1、机械制造工艺学,第二章 机械加工精度,主讲教师：何俊,加工精度的基本概念,工艺系统的几何误差,工艺系统的受力变形,工艺系统的热变形,残余应力引起的误差,加工误差的统计分析法,本章内容提要,加工精度的基本概念,加工精度：零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的符合程度。分为：尺寸精度；形状精度；位置精度；工艺系统：由机床、夹具、刀具和工件组成的系统。影响加工精度的因素原始误差：将工艺系统中能够直接引起加工误差的因素统称为原始误差,几何误差与工艺系统的初始状态有关的原始误差。动误差与加工过程有关的原始误差。,原始误差,加工原理误差,机床主轴回转误差,测量误差,工件的装夹误差,调整误差,刀具制造误差
2、,机床导轨导向误差,机床传动误差,刀具磨损,工艺系统受力变形,工件残余应力引起的变形,工件相对于刀具在静止状态下已存在的误差,工件相对于刀具在运动状态下已存在的误差,工艺系统受热的变形,加工精度的基本概念,工艺系统静误差,主轴回转误差 导轨误差 传动链误差,一般刀具 定尺寸刀具 成形刀具 展成法刀具,试切法 调整法,外力作用点变化 外力方向变化 外力大小变化,机床几何误差,工艺系统几何误差,原理误差,调整误差,测量误差,定位误差,工艺系统动误差,工艺系统力变形,工艺系统热变形,工艺系统内应力变形,刀具几何误差,夹具几何误差,机床热变形 工件热变形 刀具热变形,原始误差产生加工误差的根源,原始误
3、差产生加工误差的根源,原始误差产生加工误差的根源,原始误差与加工误差的关系,原始误差会影响刀具和工件间的正确几何关系，最终引起加工误差。各种原始误差的大小和方向各不相同，而加工误差必须在工序尺寸方向度量，因此不同的原始误差对加工精度有不同的影响。当原始误差方向与工序尺寸方向一致时，对加工精度的影响最大。,图2 原始误差与加工误差的关系,d,R,R+ R,R,切向误差 径向误差,原始误差与加工误差的关系(以车削为例),原始误差与加工误差的关系,误差敏感方向,误差敏感方向：对加工精度影响最大的原始误差方向。原始误差方向与工序尺寸方向相正交时，原始误差对加工方向的精度几乎没有影响。一般加工表面的法线
4、方向为误差敏感方向，而加工表面的切线方向为误差非敏感方向。通常在研究工艺系统的加工精度时，主要研究误差敏感方向的精度。,研究加工精度的方法,单因素分析法：研究某一确定因素对加工精度的影响时，不考虑其他因素对加工精度的影响，通过分析、计算或测试，得出该因素与加工误差间的关系统计分析法：以生产中一批工件的实测结果为基础，用数理统计方法进行数据处理，用以控制工艺过程的正常进行。当发生质量问题时，从中判断误差的性质，找出误差出现的规律（只用于批量生产）,机床的几何误差主轴回转运动误差,定义：指主轴的瞬时回转轴线相对其平均回转轴线（瞬时回转轴线的对称中心），在规定测量平面内的变动量。形式：端面圆跳动：瞬
5、时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动。它主要影响端面形状和轴向尺寸精度。径向圆跳动：瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动。它主要影响圆柱面的精度。角度摆动：瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动。它影响圆柱面和端面加工精度。,主轴回转误差的影响因素,主轴误差轴承误差轴承的间隙与轴承配合的零件的误差主轴系统的径向不等刚度和热变形,车床、外圆磨床,钻、铣、镗床,提高主轴回转精度的措施,提高主轴部件的制造精度和装配精度选用高精度滚动轴承采用高精度多油楔动压、静压轴承提高箱体支撑孔、主轴轴颈的加工精度对滚动轴承进行预紧采用运动和定位分离的主轴结构，使主轴的回转
6、精度不反映到工件上去。比如：采取两个固定顶尖支承，主轴只起传动作用，工件的回转精度完全取决于顶尖和中心孔的形状误差和同轴度误差，但提高顶尖和中心孔的精度却较容易。外圆磨床即是采用此种定位结构。,机床的几何误差导轨误差,导轨导向误差：指机床导轨副的运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差值。导轨误差的类型导轨在水平面内的直线度导轨在垂直面内的直线度前后导轨的平行度（即扭曲度）,导轨在水平面内直线度误差的影响,卧式车床在水平面内存在直线度误差Y ，如图，则车刀尖的直线运动轨迹也要产生直线度误差Y，从而造成工件圆柱度误差，R=Y，如图所示。水平方向是卧式车床加工误差对导轨误差的敏感方向外圆磨床的情况与
