机械加工精度（PDF83页）

机械加工精度机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数的符合程度。它们之间的偏离程度即为加工误差。加工精度越高，则加工误差越小；反之越大。加工精度的高低是以国家有关公差标准来表示的。机械加工精度生产实践证明，任何一种加工方法不管多么精密．都不可能把零件加工得绝对准确，与理想的完全相符。既使加工条件完全相同．加工出来的零件几何参数也不可能完全一样。另外．从机器的使用要求来看．也没有必要要求把零件的几何参数加工得绝对准确．只要其误差值不影响机器的使用性能．就允许误差值在一定的范围内变动，也就是允许一定的加工误差存在。加工精度与加工误差加工精度是评定零件质量的一项重要指标。零件有关表面的尺寸精度、几何形状精度和相互位置精度之间是有联系的。形状误差应该限制在位置公差内．位置误差要限制在尺寸一公差内。一般尺寸精度高，相应的形状、位置要求也高。加工精度但是对于有些特殊功用的零件．其形状精度很高，但其位置精度、尺寸精度要求却不一定高。例如测量用的检验平板，其工作平面的平面度要求很高，但该平面与底面的尺寸要求和平行度要求却很低。研究加工精度的目的．就是要分析影响加工精度的各种因素及其存在的规律，从而找出减小加工误差、提高加工精度的合理途径。原始误差机械加工中，由机床、夹具、刀具和工件等组成的统一体，称为工艺系统。在完成任何一个加工过程中，由于工艺系统各种原始误差的存在，使工件和刀具之间正确的几何关系遭到破坏而产生加工误差。这些原始误差．其中一部分与工艺系统的初始状态有关一部分与加工过程有关。如机床、夹具、刀具的制造误差，工件因定位和夹紧而产生的装夹误差，采用近似成形方法进行加工而产生的加工原理误差等，这些原始误差在加工前就已经存在了，称为工艺系统的几何误差。原始误差在加工过程中产生了切削力、切削热和摩擦，它们将引起工艺系统的受力变形、受热变形和磨损．影响调整后获得的工件与刀具之间的相对位置，造成加工误差，这些在加工过程中产生的原始误差，称为工艺系统的动误差。原始误差此外，在加工过程中因测量方法和量具而产生的测量误差，工件加工后因工件残余应力引起工件变形而产生的误差都是原始误差，也近似地归入动误差中。为清晰起见，现将加工过程中可能出现的种种原始误差加以归纳，如下图所示。误差因素工艺系统的制造误差机床的制造误差和磨损夹具的制造误差和磨损刀具的制造误差和磨损工艺系统力、热效应引起的变形工艺系统受力变形工艺系统热变形工件残余应力引起的变形工艺过程其他误差因素加工原理误差工件定位误差调整误差测量误差机械加工经济精度机械加工经济精度加工过程中，影响精度的因素很多，每种加工方法在不同的工作条件下，所能达到的精度会有所不同。例如，选择较低的切削用量（αp、f），精细地操作，就能达到较高的精度。但是，这样会降低生产率，增加成本。反之，增加切削用量提高了生产率，虽然成本能降低，但会增大加工误差，精度下降。机械加工经济精度统计资料表明，各种加工方法的加工误差和加工成本之间的关系呈负指数函数曲线形状，如图7-1所示。图中横坐标是加工误差△，沿横坐标的反方向即为加工精度，纵坐标是加工成本Q。由图可知，每种加工方法，若要获得较高的精度，则成本就要加大；反之，精度降低，则成本下降。但是，上述关系只是在一定的范围内，即曲线中AB段才比较明显。在A点左侧，精度不易提高，且有一极限值（△极限）；在B点右侧，成本不易降低，也有一极限值（Q极限）。曲线的AB段的精度区间属经济精度范围。加工经济精度加工经济精度是指在正常的生产条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保证的加工精度。若延长加工时间，就会增加成本，虽然精度能提高，但不经济。经济粗糙度的概念类同于经济精度。图7-1加工误差（或加工精度）与成本的关系加工误差（或加工精度）与成本的关系各种加工方法所能达到的经济精度和经济粗糙度等级，以及各种典型表面的加工方法均已制成表格，在机械加工的各种手册中都能查到。