1、第6章 机械加工精度影响因素及控制,波纹度,几何精度,表面层物理机械性能,表层材料的冷作硬化 表层材料的金相组织变化 表层材料的残余应力,制造质量,微观几何形状精度,宏观几何形状精度,圆度、圆柱度、直线度、平面度等,（表面粗糙度）,6.1 机械加工精度的概念及其获得方法 6.1.1 机械加工精度的概念机械加工精度是指零件经机械加工后的实际几何参数（尺寸，形状、表面相互位置）与零件的理想几何参数相符合的程度。符合的程度愈高，加工精度也愈高。实际加工的零件不可能做得与理想零件完全一致，经加工后零件的实际几何参数与零件的理想几何参数的偏离的程度，称为加工误差。,6.1.2 机械加工精度获得方法（1）
2、尺寸精度获得方法1试切法,试切法切削轴 MovieCh4（加工精度）试切法.swf,2）定尺寸刀具法,定尺寸刀具加工,3）调整法 调整法是按零件规定的尺寸预先调整好刀具与工件的相对机床的位置，并在一批零件的加工过程中保持这个位置不变，以保证工件被加工尺寸。然后进行加工。(MovieCh4（加工精度）调整法.swf),4）自动控制法自动控制法是用尺寸测量装置、进给装置和控制系统组成一个自动加工控制系统，使加工过程中的测量、补偿调整和切削加工自动完成以保证加工尺寸精度的方法。 5）主动控制法（MovieCh4（加工精度）主动测量法.swf）,6.1.3 形状和相互位置精度获得几何形状精度的方法：
3、（1）轨迹法：通过刀尖运动的轨迹来获得形状精度的方法,车锥孔 MovieCh2（机床夹具）轨迹法.swf,（2）仿形法： 刀具依照仿形装置进给获得工件形状精度的方法,仿形车削,成形车削 MovieCh2（机床夹具）成形法.swf,3）成形法：利用成形刀具对工件加工获得形状精度的方法,4）相切法：利用回转形状的刀具对工件加工获得形状精度的方法 （MovieCh2（机床夹具）相切法.swf）,（5）展成法：利用工件和刀具的展成切削运动进行加工的方法,（MovieCh2（机床夹具）展成法.swf）,获得相互位置精度的方法： 直接找正定位法：用划针或百分表直接在机床上找正工件位置 划线找正定位法：先按
4、零件图在毛坯上划好线，再以所的划线为基准找正它在机床的位置 夹具定位法：在机床上安装好夹具，工件放在夹具中定位 机床控制法：利用机床的相对位置精度保证位置精度,6.1.4 三种精度之间的关系一般情况下，形状精度最高，位置精 度次之，尺寸精度最低。,机械加工时，由机床、夹具、刀具和工件构成的统一体称为工艺系统系统。,由于工艺系统本身的结构和状态以及加工过程中的物理力学现象而产生的各种误差称为原始误差。,工艺系统：,原始误差：,6.2 影响机械加工精度的因素,原始误差与加工精度的关系,工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。,见图示：,显然：,误差敏感方向影响加工精度最大的那个方向（
5、即通过刀刃的加工表面的法向）。,当原始误差方向恰为加工表面法线方向时，引起的加工误差为最大；,当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向时，引起的加工误差为最小；,当原始误差的方向与误差敏感方向一致时， 对加工精度的影响最大。,原始误差与加工精度的关系,原 始 误 差,工艺系统的制造误差（几何误差）,原始误差的来源,6.2.1 加工原理误差在加工中由于采用近似的加工运动方式或近似的刀具切刃形状而产生的误差。如在普通车床上车削蜗杆；在卧式铣床上用模数铣刀铣齿轮。,用模数铣刀铣齿轮时的齿形误差,（1）机床的几何误差,机床制造 磨损 安装,主轴回转误差 导轨误差 传动链误差,6.2.2 工艺系统的几何误