7、卧式车床类似平面磨床、龙门刨床、铣床的加工误差对导轨误差的敏感方向在铅锤方向上，故这些设备加工误差对导轨在水平面内的直线度误差不敏感。,导轨在垂直面内直线度误差的影响,卧式车床在垂直面内存在直线度误差Z，如左图，则车刀尖的直线运动轨迹也要产生直线度误差Z，从而造成工件圆柱度误差，R=Z2/(2R)=Z2/d。卧式车床对导轨在垂直面内直线度误差不敏感，外圆磨床的情况与卧式车床类似。平面磨床、龙门刨床和铣床的加工误差对导轨误差的敏感方向在铅锤方向上，所以这些设备的导轨在垂直面内的直线度误差将直接反映被加工件的表面，造成加工误差。,导轨面间平行度误差的影响,卧式车床两导轨间存在平行度误差时，将使床鞍
8、产生横向倾斜，引起刀架和工件的相对位置发生偏斜，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，从而引起工件产生形状误差。导轨平行度误差所引起的工件半径的加工误差为一般车床H/B约为2/3，外圆磨床H/B约为1，因此导轨间的平行度误差对加工精度影响很大。,导轨在垂直方向的最大平行度误差,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忽略。,导轨面间平行度误差的影响,导轨误差产生的原因,导轨误差主要来源于机床安装、机床制造、机床变形(在重力作用下），以及机床使用中的磨损。机床的安装(包括安装地基和安装方法)对导轨
9、的原有精度影响非常大，一般远大于导轨的制造误差。特别是龙门刨床、龙门铣床和导轨磨床等，其床身导轨的刚性较差，在自重的作用下容易产生变形，导致工件产生加工误差。导轨的不均匀磨损也是造成导轨误差的重要因素。,机床传动链误差,机床传动链误差,定义：指传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差,工件转角,滚刀转角,差动轮系传动比,分度挂轮传动比,滚齿机主传动链图,机床传动链误差,例1：如图，由z1的转角误差1引起的末端件的转角误差1n,误差传递系数,对分度涡轮：,各传动件对工件精度影响的总合为各传动件所引起末端元件转角误差的叠加,机床传动链误差,传动链误差可用传动链末端元件的转角误差来衡量。由于各传动
10、件在传动链中所处的位置不同，它们对工件加工精度（即末端元件的转角误差）的影响程度是不同的。对升速传动链：传动元件的转角误差将被扩大对降速传动链：传动元件的转角误差将被缩小传动链误差一般不影响圆柱面和平面的加工精度，但对齿轮、蜗轮蜗杆、螺纹和丝杆等加工有较大影响。,机床传动链误差,例2：如图，车削单头螺纹时，要求工件旋转一周，相应刀具移动一个螺距S ，这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的，即通过保持总传动比恒定实现。总传动比反映了误差传递的程度，故也称为误差传递系数。,减少传动链误差产生的措施,尽可能缩短传动链,精密螺纹磨床传动系统,机床用可换的母丝杠与被加工工件在同一轴线上串联，母丝杠
11、的螺距等于工件螺距，传动链最短,减少传动链误差产生的措施,减少各传动原件装配时的几何偏心提高传动链末端原件的制造精度在传动链中按降速比递增的原则分配各传动副的传动比。具体体现为：传动链末端传动副的降速比取得越大，则传动链中其余各传动原件误差的影响就越小。采用误差校正装置。具体做法： 人为地加入一个与传动链误差 大小相等而方向相反的误差。,在降速传动链中，末端元件的误差影响最大，故其精度就应最高,根据测量被加工工件1的导程误差，设计出校正尺5上的校正曲线7，5固定在机床床身上，加工螺纹时，机床母丝杠3带动螺母2及与其相固联的刀架和杠杆4移动。同时，校正尺5上的校正误差曲线7通过触头6、杠杆4使螺
