1、机械制造工艺,机电工程系 张莉,第三章 机械加工精度,3.1加工精度与加工误差,3.2工艺系统的几何误差,3.3工艺系统变形引起的误差,3.4加工误差的统计分析法及综合分析,3.5提高加工精度的方法,重点 1. 影响加工精度的因素 2. 获得加工精度的方法及加工误差控制,难点 1. 影响加工精度的因素 2. 加工误差的分析,学习目的 了解各种因素对加工精度的影响规律，找出提高加工精度的途径，以保证零件的加工质量。,破坏了刀具、工件间相对位置,3. 3 . 1工艺系统受力变形引起的加工误差,工艺系统受力变形现象,受力变形对工件精度的影响a) 车长轴 b） 磨内孔,由此看来，为了保证和提高工件的加
2、工精度，就必须深入研究并控制以至消除工艺系统及其有关组成部分的变形。,工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚性不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大，其最大变形量可按材料力学有关公式估算。 外圆车刀在加工表面法线方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。 镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。刀杆变形也可按材料力学有关公式估算。,（一）工艺系统的刚度,工艺系统整体抵抗变形的能力。其大小为：背向力Fp （旧标准中为径向切削分力Fy）与工艺系统在该方向上的变形yxt的比值，即 kxt=Fp/yxt,注意：这里变形yxt是总
3、切削力的三个分力Fc、Fp、Ff（旧标准中为Fz、Fy、Fx）综合作用的结果。,1. 工艺系统刚度的概念,复习： 切削加工时，刀具作用在工件上的力或工件反作用于刀具的力称为切削力。 总切削力F是一个空间力，为了便于测量和计算，以适应机床、刀具设计和工艺分析，常将F分解为三个互相垂直的切削分力：切削力Fc、进给力Ff 、背向力Fp 。,若出现变形方向与Fp方向不一致的情况，如Fp与yxt方向相反，工艺系统就处于负刚度状态。,刀架系统在Fp力作用下引起同向变形y（图a）； 在Fc力作用下引起的变形y与Fp方向相反（图b）。,负刚度现象对保证加工质量是不利的，此时车刀的刀尖将扎入工件（扎刀）的外圆表
4、面，引起刀具的破损和振动，应尽量避免。,车削加工中的负刚度现象,2、系统刚度与环节刚度,工艺系统的刚度是由组成工艺系统各部件的刚度决定的。工艺系统的总变形量为：yxt= yjc+ydj+yjj+ygjkxt=Fp/yxt, kjc= Fp/yjc ， kdj= Fp/ydj , kjj= Fp/yjj， kgj= Fp/ygj 工艺系统刚度的一般式为：kxt= 1/(1/kjc+1/ kdj+1/ kj+1/ kgj),若已知工艺系统各组成部分的刚度（即环节刚度），就可以求出工艺系统的刚度。,3. 机床部件刚度特点,机床结构复杂，组成的零部件多，各零部件之间有不同的联接和运动方式，因而机床部件
5、的刚度问题就比较复杂。它的计算至今还没有合适的方法，需要通过实验来测定。下图为单向加载时车床刚度测定示意图。主轴部件、尾座及刀架的变形可分别从千分表2、3和6读出。这种方法测得的y方向位移是背向力Fp作用下引起的变形。,单向静载测定车床刚度1心轴 2、3、6千分表 4测力环 5螺旋加力器,（1）机床部件刚度的特点,1） 背向力Fp与刀架变形ydj不是线性关系。 2） 加载曲线与卸载曲线不重合。 3） 加载曲线与卸载曲线不封闭（卸载后 由于存在残余变形，曲线回不到原点）。 4）部件的实际刚度远比按实体结构的估计 值小。,下图是以Fp为纵坐标，刀架变形ydj为横坐标的某车床刀架部件的刚度实测曲线。