6、差,1). 主轴回转误差,主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线的变动量。,2）将动力或运动传递给工件或刀具。,主轴各瞬时实际回转轴线的平均位置,主轴回转误差的分解：,径向跳动、轴向跳动和角度摆动三种基本型式,主轴的功用：,1） 装夹工件、刀具或夹具的基准；,定义：,理想回转轴线：,轴向跳动,主轴轴肩端面的平面度及其与回转轴线有垂直度误差； 轴承承载端面与回转轴线有垂直度误差。,车端面可以引起所加工端面的垂直度、平面度误差和轴向尺寸精度误差； 加工螺纹产生螺距误差。,轴向跳动对加工精度的影响：,轴向跳动的产生原因,主轴实际回转轴线沿平均回转轴线的方向作纯轴向蹿动,主轴轴向窜动对端面加工精度的影响,
7、径向跳动产生的原因,加工方式不同,主轴各段轴颈的同轴度误差；,轴承误差（圆度）；,轴承之间的同轴度误差、,主轴轴颈误差（圆度）；,主轴挠度,影响也不同,主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量,径向跳动,滑动轴承,工件回转型(车削）：切削力作用方向是不变的,主轴轴颈的圆度误差将在回转过程中引起轴线位置产生瞬时变化，对主轴径向回转精度影响较大；,轴承内孔径的圆度误差对主轴径向回转精度影响较小。,轴承的内孔圆度误差将使主轴在回转的过程中产生径向跳动，引起镗孔的圆度误差； 主轴轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较小。,刀具回转型 ：切削力作用方向是变化的,车削加工：工件回转，刀具移动,假设
8、主轴轴线沿X轴作简谐运动：x=Acos,X2+Y2=R2+A2Sin2车削出的工件表面接近于一个真圆。,车削加工时，径向跳动对工件的圆度影响很小；但与定位基准有同轴度误差,并产生圆柱度误差。,径向跳动对加工精度的影响：,考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为A。,镗削加工：镗刀回转，工件不转,X= Acos （ t）,当镗刀转过一个角时（位置1），刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别计算得：X=(A+R)cosY=Rsin。,将上两式平方相加得:X2/(A+R)2+Y2/R2=1,镗出的孔为椭圆形,A,A,R,Om,1,1，,Acos,O,2,3,4,
9、O,Y= Rsin,X=(A+R）cos,镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响,X= Acos （ t）,主轴径向回转误差可以引起工件的圆度误差和圆柱度误差；,径向跳动对加工精度的影响：,产生角度摆动的原因,角度摆动,主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线成倾斜一个角度作摆动,角度摆动可视为径向圆跳动与轴向窜动的综合。凡引起径向圆跳动与轴向窜动的因素均会影响主轴的角度摆动。,角度摆动对加工精度的影响：,车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小，但轴平面有圆柱度误差（锥度）。车外圆：得到圆形工件，但产生圆柱度误差（锥体）车端面：产生平面度误差镗孔时，由于主轴的纯角度摆动 使得主轴回转轴线与工作台导轨不平
10、行，使镗出的孔呈椭圆形,提高主轴回转精度的措施,（5） 对滚动轴承进行预紧，以消除间隙。,（1） 提高主轴及箱体的制造精度；,（2） 选用高精度轴承；,（3） 提高主轴部件装配精度；,（4） 对高速主轴部件要进行动平衡;,2）机床导轨误差,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（扭曲）,机床导轨精度要求：,确定各主要部件位置关系的基准; 是实现直线运动的主要部件。,导轨的功用：,导轨的制造和装配精度： 影响直线运动的主要因素 直接影响工件的加工精度。,导轨在水平面内的直线度误差,导轨误差对加工精度的影响,当导轨在水平面内的直线度误差为y时,引起工件在半径方向的误差为：