12、母2产生一附加转动，从而使刀架得到一附加位移，以补偿传动误差。,其他几何误差,刀具误差一般刀具（普通车刀、单刃镗刀、铣刀）的制造误差对精度无直接影响定尺寸刀具（钻头、铰刀、拉刀）的尺寸误差直接影响加工工件的尺寸精度，刀具跳动也会影响加工精度成形刀具（成形车刀、铣刀、齿轮刀具）的制造误差和磨损影响被加工表面的形状精度工件装夹误差与夹具磨损测量误差调整误差,工艺系统的两种基本调整方式,试切法调整用于单件小批量生产方法引起调整误差的因素测量误差进给机构的位移误差（低速微量进给中的“爬行”现象）试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响调整法调整，其影响因素包括：上述影响试切法调整精度的所有因素；用定程机
13、构调整中，定程元件的制造精度和刚度；用试样或样板调整时，样件或样板的制造、安装、对刀精度；试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合,试切,测量,调整,再试切,工艺系统的受力变形,物体的静刚度,工艺系统的受力变形,工艺系统的总变形量,工艺系统总的刚度,机床变形量,工艺系统的受力变形,工艺系统的受力变形等于各环节在误差敏感方向的变形之和。,机床刚度,夹具变形量,夹具刚度,刀架变形量,刀架刚度,工件变形量,工件刚度,工艺系统刚度：,工艺系统的受力变形,薄弱环节刚度是主导系统刚度的，而刚度很大环节的影响可以忽略，所以计算工艺系统刚度时应把握主导因素，以对问题进行简化,例如外圆车削时，车刀本身在
14、切削力作用下的变形对加工误差的影响很小，可略去不计；再如镗孔时，工件(如箱体零件)的刚度一般较大，其受力变形很小，也可忽略不计。,工艺系统受力变形对加工精度的影响,在车床上加工短轴，工艺系统刚度变化不大，可近似地作为常数。,此时，由于被加工表面的形状误差或材料硬度不均匀而引起切削,力变化，使受力变形不一致而产生加工误差。,以图示轴件车削为例，由于毛坯,圆度误差，车削时使切削深度在,p1和p2之间变化，因此，切削,分力Fy也随切削深度p的变化,由最大（Fymax）变到最小（Fymin）,。工艺系统将产生相应的变形，,即由y1变到y2（刀尖相对工件在,法线方向的位移变化），工件就,形成圆度误差，这
15、种现象称“误差复映”,误差复映,毛坯圆度的最大误差,车削后工件的圆度误差,又,车削后工件,误差复映大小的计算,令,误差复映系数定量地反映了毛坯误差经过加工后减少的程度，它与工艺系统刚度成反比，与径向切削力系数A成正比。,误差复映大小的计算,即为毛坯圆度的最大误差m,减小误差复映的措施, 增加工艺系统的刚度（比如增大车刀主偏角）, 减少径向切削力系数（比如减小进给量f）, 当毛坯误差较大，一次进给不能满足加工精度要求时，可多次进给来消除m复映到工件上的误差,其它力引起的加工误差,夹紧力引起的加工误差(薄壁套、薄板)重力引起的加工误差(龙门铣、刨床刀架横梁的变形；铣、镗床镗杆伸长而下垂变形)惯性力
16、引起的加工误差,不平衡的高速旋转构件,离心力，且在每转中不断变更方向，当不平衡的离心力切削力 时,车床主轴轴颈和轴套内孔表面的接触点不停变化,轴套孔的圆度误差传给工件的回转中心,连接表面接触变形的影响：指零件表面的宏观和微观形状误差导致表面之间的实际接触面积减少，在接触处产生较大的接触应力而引起接触变形实际上，连接表面的接触刚度除与法向载荷大小有关外，还与接触表面材料、硬度、表面租糙度、表面纹理方向，以及表面几何形状误差等因素有关。,影响机床部件刚度的因素,接触变形y与压强p的关系,接触刚度随载荷增加而增大,部件中薄弱零件的影响：部件中某些低刚度零件在受力后会产生很大的变形，从而使整个部件的刚
17、度降低。零件间的间隙和摩擦力的影响：零件配合面间的间隙的影响，主要反映在载荷常变化的铣镗床和铣床上。当载荷方向改变时，间隙引起位移（如右图）。但如载荷为单向，则在第一次加载消除间隙后，对加工精度影响较小。,间隙的影响,影响机床部件刚度的因素,提高接触刚度办法1：改善工艺系统主要零件接触面的配合质量，如机床导轨副、锥体与锥孔、顶尖与中心孔等配合面采用刮研与研磨；减少表面粗糙度值，增加实际接触面积。办法2：在接触面间预加载荷，以消除配合面间的间隙，增加接触面积，减少受力后的变形量。,提高工件刚度办法：缩小切削力的作用点到支承之间的距离，以增大工件在切削时的刚度。,减小工艺系统受力变形的措施,减小工
