1、第五章 机械加工精度,学习目的与要求,（1）掌握机械加工精度的概念以及加工精度与加工误差的关系（2）熟悉工艺系统的原始误差种类及其对加工精度的影响，（3）掌握加工误差问题的综合分析与解决（4）掌握加工误差的基本计算方法（5）熟悉提高和保证加工精度的途径、常用方法,主要内容,第5章 机械加工精度5.1 机械加工精度概述5.2 工艺系统的制造精度和磨损对工件精度的影响5.3 工艺系统的受力变形及其对工件精度的影响5.4 工艺系统的热变形及其对工件精度的影响5.5 保证和提高加工精度的途径5.6 加工误差的统计分析法5.7 点图分析法5.8 质量管理图,一、精度的概念 加工精度： 加工误差： 理想零
2、件参数：尺寸、形状、位置,5.1 机械加工精度概述,(几何精度),机床的分类概述机床的传统分类方法：按加工性质和所用的刀具进行分类。目前我国机床分为：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、锯床、其它机床、特种加工机床。, 5.1 机械加工精度的基本概念,（一）加工精度与加工误差,加工精度：指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状、位置） 与理想几何参数的符合程度。,加工误差：零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度 （它是具体的误差大小）。,普通车床CA6140,卧式铣床 立式铣床,立式钻床 摇臂钻床,卧式镗床外形,牛头刨床(Horizontal Sha
3、per),插齿(Gear Shaping)机,特种加工机床,二、获得加工精度的方法 1、 2、,零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。,尺寸精度：,1）试切法（刀尖）：即先试切出很小一部分加工表面，测量试切所得的尺寸， 按照加工要求适当调整刀具 切削刃相对工件的位置，再试切，再测量， 如此经过二三次试切和测量，当被加工尺寸达到要求后，再切削整个待加 工面（适合单件小批）；,2）定尺寸刀具法：具有一定尺寸精度的刀具（如铰刀、扩孔钻、钻头等） 来保证被加工工件尺寸精度的方法；,3）调整法（刀尖）：利用机床上的定程装置、对刀装置或预先调整好的刀架， 使刀具相对机床或夹具满足一定的位置精度要
4、求，然后加工一批工件。这种 方法需要采用夹具来实现装夹，加工后工件精度的一致性好。,4）自动控制法：使用一定的装置，在工件达到要求的尺寸时，自动停止加工。 分为自动测量和数字控制两种，前者机床上具有自动测量工件尺寸的装置， 在达到要求时，停止进刀；后者是根据预先编制好的机床数控程序实现进刀的。,试切法加工,调整法加工,定尺寸刀具法加工,2. 形状精度：,轨迹法：利用切削运动中刀具刀尖的运动轨迹形成被加工表面的 形状。这种方法的所能达到的精度，主要取决于这种成形运动的 精度。,2)成形法；利用成形刀具切削刃的几何形状切出工件的形状。这种 方法所能达到的精度， 主要取决于切削刃的形状精度和刀具的装