11、R=y,车、磨削外圆时，为误差敏感方向，对加工精度影响最大；,导轨向外凸 ,导轨向内凹 ,工件产生腰鼓形误差；,工件产生鞍形误差；,铣削、刨削平面时，为误差非敏感方向，对加工精度影响最小。,（以卧式车床为例）,图示幻灯片 36,Y,Y,o,D,R= Y,水平面,导轨水平面内直线度,导轨在水平面内直线度误差,导轨在垂直面内的直线度误差,床身导轨在垂直面内有直线度误差，会引起刀尖产生切向位移Z，造成工件在半径方向产生的误差为：RZ2/ D,设：Z=Y=0. 1mm ，D=40mm ，则由于水平面内原始误差而产生的加工误差：R= Y =0.1mm,由于垂直面内原始误差产生的加工误差： R Z2/D
12、=0.00025mm,图示,垂直平面,导轨垂直面直线度,Z,d,R Z2/ D,Z,导轨在垂直面内直线度误差,R,d/2,对平面磨床，龙门刨床及铣床等，误差敏感方向为加工表面的法线方向， 导轨在垂直面内的直线度误差会引起工件相对于砂轮（刀具）产生法向位移，其误差将直接反映到被加工工件上，造成形状误差。,结论：,龙门刨床导轨垂直面内直线度误差1刨刀 2工件 3工作台 4床身导轨,原始误差引起工件相对于刀具产生相对位移，若产生在加工表面法向方向（误差敏感方向），对加工精度有直接影响；产生在加工表面切向方向（误差非敏感方向） ，可忽略不计。,前后导轨平行度误差的影响,床身前后导轨有平行度误差（扭曲）
13、时，会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产生偏移，使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥度）。,从几何关系中可得出：y (H/B) 一般车床H2B/3，外圆磨床HB， 因此该项原始误差对加工精度的影响很大。,车床前后导轨扭曲的最终结果反映在工件上，将产生加工误差y。,机床制造精度； 导轨磨损：使用过程中的磨损及磨损不均匀 （2班制工作9个月0.03mm）； 机床安装质量（重型机床因自重导轨下沉23mm）,导轨误差产生原因,提高导轨精度的措施,提高机床导轨、溜板的制造精度及安装精度 采用耐磨合金铸铁导轨、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨等 采用静压导轨，利用压力油或压力空气的均化作用，
14、可有效提高工作台的直线运动精度和精度保持性。,在车螺纹、插齿、滚齿等加工时，刀具与工件之间有严格的传动比要求。要满足这一要求，机床内联系传动链的误差必须控制在允许的范围内。,3）机床传动链误差,定义：,传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。,传动链末端元件产生的转角误差。,表示：,影响：,滚、插、磨（展成法磨齿）齿轮等加工齿距精度,车、磨、铣螺纹螺距精度,举例：以滚齿机为例加以说明,若滚刀上的齿轮Z1有转角误差 ， 造成工作台的转角误差 为：,若传动链中第i个元件有转角误差,该元件造成工作台的转角误差 为：,图示,kj该元件至工作台之间的传动比误差传递系数,kj1（升速传动），
15、误差被放大,kj1（降速传动），误差被缩小,总误差：, 减少传动环节，缩短传动链，以减少误差来源。 提高传动元件，特别是提高末端传动元件（如车床丝杠螺母副、滚齿机分度蜗轮）的制造精度和装配精度。 传动链中按降速比递增的原则分配各传动副的传动比。传动链末端传动副的降速传动比越大，则传动链中其余各传动元件误差对传动精度的影响就越小。,提高传动链精度的措施,使工件相对于刀具和机床具有正确的位置。,夹具的作用：,（2） 夹具误差与装夹误差,夹具误差 主要是指夹具的定位元件、导向元件及夹具体等零件的加工与装配误差,夹具误差影响工件的尺寸精度与位置精度,夹具的制造精度 夹具的磨损,影响因素：,夹具的公差选