18、艺系统受力变形的措施,适用场合：在加工中，由于工件本身的刚度较低，特别是叉架类、细长轴等零件，容易变形。在这种情况下，如何提高工件的刚度是提高加工精度的关键。,措施：缩小切削力的作用点到支承之间的距离，以增大工件在切削时的刚度。,提高机床部件的刚度 办法：采用固定导向 支承套、转动导向支 承套外加加强杆，用 加强杆和导向支撑套 提高部件的刚度,减小工艺系统受力变形的措施,图a,图b,合理装夹工件以减少夹紧变形,减小工艺系统受力变形的措施,合理装夹工件以减少夹紧变形,减小工艺系统受力变形的措施,加工方式对刚度也有影响。如按下图(a)所示铣削加工，加工面距夹紧面较远，加工中刀杆和工件的刚度都很差。
19、如果将工件平放，改用端铣刀加工，如下图(b)所示，加工面距夹紧面较近，刚度会明显提高,减小工艺系统受力变形的措施,减小工艺系统受力变形的措施,合理装夹工件以减少夹紧变形,减小工艺系统受力变形的措施,由于作用于工艺系统各组成部分的热源，其发热的数量、位置和作用时间各不相同，各部分的热容量、散热条件也不一样，因此各部分的温升不等。即使是同一物体，处于不同空间位置上的各点在不同时间的温度也是不等的。,工艺系统的热变形,工艺系统热源,内部热源,外部热源,切削热,摩擦热,工件、刀具、切屑、切削液,电机、轴承、齿轮、油泵等。,环境热,辐射热,气温、室温变化、热、冷风。,日光、照明、暖气、体温等。,温度场：
20、物体中各点温度的分布不稳态温度场：当物体未达到热平衡时，各点温度不仅是坐标位置的函数，也是时间的函数。这种温度场称为不稳态温度场。稳态温度场：指物体达到热平衡后，各点温度将不再随时间变化，而只是其坐标位置的函数，这种温度场称为稳态温度场。此时工艺系统稳定，利于保证工件的加工精度。,工艺系统的热变形,车床类机床的主要热源 是主轴箱轴承的摩擦热 和主轴箱中油池的发热 ，使主轴箱和床身的温 度上升，从而造成机床 主轴抬高和倾斜。 左图为车床空运转时， 主轴的温升和位移的测 量结果。,机床热变形引起的加工误差,被磨工件的直径变化d与机床工作台与砂轮架的热变形x基本相符。,机床热变形引起的加工误差,结论
21、：影响加工尺寸一致性的主要因素是机床的热变形。,机床热变形引起的加工误差,对大型机床，如导轨磨床、外圆磨床、龙门铣床等的长床身部件，其温差的影响很显著。一般由于床身上表面温度比床身底面温度高，形成温差，因此床身将产生弯曲变形，表面呈中凸状，如图所示。,床身长,高,温差,则床身变形量为,铸铁膨胀系数,当,时,导轨直线度,机床热变形引起的加工误差,平面磨床床身的热变形决定于油池安放位置及导轨副的摩擦热。油池不放在床身内时，机床运转之后，导轨上面温度高于下部，床身将出现中凸；油池放在床身底部时，会使床身产生中凹。它们都将使加工后的零件存在平面度误差。,双端面磨床的冷却液喷向床身中部的顶面，使其局部受
22、热而产生中凸变形，从而使两砂轮的端面产生倾斜，如下图所示。,由砂轮架来的热流,由切削液来的热流,由砂轮架来的热流,车床,平面磨床,铣床,双端面磨床,几种机床的热变形趋势,工件热变形引起的加工误差,工件热变形的热源：切削热对精密件：切削热外部热源细长轴顶尖车削：热变形工件伸长弯曲变形圆柱度误差精密丝杠磨削：工件热伸长螺距累积误差床身导轨面磨削：单面受热，与底面产生温差而引起热变形导轨的直线度误差铜、铝等有色金属由于线膨胀系数大，热变形较显著当粗精加工间隔时间较短时，粗加工的热变形将影响到精加工，工件冷却后会产生加工误差,如：3m长的丝杠，每磨一刀温度将升高3C，工件伸长量：=300011.410
23、-63mm=0.1mm,如：在一台三工位组合机床上，进行钻-扩-铰三工位顺序加工。工件尺寸为：外径40，长40mm，孔径20mm，材料为钢。钻孔切削用量：n=310r/min，f=0.36mm/r。钻孔后，温度竟达107度。接着扩孔和铰孔，当工件冷却后孔的收缩量已超过精度规定值。,工件热变形引起的加工误差,刀具的热变形主要由切削 热引起。传给刀具热量虽不 多，但由于刀具体积小、热 容量小且热量又集中在切削 部分，所以切削部分仍产生 很高的温升。,连续切削时车刀的热变形曲线，约1020分钟达热平衡，车刀热变形影响较小,车刀停止车削后，刀具冷却变形过程曲线,加工时断时续，间断切削时的变形过程曲线（