5、 夹精度。,3) 展成法（包络）：利用刀具与工件作展成切削运动，切削刃在被 加工面上的包络面形成的成形表面。这种加工方法所能达到的精 度，主要取决于机床展成运动的传动链精度与刀具的制造精度。,轨迹法加工,成形法加工,展成法加工,3、,例：用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮齿面母线渐开线，展成法，需一个复合成形运动，分解为滚刀旋转B11和工件旋转B12，它们之间保持严格的相对运动关系：滚刀每转1/K（K滚刀头数）转（B11），工件转过1/Z（Z齿轮齿数）转即一个齿（B12）；导线直线，相切法，需2个独立的成形运动，即滚刀旋转运动和滚刀沿工件轴向移动A2。其中滚刀的旋转运动与展成运动的一部分B11重合；
6、（滚刀旋转B11是主运动，工件旋转B12和滚刀沿工件轴向移动A2都是进给运动） 故成形运动的总数只有2个：一个是复合成形运动（B11和B12），另一个是简单成形运动A2。,工件的定位过程可以由操作者直接在机床上利用千分表、划线盘等工具，找正某些有相互位置要求的表面，然后夹紧工件，称之为直接找正安装。,1.直接找正；,3、,2.划线找正（钳工手工作业）,是指按图纸要求在工件表面上划出位置线以及加工线和找正线，安装工件时，先在机床上按找正线找正工件的位置，然后夹紧工件。例如：要在长方形工件上镗孔，可先在划线平台上划出孔的十字中心线，再画出加工线和找正线（加工线和找正线之间的距离一般为5毫米）。然后
7、将工件安放在四爪单动卡盘上轻轻夹紧，转动四爪单动卡盘，用划针检查找正线，找正后夹紧工件。特点：划线安装不需要其它专门设备，通用性好，生产率低，精度不高（一般划线找正的对线精度为0.1mm左右），适于单件、小批量生产中复杂铸件或者铸件精度较低的粗加工工序。,四爪单动卡盘,1-卡盘体 2-卡爪 3-丝杆,三、影响加工精度的因素 1、原理误差：采用近似加工原理或近似刀具切削刃形状 2、安装误差：定位误差、夹紧误差、夹具本身误差 3、调整误差：调整方法与调整时的测量误差等 4、测量误差：量具本身、方法、温度 5、工艺系统的制造精度和磨损 6、工艺系统的受力变形 切削力、传动力、重力、离心力、夹紧力 7
8、、工艺系统的受热变形 切削热、环境、运动、电机,原始误差,5-2 工艺系统的制造精度和磨损 对加工精度的影响,一、机床主轴的回转精度及其对工件精度的影响 1、主轴回转精度的概念 回转动态过程 理想回转中心：在主轴的任一界面上有一点O其速度始终为V0 瞬时回转中心：实际存在的一个变动的回转中心 瞬时回转轴线：各瞬时回转中心连线 t时间，转角,瞬时回转中心相对于理想回转中心的位置变动量,误差敏感方向：过刀具尖点且与已加工表面垂直的方向（此点处即 工件加工表面的法线方向）。,例：车床加工外圆时误差敏感方向的分析,误差敏感方向：经过刀具刀刃的切削点又垂直于已加工表面的方向。误差敏感方向上的误差对工件加
9、工精度影响很大，而垂直于该方向的误差则影响很小。主轴回转精度：主轴回转轴线在回转时相对其平均轴线的变动量在误差敏感方向的最大位移值。,径向跳动,轴向跳动,摆动,- 瞬时回转轴线,-平均回转轴线,主轴回转误差，一般讨论时可分解为：,主轴径向跳动：它对工件的圆度影响最大;,主轴轴向窜动：它对工件的端面和螺纹的螺距影响最大;,主轴的角度摆动：它对工件形状，端面平面度等有影响。,影响主轴回转误差的因素，主要有：,1).主轴箱体上的主轴孔的圆度及同轴度；,2).主轴轴承精度；,3).主轴支承轴颈的圆度，止推面与轴线的垂直度；主轴挠度 （轴线不垂直度）；,4).主轴部件的装配精度和预紧。,2、主轴回转精度