16、取： 精加工时取工件公差的1/21/3; 粗加工时取工件公差的1/51/10。,（3） 刀具误差,刀具的尺寸误差影响工件的尺寸误差。,刀具的形状误差影响被加工面的形状误差,刀具的制造精度影响加工精度,展成法刀具（如齿轮滚刀、插齿刀等）,定尺寸刀具（如钻头、铰刀、圆孔拉刀等）,成形刀具（如成形车刀、成形铣刀、盘形齿 轮铣刀等）,刀刃的几何形状及有关尺寸精度会直接影响齿轮加工精度,刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差,刀具的磨损影响加工精度,图例 车刀的尺寸磨损,图例 车刀磨损过程,提高措施,提高制造精度，正确刃磨刀具； 正确选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量； 采用冷却润滑液； 采用误差补偿装置
17、。,一批工件采用调整法加工时因定位不准确而引起的 尺寸或位置的最大变动量。,调整法 - 按试切好的工件或标准样件或对刀装置等，调整刀具相对于工件加工表面的位置，并在加工过程中保持这一位置，从而获得零件所要求的尺寸精度。 调整法多用于成批、大量生产。,组成：基准不重合误差、基准位置误差,6.2.3 定位误差,定义：,定位基准面和定位元件本身制造得不准确或定位副间的配合间隙所引起的工件最大位置变动量，称基准位置误差（定位副制造不准确误差。,定位副制造不准确误差,6.2.3 工艺系统受力变形引起的误差（1） 工艺系统刚度的概念,磨削内孔时砂轮轴的变形,细长轴加工时工件受力变形,工艺系统的刚度是以误差
18、敏感方向上的切削力和在该力方向上所引起的刀具和工件间相对变形位移的比值表示的，即：,（2） 工艺系统刚度对加工精度的影响1） 机床刚度对加工精度的影响,2） 工件刚度对加工精度的影响,2） 刀具刚度对加工精度的影响,（3） 切削力变化引起加工误差,（4） 其它作用力变化引起加工误差,龙门机床横梁变形造成工件加工误差,龙门机床横梁重力转移,（5） 机床刚度的测定）静态测定法）工作状态测定法（生产法）,（6）影响机床部件刚度的因素1）连接表面的接触变形 2）薄弱零件本身的变形3）摩擦的影响4）间隙的影响,（6）减少工艺系统受力变形的途径1）提高工艺系统刚度2）减少切削力及其变化,6.2.4 残余应
19、力重新分布引起的误差（1） 毛坯制造中产生的残余应力（2） 冷校直产生的残余应力（3）减少或消除残余应力的措施,6.2.5 工艺系统热变形引起的误差 （1） 工艺系统的热源1）内部热源 2）外部热源,（2）工艺系统热变形对加工精度的影响1） 机床热变形对加工精度的影响,为了减少机床热变形对加工精度的影响，目前采取的主要措施有：1) 减少机床的热源影响; 2) 采取隔热措施;3) 均匀机床零部件的温升; 4) 工艺措施的改进；5) 采用恒温措施; 6) 使用热变形自动补偿系统。,2）工件的热变形对加工精度的影响3）刀具的热变形对加工精度的影响,6.2.6 保证和提高加工精度的途径（1）消除与减小
20、原始误差（2）补偿或抵消原始误差（3）转移原始误差（4） 误差均化（5） 加工过程中的主动控制,6.3 加工误差的统计分析,6.3.1 概述,掌握加工误差的性质； 掌握加工误差的正态分布图分析方法和点图分析方法。,（1） 加工误差的性质,在顺序加工一批工件中，其大小和方向均不改变，或按一定规律变化的加工误差。,误差大小和方向按一定规律变化,误差大小和方向均不改变,常值性系统误差,变值性系统误差,如：机床、夹具、量具、刀具的制造误差；工艺系统受力变形,如：一定时间内，机床、夹具、量具的磨损；,如：机床、夹具、刀具的受热变形及刀具的磨损；, 如毛坯余量或硬度不均，引起切削力的随机变化而造成的加工误