24、车削一批短小轴类工件 ）,结论：在开始切削阶段，热变形显著；在热平衡后，对加工精度的影响则不明显。,刀具热变形引起的加工误差,减少热变形的措施,减少热源的发热,对于不能分离的热源，如主抽轴承、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等，则可以从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热。,采用有效的冷却措施,为了减少机床的热变形，凡是可能分离出去的热源应移出，如电动机、变速箱、液压系统、冷却系统等，均应移出。,热源可能分离出去,减少发热,例如，采用静压轴承。静压导轨，改用低粘度润滑油、理基润滑脂等，也可用隔热材料将发热部件和机床大件(如床身、立柱等)隔离开来。,如增加散热面积或使用强制式的风冷、水冷、循环润
25、滑等。例如，目前，大型数控机床、加工中心普遍采用冷冻机，对润滑油、切削液进行强制冷却，以提高冷却效果。在精密丝杠磨床的母丝杠中通以冷却液，以减少热变形。,减少热变形的措施,用热补偿方法减少热变形,热补偿结构可以均衡机床的温度场，使机床产生的热变形均匀，从而不影响工件的形状精度。,例如M7150A型平面磨床的床身较长，加工时工件纵向运动速度较高，所以床身上部温度高于下部，产生较大的热变形。,可采取回油补偿的方法均衡温度场，如下图所示。在床身下部配置热补偿油沟，使一部分带有余热的回油流经床身下部，使床身下部温度提高，从而使床身上下部温差降至12，导轨中凸量由0.265mm降为0.052mm。,1、
26、油池搬出主机做成单独的油箱,2、在床身下部配置热补偿油沟,减少热变形的措施,用热补偿方法减少热变形,采用热空气加热温升较低的立柱后壁,减少立柱前后壁的温差,以减少立柱的弯曲变形,工件直线度降为原来的1/4,采用合理的机床部件结构减少热变形的影响方法：采用热对称结构：在变速箱中，将轴、轴承、传动齿轮尽量对称布置，以减少箱体热变形；合理选择机床部件的装配基准，避开误差敏感方向加速达到工艺系统的热平衡状态：对精密机床、大型机床预先高速空运转机床或设置控制热源，人为给机床加热，使之较快达到热平衡，再进行加工，精密机床尽量避免中途停车控制环境温度，将精密机床安装在恒温车间,减少热变形的措施,合理,不合理
27、,使用大流量冷却液或喷雾冷却等方法：利用这些方法可以带走大量切削热或磨削热。在精密加工时，为增加冷却效果，控制切削液的温度是很必要的。如大型精密螺纹磨床采用恒温切削液淋浇工件，机床的空心丝杠也充入恒温油，以降低工件和传动丝杠的温度，提高加工精度的稳定性。,减少热变形的措施,残余应力的概念,工件残余应力引起的误差,残余应力是指外部载荷去除后，仍残存在工件内部的应力。,残余应力往往处于一种很不稳定的相对平衡状态，在常温下，特别是在外界某种因素的影响下容易失去原有状态，使残余应力重新分布，零件产生相应的变形，从而破坏了原有的精度。,内外截面厚薄不同的铸件，在浇铸后的冷却过程中产生残余应力的情况,残余
28、应力产生的原因,毛坯制造中的残余应力,在热加工过程中，由于工件各部分热胀冷缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，使毛坯内部产生了相当大的残余应力。,毛坯结构复杂性,壁厚不均匀,散热条件差别,残余应力,冷校直带来的残余应力,冷校直时，在弯曲的反方向加外力F后，工件内部残余应力的分布如图b，在轴线以上产生压应力，在轴线以下产生拉应力。在轴线和两条双点划线之间是弹性变形区域，在双点划线之外是塑性变形区域。当外力去除后，外层的塑性变形区域阻止内部弹性变形的恢复，使残余应力重新分布，如图C。,残余应力产生的原因,虽校直，但工件处于不稳定状态,切削加工中产生的残余应力：切削过程中产生的力和热，也会使被加工工件的表面层变形，产生残余应力。,减少残余应力的措施,合理设计零件结构,在零件结构设计中，尽量简化结构，增大零件的刚度，使壁厚均匀,对工件进行热处理和时效处理,对铸、锻、焊件进行退火或回火，对精度要求高的零件，如床身、丝杠、箱体、精密主轴等，在粗加工后进行时效处理。,合理安排工艺过程,如，粗、精加工分开在不同工序中进行，使粗加工后有一定时间让残余应力重新分布，以减少对精加工的影响。,更多模板下载：http:/ end,
