上的代数和：
dw jb db
4 3
（二）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。
由刚度定义，上式可写为
Fp k系
Fp k刀 架
1 2
Fp
2k主
轴
Fp 2k尾 座
机床刚度与各组成部件的刚度的关系式为:
11 1 1 k机 床 k刀 架 4k主 轴 4k尾 座
分析上式可知，机床刚度取决于其组成 部件的刚度，并主要取决于薄弱部件的刚度， 提高机床刚度要从提高弱刚度部件的刚度人 手。
误差复映系数：加工前后误差之比值，称
为误差复映系数，它代表误差复映的程度。
分析式（4－11）可知ε与
k
成反比；
系
这表明工艺系统刚度愈大，误差复映系数愈小，
加工后复映到工件上的误差值就愈小。
尺寸误差和形位误差都存在复映现象。如
果我们知道某加工工序的复映系数，就可以通
过测量待加工表面的误差统计值来估算加工后
3．机床部件刚度 如图 是一台车床刀架部件的实测度曲 线图，曲线反映了三次加载、卸载过程中的 变形情况。分析图4－14所示刀架刚度试验 曲线可知，机床部件刚度具有以下特点； l）变形与载荷不成线性关系，曲线上 各点的实际刚度（各点斜率）是不同的，这 说明机床部件的变形不纯粹是弹性变形。
2）加载曲线和卸载曲线不重合，卸载 曲线滞后于加载曲线；两曲线所包容的面积 代表加载和卸载循环中消耗的能量，它消耗 于克服部件内零件间摩擦力和接触塑性变形 所做的功。
当前后导轨在垂直平面内有平行度误差 （扭曲误差）时，刀架将产生摆动，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。
导轨间在垂直方向有平行度误差时，将 使工件与刀具的正确位置在误差敏感方向产 生偏移量，使工件半径产生ΔR=Δy的误差， 对加工精度影响较大。
除了导轨本身的制造误差之外，导轨 磨损是造成机床精度下降的主要原因。选 用合理的导轨形状和导轨组合形式，采用 耐磨合金铸铁导轨、镶钢导轨、贴塑导轨、 滚动导轨以及对导轨进行表面淬火处理等 措施均可提高导轨的耐磨性。