必须指出，经济精度的数值不是一成不变，随着科学技术的发展，工艺的改进和设备及工艺装备的更新，加工经济精度会逐步提高。获得加工精度的方法工件规定的加工精度包括尺寸精度、几何形状精度和表面间相互位置精度等三个方面。获得尺寸精度的方法获得尺寸精度的方法，通常有下列几种试切法定尺寸刀具法调整法主动测量法试切法试切法是通过试切一测量一调整刀具再试切，反复进行，直至符合规定的尺寸，然后以此尺寸切出要加工的表面。定尺寸刀具法这是使用具有一定形状和尺寸精度的刀具对工件进行加工，并以刀具相应尺寸所得到规定尺寸精度的方法。例如，用麻花钻头、铰刀、拉刀、槽铣刀和丝锥等刀具加工，以获得规定的尺寸精度。这种加工方法所得到的精度与刀具的制造精度关系很大。调整法按零件图（或工序图）规定的尺寸和形状，预先调整好机床、夹具、刀具与工件的相对位置，经试加工测量合格后，再连续成批加工工件。其加工精度在很大程度上取决于调整精度。此法广泛应用于半自动机床、自动机床和自动生产线。主动测量法这是一种在加工过程中，采用专门的测量装置主动测量工件的尺寸并控制工件尺寸精度的方法。例如在外圆磨床和研磨机上，采用主动测量装置以控制加工的尺寸精度。获得几何形状精度的方法获得几何形状精度的方法，通常有下列三种。1．轨迹法这种方法是依靠刀具与工件的相对运动轨迹来获得工件形状的。如图所示，图(a)是利用工件的旋转和刀具的两个方向的直线运动合成来车削成形表面；图(b）是利用刨刀的纵向直线运动和工件的横向进给运动来获得平面。获得几何形状精度的方法2．成形法采用成形刀具加工工件的成形表面以得到所要求的形状精度的方法称为成形法成形法加工可以简化机床结构，提高生产率。如图(a）所示的方向的成形运动可以由成形刀具的刀刃几何形状代替：又如用模数铣刀铣齿形．也是用成形刀具来获得所要求的齿形的。3．展成法齿轮加工中各种齿形加工，如滚齿、插齿等方法都属于这种力法获得相互位置精度的方法工件各加工表面相互位置的精度主要和机床、夹具及工件的定位精度有关，如车削端面与轴线的垂直度和中滑板的精度有关；钻孔与底面的垂直度和机床主轴与工作台的垂直度有关：一次安装同时加工几个表面的相互位置精度与工件的定位精度有关。因此，要获得各表面间的相互位置精度就必须保证机床、夹具及工件的定位精度。加工误差的来源在机械加工中，零件的尺寸，几何形状和表面相对位置的形成，主要取决于工件和刀具在切削成形运动过程中相互位置的正确程度。工件和刀具是安装在夹具和机床上的，并受到夹具和机床的约束。因此，在切削加工时，机床、夹具、刀具和工件就构成了一个完整的系统，称之为机械加工工艺系统（简称工艺系统）。如果工艺系统中某个环节出现了误差（偏离了正确位置），就必然会产生加工误差。工艺系统的各种误差，在不同的条件下，以不同的程度反映为加工误差。工艺系统的误差是“因”，是根源；加工误差是“果”，是表现。因此，引起工艺系统各环节产生误差的因素称为误差因素。分析研究各种误差因素和加工误差之间的定性和定量关系，是保证和提高零件加工精度的重要一环。精镗活塞销孔的加工过程分析下面以精镗活塞销孔（图7-2）的加工过程为例，说明产生加工误差的各种可能的误差因素。工件安装1．工件安装工件以止口及端面为定位基准，在夹具中定位，并用削边销插入经半精镗的销孔中作角向定位。由于设计基准与定位基准不重合及定位止口与夹具上凸台的配合间隙，安装时会产生定位误差。在夹紧力的作用下，还可能产生夹紧变形引起的夹紧误差。调整本例在安装工件前后，必须对机床、夹具和刀具进行调整，并在试切几个工件后再进行精确微调，这样才能使机床、刀具和工件间保持正确的相对位置。对本例，就应该进行夹具在工作台上的位置调整、削边销与主轴同轴度的调整和对刀调整（调整镗刀刃的伸出长度以保证镗孔直径）等，这时就会产生一定的调整误差。加工加工时由主轴回转带动镗刀作主运动，工作台带动夹具和工件作进给运动。因此，机床、夹具和刀具本身的制造误差和磨损都将引起加工误差。其次，在切削加工过程中产生的切削力、切削热和机床传动系统摩擦损耗而产生的热量将引起工艺系统产生的受力变形和热变形，都将进一步影响刀具与工件的相对位置。