6、实验中进行了三次加载卸载循环，由图可以看出，机床部件的刚度曲线有以下特点：,车床刀架部件的刚度曲线一次加载 二次加载 三次加载,1)结合面接触变形的影响 由于零件表面存在宏观几何形状误差和微观几何形状误差，结合面的实际接触面积只是名义接触面积的一小部分，在外力作用下，实际接触区的接触应力很大，产生了较大的接触变形。这就是机床部件刚度不呈直线、机床部件刚度远比同尺寸实体的刚度要低得多的主要原因，也是造成残留变形和多次加载卸载循环后残留变形也趋于稳定的原因之一。,（2）影响机床部件刚度的因素,两零件结合面间的接触情况,接 触 刚 度,实验研究表明，两个相接触的表面间受力作用时，两表面的接触变形y是
7、表面压强p的递增函数（图）。因此，机床部件接合表面间刚度可较确切地用接触刚度来表示，即压强的微分dp与位移的微分dy的比值称为接触刚度kj kj =dp/dy,表面接触变形与压强的关系,一般情况下，表面愈粗糙，接触刚度愈小； 表面宏观几何形状误差愈大，实际接触面积愈小，接触刚度愈小； 材料硬度高，屈服极限也高，塑性变形就小，接触刚度就大； 表面纹理方向相同时，接触变形较小，接触刚度就较大。,2)摩擦力的影响 如下图所示，机床部件在经过多次加载卸载之后，卸载曲线回到了加载曲线的起点D，残留变形不再产生，但此时加载曲线与卸载曲线仍不重合。 其原因在于机床部件受力变形过程中有摩擦力的作用。 加载时摩
8、擦力阻止其变形的增加，卸载时摩擦力阻止其变形的减小。 摩擦力总是阻止其变形的变化的，这就是机床部件的变形滞后现象。,3)低刚度零件的影响 在机床部件中，个别薄弱零件对刚度的影响很大。,机床部件刚度的薄弱环节a) 溜板中的楔铁 b) 轴承套,4)间隙的影响 机床部件受力作用，首先消除零件间在受力作用方向上的间隙，会使机床部件产生相应的位移。在加工过程中，如果机床部件的受力方向始终保持不变，机床部件在消除间隙后就会在某一方向与支承件接触，此时间隙对加工精度基本无影响。但如果受力方向经常改变，就要考虑间隙的影响。,（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响,1、切削力作用位置变化引起的加工误差,1） 工
9、件的刚度及其变形（工件细而长）,由图3-19b，根据材料力学的挠度计算公式，其切削点工件的变形量为：yw=Fp(L-x)2x2/3E I L从上式的计算结果和车削的实际情况都可证实，切削后的工件呈鼓形，其最大直径在通过轴线中点的横截面内。,2） 工件短而粗,即此时工艺系统刚度主要取决于机床刚度,当刀具切削到工件的任意位置 C时（图示），工艺系统的总变形 y系统为：yxtyx+y刀架通过推证可知工艺系统在工件切削点处的变形量为:y系统=Fp1/k刀+1/k头(L-x/x)2+1/k尾(x/L)2可以看出 : y系统 =f(x)，是一个二次抛物线方程，变形大小随刀具在x方向位置变化,使车出的工件呈
10、抛物线形状。,图319a 工艺系统受力变形随切削位置而变化,刚度变化造成工件误差1理想的工件形状；2k头k尾时车出的工件形状,3）工艺系统刚度及总变形,综合上述两种情况，工艺系统的总变形量为上述两式的叠加 ，即 Y系统=Fp1/k刀架+1/k头(L-x/x)2+1/k尾(x/L)2 +(L-x)2x2/3EIL 工艺系统的刚度为 Kxt=Fp/yxt=1/ 1/k刀架+1/k头(L-x/x)2+1/k尾(x/L)2 +(L-x)2x2/3EIL 可以看出 Kxt=f(x)由于在工件加工的不同位置， Kxt不同，使加工后工件的径向尺寸不同，从而产生形状误差。,在加工过程中，由于工件加工余量或材料