21、差；定位误差；夹紧误差；内应力引起的变形等。, 在顺序加工一批工件中，其大小和方向随机变化的加工误差。,常值性系统误差,变值性系统误差,随机误差,通过调整消除,通过自动补偿消除,只能缩小范围，无法消除,（2） 机械制造中常见的误差分布规律,无变值系统误差（或有而不显著）；,1）正态分布,必须满足的条件：,在各随机误差中没有一个是起主导作用的；,各随机误差是相互独立的；,3）双峰分布：两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起.,2）平顶分布：工件瞬时尺寸分布呈正态，可看成是随着时间而平移的众多正态误差分布曲线组合的结果（如刀具和砂轮均匀磨损）。,4）偏态分布：如工艺系统存在显著的热变形，
22、或试切法加工孔时宁小勿大，加工外圆时宁大勿小.,图4-46 几种非正态分布,（1）正态分布曲线,1) 正态分布的数学模型、特征参数和特殊点,概率密度方程：,y 分布曲线的纵坐标，表示工件的分布密度（频率密度）；x 分布曲线的横坐标，表示工件的尺寸或误差；,6.3.2 工艺过程的分布图分析法,一批零件的均方根差:,n一批工件的数目（样本数）。,正态分布曲线的特征参数：,算术平均值（分散中心）,算术平均值,是确定曲线位置的参数。,若,改变时，整个曲线沿轴平移，但曲线形状不变,图例,使 产生变化的主要原因是：,常值系统误差的影响。,的大小反映机床调整位置的不同。,值越大则曲线形状越平坦，尺寸分散范围
23、越大，加工精度越低。影响的因素：,值越小则曲线形状越陡，尺寸分散范围越小，加工精度越高；,均方根偏差决定了分布曲线的形状和分散范围。,的大小反映了机床加工精度的高低。,图例,随机性误差，随机性误差越大则越大。,概率密度函数在 处有最大值：,特殊点,顶点：,拐点：,(2)标准正态分布,=0，=1的正态分布,标准正态分布,令：,则利用上式，可将非标准正态分布转换成标准正态分布进行计算。,称 z 为标准化变量,y,x,0,分布曲线下所包含的全部面积代表一批加工零件，即100%零件的实际尺寸都在这一分布范围内。,工件尺寸在某区间的概率,工件尺寸在某区间的概率,对于正态分布曲线来说，分布曲线下所包含面积
24、由下式决定：,表7-2 标准正态分布概率密度函数积分表,正态分布曲线的分散范围为 3 ，工艺上称该原则为6准则。,在 3范围内，曲线围成的面积为99.73%。,工件尺寸在某区间的概率,解：作图进行标准化变换,查表得,偏大不合格品率为,这些不合格品可修复。,查表得,偏小不合格品率为,不合格品率为：2.28%+0.135%=2.415%； 合格品率为 ：12.415%=97.585%； 废品率为 ：2.28%。,这些不合格品不可修复，属于废品。,是指工艺过程在时间历程上保持特征参数均值 和标准差值稳定不变的性能。,（3） 分布图分析,工艺过程的稳定性,工艺过程不稳定，存在变值性系统误差,若,工艺过
25、程稳定,若,1） 判别加工误差的性质：,分布曲线的应用,2） 确定工艺系统能力及其等级,3） 估算合格率或不合格率,y,x,0,3,3,公差带,T,xmax,xmin,样本容量取为：n(50200)。 取：n100,工艺过程的分布图分析,按加工顺序逐个测量，表7-3,3异常数据的剔除：,1样本容量的确定：,2. 样本数据的测量：,则xk为异常数据。,4实际分布图的绘制：,本例中样本100剔除3个异常数据,直方图,直方图以工件尺寸为横坐标，以频数或频率为纵坐标，作出该批工件加工尺寸的实验分布图.,频数同一尺寸间隔内的零件数量.,例：磨削一批销轴外径为：,（4）实际分布图的绘制：,（1）确定尺寸间
26、隔数 j：,参考P320表74选取,n=100，所以应初选 j =10,x(xmaxxmin) / j,（2）确定尺寸间隔大小：,x(xmaxxmin) / j =(9.647-9.616)/10 =0.0031mm,圆整为：,x0.003mm,表7-4,（3）画实际分布图,4实际分布图的绘制：,确定：各组组界、组中值,统计：各组频数,确定：分组数 k = j+1,（5）理论分布图的绘制,频率密度 y,最大概率密度,拐点处概率密度值,最大值处的理论频数：,两拐点处的理论频数：,计算三个特殊点处的频数,实际分布曲线与正态分布曲线基本相符，说明加工过程中没有变；,平均值 与公差带中心重合，说明不存