10、的分析主轴径向跳动分析 滑动轴承 轴颈圆度、轴瓦内孔圆度及其配合,工件回转类,刀具回转类,主轴几何轴线径向跳动产生的加工误差,轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大；,主轴轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大；,1.主轴回转轴线2.主轴几何轴线,同轴度误差,顶尖车外园：掉头两段同轴度误差,滚动轴承此外，造成主轴轴向窜动的原因,轴承间隙对主轴轴线位置的影响,推力轴承端面跳动的影响,定圈和动圈只要一个没有端面跳动,接触点为误差 的变化，取决于B滚动轴承与上述类似，同时滚动体影响,A滑动,轴串动取较小值,主轴回转轴线的轴向跳动将产生加工端面的平面度误差,主轴轴向跳动引起的加工误差,1.端
11、面变成螺旋面；2.对螺距影响大,3、主轴回转精度的测量 表测法 双向测量法（捷克VUOSO）刀具回转 当没有回转误差时，间隙变化为 示波器上为,示波器上光点的向径 为常数。当主轴有偏差时示波器上，向径为,坐标变换，使x与e重合 是 与 的和，即示波器银屏变化 不能反映误差，只有e=0 或 才能真正反映。李沙育图，其半径差为主轴回转精度。,这种方法适合刀具回转型机床的主轴回转精度测量，如镗，而不适合车床,测量镗床主轴回转精度,钢球安装偏心对测量的影响,单向测量法（美国LRL法） 测定车床主轴回转精度的方法,误差敏感方向为Y方向,等偏心互相为90度的圆盘，目的是产生示波器上的基园,传感器传感器 K
12、0K传感器示波器输入信号向径为当 S=0 时，当 S0 时,放大K倍,放大K0倍,4、获得高圆度工件的方法 高精度主轴车床。 可高达0.05微米 补偿 使主轴误差不反映到工件上,造成园度与不同轴度误差,二、直线运动精度对工件精度的影响 1、机床导轨精度指标 运动在水平面内的直线度 运动在垂直平面内的直线度 前后导轨的平行度（扭曲） 2、机床导轨误差对加工精度的影响 普通车床 水平面直线度：1：1 影响纵截面形状 垂直面直线度：属误差不敏感方向，影响较小 扭曲影响：可分解为水平、垂直,图5-5 卧式车床导轨水平、垂直面内直线度误差,车床导轨扭曲对工件形状的影响,机床导轨的磨损，主要影响到水平面内
13、直线度。,卧式车床导轨水平、垂直面内直线度误差、导轨扭曲加工精度的影响,外圆磨床：与车床相同。但由于要求高，不提高导轨、工作台定位面精度要求，采用工作台转角调整抵消龙门刨床：就地刨镗：,3、导轨运动误差的来源新机床导轨的制造精度磨损材料表面处理，润滑安装精度地基， 找正三、机床的几何精度对加工精度的影响 几何精度各成形运动在空间的相互位置准确性 车外圆,误差具体形状具体分析,车端面回转轴线与导轨不垂直凸面，凹面镗孔铣平面滚齿机,四、机床的传动精度及对加工精度的影响 1、机床传动精度分析,指传动链始末端允许的相对转角误差，一般用末端元件的实际转角与传动链理论转角之差来表示。（图5-13 Y318
14、0型滚齿机传动链图）,3.传动链误差：,主要指内传动链误差，由于内传动链需要传递准确的运动关系，即保证准确的传动比。如车床上加工螺纹，滚齿机上的展成传动链。,(1)外联系传动链：运动源执行件 联系动源和机床执行件，使执行件得到运动，并能改变运动的速 度和方向，但不要求动源和执行件之间有严格的传动比关系。 例如：车螺纹时，从电机到车床主轴的传动链就是外联系传动键，它只决定车螺纹速度的快慢，而不影响螺纹表面的成形。,外联系传动链,(2)内联系传动链：执行件执行件 联系复合运动之内的各个分解部分，传动链所联系的执行件相互之间的相对速度（及相对位移量）有严格的要求，用来保证运动的轨迹。例如：车螺纹时，