同时，在加工过程中还必须对工件进行测量，才能确定加工是否合格，是否需要重新调整。任何测量方法和量具、量仪也不可能绝对准确，因此测量误差也是一项不容忽视的误差因素。此外，工件在毛坯制造、切削加工和热处理时的力和热的作用下产生的残余应力，也将会引起工件变形而产生加工误差。有时，若采用近似的成形方法进行加工，就会带来加工原理误差。综上所述，加工过程中可能存在着各种各样的误差因素，具体归纳如下：原始误差与加工误差的关系在加工过程中．各种原始误差的影响会使刀具和工件间正确的几何关系遭到破坏，引起加工误差．各种原始误差的大小和方向各不相同，而加工误差则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。当原始误差的方向与工序尺寸方向一致时，其对加工精度的影响昀大。F面以外圆车削为例说明两者的关系。加工原理误差加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。例如，滚齿加工用的齿轮滚刀，就有两种误差存在：一是刀刃轮廓近似造型误差．由于制造的困难，采用了阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆；是由于滚刀刀齿数有限，实际上加工出的齿形是一条折线．和理论的光滑渐开线有差异，这些都会产生原理误差。加工原理误差车削模数蜗杆时，由于蜗杆的螺距等于蜗轮的周节（即πm)，其中m是模数，而π是一个无理数，但是车床的配换齿轮齿数是有限的，选择配换齿轮时只能将其化为近似的分数值计算，这就将引起刀具相对于工件的成形运动（螺旋运动）不准确，造成螺距误差。加工原理误差采用近似的成形运动或近似的刀刃轮廓．虽然会带来加工原理误差．但往往可以简化机床或刀具的结构，有时反而可以得到高的加工精度，并能提高生产率和经济性。因此．只要其误差不超过规定的精度要求，在生产中仍得到广泛的应用。机床的几何误差机床的制造误差、安装误差、使用中的磨损等都会在加工中直接影响刀具与工件的相互位置精度，造成加工误差。机床的几何误差主要包括主轴回转运动误差、导轨导向误差和传动链传动误差。主轴回转运动误差主轴回转运动误差的概念机床的主轴是安装工件或刀具的基准．并把动力和运动传给工件或刀具。因此，机床主轴的回转运动误差，直接影响被加工工件的加工精度，是机床的重要精度指标之一，它是决定加工表面几何形状精度、表面波度和表面粗糙度的主要因素。尤其是在精加工时，机床主轴的回转误差往往是影响工件圆度误差的主要因素．如坐标镗床、精密车床和精密磨床，都要求主轴有较高的回转精度。主轴回转运动误差机床主轴作回转运动时，主轴的各个截面必然有它的回转中心，在主轴的任一截面上，主轴回转时若只有一点速度始终为零．则这一点即为理想回转中心。但由于主轴及其轴承在制造及安装中存在误差，在实际回转过程中，理想的回转中心是不存在的．而存在一个其位置时刻变动的回转中心，此中心称为瞬时回转中心，主轴各截面瞬时回转中心的连线称为瞬时回转轴线。所谓主轴的回转运动误差，是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），再规定测量平面内的变动量。即主轴实际回转轴线相对理论回转轴线的”漂移”。变动量越小，主轴回转精度越高；反之越低。主轴回转运动误差主轴回转运动误差主轴的回转运动误差可分解为三种基本形式：轴向窜动、径向跳动和角度摆动机床的传动链误差在传动中，各传动元件由于制造和安装的误差都会产生转角差。这些误差又会在不同程度地影响工件的转角误差。传动链的传动误差对加工精度的影响。对于某些加工方法，为保证工件的精度，要求工件和刀具间必须有准确的传动关系。如车削螺纹时．要求工件旋转一周刀具直线移动一个导程（对于单头螺纹即为一个螺距）。所以，丝杠导程和各齿轮的制造误差都必将引起工件螺纹导程的误差。机床的传动链误差在用单头齿轮滚刀滚齿时．要求滚刀旋转周工件转过一个齿，如图16所示。这些成形运动间一定的传动关