27、在常；,根据平均值 是否与公差带中心重合，来判断是否存在常：,（6）工艺过程的分布图分析：,1） 判别加工误差的性质：,平均值 与公差带中心不重合，说明存在常。, 实际分布曲线不符合正态分布时，如出现的分布曲线呈平顶分布、双峰分布或偏态分布时，说明加工过程中有突出的变存在。,图示,（2） 确定工序能力及其等级,工序能力是指某工序能否稳定地加工出合格产品的能力。把工件尺寸公差T与分散范围6的比值称为该工序的工序能力系数CP，用以判断生产能力。CP按下式计算： CP =T/6,根据工艺能力系数的大小，将工艺能力分成5级：,本例：,（3）确定不合格品率,dmin=9.65-0.04=9.61mm,d
28、max=9.65+0=9.65mm,X 3=9.632-0.021=9.611mm,X 3 dmin,X 3=9.632+0.021=9.653mm,X + 3 dmax,（3）确定不合格品率,不合格品都是尺寸过大不合格产品,可修复,1） 采用的大样本，能比较实际的反映总体； 2） 能区分常值误差，但不能区分变值系统误差； 3） 具有事后性，不能及时提供过程信息； 4） 计算较复杂； 5) 只适用于工艺过程稳定的场合。,工艺过程的分布图分析法特点：,根据加工表面轮廓的特征（波距L与波高H的比值），可将几何形状误差分为以下三种：,LH1000：称为宏观几何形状误差，例如圆度误差、圆柱度误差等，它
29、们属于加工精度范畴；,LH501000，称为波纹度，它是由机械加工振动引起的；,LH50，称为微观几何形状误差，亦称表面粗糙度。,根据加工表面轮廓的特征（波距L与波高H的比值），可将几何形状误差分为以下三种：,LH1000：称为宏观几何形状误差，例如圆度误差、圆柱度误差等，它们属于加工精度范畴；,LH501000，称为波纹度，它是由机械加工振动引起的；,LH50，称为微观几何形状误差，亦称表面粗糙度。,根据加工表面轮廓的特征（波距L与波高H的比值），可将几何形状误差分为以下三种：,LH1000：称为宏观几何形状误差，例如圆度误差、圆柱度误差等，它们属于加工精度范畴；,LH501000，称为波纹
30、度，它是由机械加工振动引起的；,LH50，称为微观几何形状误差，亦称表面粗糙度。,见图示：,显然：,返回,主轴轴向窜动对端面加工精度的影响,A,A,R,Om,1,1，,Acos,O,2,3,4,O,Y= Rsin,X=(A+R）cos,镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响,X= Acos （ t）,Y,Y,o,D,R= Y,水平面,导轨水平面内直线度,导轨在水平面内直线度误差,垂直平面,导轨垂直面直线度,Z,d,R Z2/ D,Z,导轨在垂直面内直线度误差,R,d/2,图 丝杠加工误差校正装置 1工件 2螺母 3母丝杠 4杠杆 5校正尺 6触头 7校正曲线,套筒夹紧变形误差 工件 开口过渡环,薄片
31、工件的磨削 毛坯翘曲 b) 电磁工件台吸紧 c) 磨后松开，工件翘曲 d) 磨削凸面 e) 磨削凹面 f) 磨后松开，工件平直,图 机床部件自重引起地横梁变形,牛头刨床滑枕热变形及结构改进示意图a) 原滑枕截面图 b)原滑枕热变形示意图 c) 滑枕热对称结构,图7-26 对正态分布曲线的影响,表7-3,2. 进给量的选择,半精加工、精加工时，进给量由加工精度和表面粗糙度决定。,工件材料、刀尖圆弧半径、切削速度。,考虑因素：,1）当刀尖圆弧半径较大、副偏角较小时，已加工表面粗糙度较小，可选较大的进给量；,2）当切削速度较高时，切削力降低，可适当增大进给量；,见图示：,显然：,原 始 误 差,工艺系统的制造误差（几何误差）,原始误差的来源,