11、硬度不均匀，都会引起背向力的变化，从而使工艺系统受力变形不一致而产生加工误差。,以车削短圆柱工件外圆为例，如图3-21所示 。 P90,由于毛坯存在的圆度误差m=ap1-ap2 引起了工件产生圆度误差w=y1 -y2且m越大，w越大，这种由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯椭圆形状误差复映到加工后工件表面的现象称为“误差复映”。,2、切削力大小变化引起的加工误差（误差复映）,图321 毛坯形状误差复映,f、ap 、vc 分别为进给量、背吃刀量和切削速度；,式中,与切削条件有关；,指数；,，所以,在一次走刀加工中，切削速度、进给量及其它切削条件设为不变，即,C为常数，在车削加工中，,即,由于y1、
12、y2相对ap1、ap2而言数值较小，可忽略不计，即有,所以,由上式可知,工艺系统的刚度kxt越大,复映系数越小,毛坯误差复映到工件上去的部分就越少。一般1,经加工之后工件的误差比加工前的误差减小,经多道工序或多次走刀加工之后,工件的误差就会减小到工件公差所许可的范围内。若经过n次走刀加工后，则误差复映为 w=12nm总的误差复映系数 z=12n,在粗加工时,每次走刀的进给量f一般不变,假设误差复映系数均为,则n次走刀就有z=n,增加走刀次数,可减小误差复映,提高加工精度,但生产率降低了。提高工艺系统刚度，对减小误差复映系数具有重要意义。 毛坯的各种形状误差（圆度、圆柱度、同轴度、平面度等）都会
13、以一定的复映系数，复映成工件的加工误差。毛坯材料的不均匀，硬度有变化，同样会引起背向力的变化，产生加工误差，分析方法同误差复映规律。,讨论：,在车床或磨床类机床上加工轴类零件时，常用单爪拨盘带动工件旋转，如图所示。,1）由于传动力引起的误差,结论：,传动力在拨盘的每一转中，经常改变方向，造成工件的圆度误差。因此，在加工精密零件时改用双爪拨盘或柔性连接装置带动工件。,3、切削过程中受力方向变化引起的加工误差,单爪拨盘传动,2）由于惯性力引起的误差,在高速切削时，如果工艺系统中有不平衡的高速旋转的构件存在，就会产生离心力。它和传动力一样，在工件的每一转中不断变更方向，当不平衡质量的离心力大于切削力
14、时，车床主轴轴颈和轴承内孔表面的接触点就会不断地变化，轴承孔地园度误差将传给工件的回转轴心。因此可采用配重平衡的方法来消除这种影响，必要时亦可适当降低主轴转速，以减小离心力的影响。,1）由于机床部件或工件本身重量以及它们在移动中位置变化而引起的加工误差（图）,2）由于夹紧力引起的加工误差（图3-22）,4、工艺系统其它外力作用引起的加工误差,机床部件自重引起地横梁变形,图322 套筒夹紧变形误差工件 开口过渡环,图330 薄片工件的磨削 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,通过提高导轨等 结合面的刮研质 量、形状精
15、度并 降低表面粗糙度， 都能增加接触面 积，有效地提高 接触刚度。预加 载荷，也可增大 接触刚度,加工细长轴时， 采用中心架或 跟刀架来提高 工件的刚度。 采用导套、导 杆等辅助支承 来加强刀架的 刚度。,对刚性较差 的工件选择 合适的夹紧 方法，能减 小夹紧变形， 提高加工精度,采用塑料滑动导轨，其摩擦特性好，有效防止低速爬行，运行平稳，定位精度高，具有良好的耐磨性、减振性和工艺性。此外，还有滚动导轨和静压导轨。,（1）提高接触刚度,（2）提高零部 件刚度减小受力 变形,（3）合理安 装工件减小 夹紧变形,4减少摩擦防止微量进给时的“爬行”,（5）合理使用机床,（6）合理安排 工艺，粗精分开,（7）转移或 补偿弹性变形,减少工艺系统受力变形,5、减小工艺系统受力变形的措施,