15、为保证所需螺纹的导程大小，主轴（工件）转一周时，车刀必须沿工件轴向移动一个导程。联系主轴刀架之间的螺纹传动链，就是一条传动比有严格要求的内联系传动键。,五、机床的定位精度对工件精度的影响 定位精度：工作台从一个位置移动到另一个位置的准确度 1、进给机构的传动精度 主要取决于选用的进给机构型式及进给机构的传动精度,齿轮轮系与丝杠,2、进给与测量分开时的测量精度 避免进给系统磨损误差但被测的与实际的不在一条直线上产生的误差3、爬行误差 解决办法,六、刀具、夹具、量具的制造精度和磨损对工件影响 1、刀具的制造精度和磨损的影响 尺寸刀具和成形刀具的制造精度和尺寸磨损对加工精度的影响 钻头、绞刀、镗刀块
16、、拉刀影响尺寸磨损后不能重修复 滚刀、插刀、成形车刀影响形状重磨 一般刀具的磨损对加工精度的影响 如车刀、镗刀、铣刀等，制造精度不会影响加工尺寸，但磨损则产生影响,一：起始磨损，非线性 二：正常磨损，三：快速（剧烈）磨损,三个阶段,减少影响方法,砂轮的磨损及修复（快、与硬度有关）2、夹具的制造精度和磨损 夹具的制造精度和磨损影响工件的精度3、量具 测量误差为工件公差的 ，最多,5-3 工艺系统的受力变形及其对工件精度的影响,一、基本概念 1、变形现象,车棒,车长轴,磨孔,2、概念 刚度：物体或构件受外力后抵抗变形的能力 工艺系统的刚度：在误差敏感方向上的分力py与在此方向上刀具对工件的变形（位
17、移）量y的比值 静刚度：在静态条件下静力与变形的比值 动刚度：某一频率范围内产生单位振幅所需的激振力幅值,工艺系统的刚度,定义：作用在工件上误差敏感方向上（Y）的径向切削分力Fy与 工艺系统（车床、刀具、工件、夹具）在该方向上的总变形之比。,是Fx（走刀），,是（径向），,综合作用下沿Y方向的变形量。,（垂直），,图5-18 刀架在不同方向切削力作用下的变形,（串联系统）,图5-26 工艺系统受力变形随施加力点的变化而变化的情况a)内圆磨床 b)单臂龙门刨床 c)卧式镗床，镗杆进给 d)工件进给,二、机床部件刚度特点及影响因素,车床刚度的单向静测定,1.百分表；2.测力环；3.加载器;4.加载
18、螺钉；5.刀架；6.心轴,1、部件变形过程与刚度曲线特点 （1）加载变形曲线不成线性 有预紧力，当载荷 有刚性很差的零件，当该 大于力时，K变小 零件变形减小时，K增大 （2）正反加卸载变形曲线 不重合,塑性变形摩擦力等消耗能量,（2）正反加卸载变形曲线 不重合 （3）多次重复加载变形曲线 第一次加载“磁滞”现象严重，以后减小 加、卸载曲线接近，起始点重合,塑性变形摩擦力等消耗能量,（4）部件刚度曲线特点 力和变形不是直线性，不符合胡克定律部件变形不纯粹是弹性变形 加载与卸载曲线不重合 当载荷去除后，变形不能恢复原点有塑性变形。反复加载后，残余变形减到0，重合 部件刚度远比想象小,2、影响部件
19、刚度的因素 接触变形 个别薄弱环节 连接夹紧力的影响 摩擦力 间隙影响 变形的复合性,两零件接触面接触情况,间隙对刚度影响曲线,机床刚度中薄弱环节,刀架镶条接触情况差,主轴锥孔有中凸情形,三、工艺系统的刚度 工艺系统总变形及合成刚度为 而因此，有,四、工艺系统受力变形对加工精度的影响 1、由于切削力产生的系统变形对加工精度的影响 （1）由于切削点位置的变化引起的刚度、变形变化而产生的形状误差 工件短粗，刚度高鞍形,P尾,力：位移：,此时刀架变形为因此， 当 当 当,工件细长鼓形 和 时， 时，最大，为,刚度在该工件轴向的各个位置是不同的加工后工件各横截面的直径尺寸也不同形状误差（锥度、鼓形、鞍
20、形等）,（2）由于工件加工余量不均或其他原因 导致切削力变化变形变化引起形状尺寸误差 对于椭圆毛坯：切深大力大变形大椭圆,A-毛胚形状B-加工后的零件,毛坯的形状误差，圆度、圆柱度、平面度等都以一定误差复映成工件的加工误差，这是由余量不均引起的 采用多次走刀减小误差复映调整法加工时，毛坯大小不一工件尺寸分散计算误差复映,误差复映,图5-27 车削时的误差复映,机理：由于工件存在形状误差，如椭圆，刀具在长、短轴位置的背吃刀量,不同，,切削力,相对位置改变，走刀后工件产生与原有形状相似的误差。,也随之不同，工艺系统的变形不同，使刀具与工件间,毛坯圆度误差,，工件加工后圆度误差,则：误差复映系统,为
21、：,（5-11）,其实质是机床刚度不足引起的让刀,（5-12）,让刀变形,式中：,与刀具前角等切削条件有关的系数；,进给量；,背吃刀量；,工件材料的布化硬度；,指数。,在一次走刀加工中，材料、进给、切削条件不变，令,车削加工中，,则,(5-15),减小误差复映的措施：,a,提高工艺系统的刚度，(5-15),b,多次走刀，,，其乘积,更小(5-11),C,，,，也可使,(5-11),2、由于夹紧力、重力等产生的系统变形对加工精度影响 （1）由于工件的夹紧变形引起的加工误差,床身导轨面,应用,薄板零件的磨削,垫入薄橡皮,（2）由于重力所引起的加工误差,重力引起机床变形,五、由于内应力产生变形对加工
22、精度影响 内应力：零件在没有外加载荷作用下，加工后内部存在的应力成为残余内应力，称为。 工件在铸、锻、切削后内部应力相互平衡 一旦外界条件变化平衡破坏变形,1、内应力的产生 毛坯：工件壁厚不均 工件切削内应力 热处理 校直2、内应力的减少和消除法 时效处理：天然、人工 铸、锻件结构，应壁厚均匀，不能差太多 零件的结构主要考虑刚度问题 机械加工时，注意减少切削力 尽量不采用冷校直,六、机床刚度的测定 1、机床刚度的静测定法 单向加载测定法：不能反映切削状态；只加载 力，而 都对刚度有影响 三向加载测定法：三向加载，三向测力,1.前顶尖；2.接长套筒；3.测力环;4.弓形加载器；5.定位杆；6.模
23、拟车刀,2、用生产法测定车床刚度按误差复映原理进行的,3、接触刚度的测定,七、提高工艺系统刚度的措施 1、选用合理的零部件结构和断面形状 封闭式箱型结构、空心结构（断面面积不变）,龙门刨床横梁的结构,2、提高连接表面的接触刚度 提高连接面几何形状精度降低表面粗糙度，施加预载荷3、采用正确的装夹方式4、提高加工时刀具的刚度 悬伸短、刀杆、导向套、导向杆5、减小接触面 6、工件刚度低时，缩短切削力与支承点的距离 车中心架、跟刀架,颠覆力矩小,5-4 工艺系统热变形及对加工精度的影响,一、工艺系统热源与热平衡 1、工艺系统热源2、工艺系统热平衡 散出热量=传入热量热平衡温度不变变形稳定,大型工件加工和精密、超精密工件的加工中有突出的影响，有时可占加工误差的40%70%。,工件热变形,1.均匀受热变形，,，,L， mm,，1/(热膨胀系数，,)。,钢,例：400mm丝杠5级精度，螺距累积不许超过1是不出现不合格品的必要条件Cp1和EE允是充分条件,（2）不合格品率的确定（3）误差性质的判断,左全合格右全合格,5-7 点图分析法,点图的各种形式,5-8 质量管理图,一、管理图 三条线，中心线、上控制线、下控制线 两条线，中心线、上控制线二、控制线的确定 画控制线的依据： 控制图 控制图,图,
