第一节机械加工精度-山东工业职业学院

机电工程系1第四章机械加工质量加工质量尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量包含的内容机电工程系2一、机械加工精度与加工误差1、加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。符合程度越高，加工精度越高，实际生产中零件不可能与理想的要求完全符合。2、加工误差：指加工后的实际几何参数（尺寸，形状和表面间的相互位置）对理想几何参数的偏离程度，从保证产品使用性能分析允许有一定的加工误差。§4-1机械加工精度机电工程系33、两者关系：两者从不同角度来评定加工零件的几何参数。加工精度的高低是由加工误差的小大来表示的，保证和提高加工精度问题，实际上是限制和降低加工误差问题。4、研究加工精度的目的：目的是要弄清各种原始误差的物理，力学本质，以及他们对加工精度影响的规律，掌握控制加工误差的方法，获得预期的加工精度，需要时找出进一步提高加工精度的途径。机电工程系4工件相对于刀具静止状态下的误差原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差原始误差构成5、原始误差：工艺系统的各种误差叫原始误差。机电工程系5202YYRR（4-1）XRX（4-2）显然：XYRR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。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。如图所示车刀加工ΔR=ΔyΔRΔY误差敏感方向ＯYya）ＯYyb）6、误差敏感方向机电工程系61、加工原理误差指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。式中R——球头刀半径；h——允许的残留高度。例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件Sh空间曲面数控加工8SRh二、工艺系统的几何误差机电工程系7例2：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造型误差。由于滚刀刀齿有限，实际加工出的尺形是一条有微小折线组成的曲线，和理论的光滑渐开线有差异。例3：在曲线获曲面的数控加工中，由于数控铣床一般不具有空间插补功能。如曲线的加工是由许多很短的折线段逼近得到，逼近的精度可由每根线段的长度来控制。在三坐标联动的数控铣床上加工区面，实际上是一面一面的空间直线逼近空间曲面。即整个曲面是由大量加工出的小直线来逼近。因此，在曲线或曲面加工中，刀具相对于工件地成形运行是近似的。机电工程系82、机床的几何误差1）回转精度：机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的相一致程度。2）回转误差：机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的漂移。3）误差产生原因：由于主轴部件中轴承、轴颈、轴承座孔等的制造误差和配合质量，润滑条件，以及回转时的动力因素的影响。瞬时回转轴线的空间位置在周期性变化。4）理想回转轴线：客观存在，但无法确定，通常是以平均回转轴线来代替。（1）机床主轴回转误差机电工程系95）主轴回转误差基本形式：b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动径向圆跳动端面圆跳动倾角摆动机电工程系106）主轴回转误差对加工精度的影响★主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）考虑最简单的情况，主轴回转中心在y方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：e径向跳动对镗孔精度影响式中R——刀尖回转半径；φ——主轴转角。()cossinXReYR显然，上式为一椭圆。机电工程系117）影响主轴回转精度的主要因素★滑动轴承图1轴径不圆引起车床主轴径向跳动AB车床类机床（图1）——切削力的方向大体不变，主轴经以不同部件与轴承内孔的某一固定部位相接触。因此影响主轴回转精度的主要是主轴轴径的圆度。①轴承对于回转误差的影响机电工程系12★滚动轴承内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差静压轴承——对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用★推力轴承滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差镗床类机床（图2）——切削力随主轴回转而回转，主轴径总是以固定部位与轴承孔内表面的不同部位接触，因此轴承孔的圆度对主轴回转精度影响最大。图2轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动机电工程系13③与轴承配合的零件误差的影响②轴承间隙的影响轴承间隙对回转精度也有影响，如轴承间隙过大，会使主轴工作时油膜厚度增大．油膜承载能力降低，当工作条件(载荷、转速等)变化时，油楔厚度变化较大，主轴轴线漂移量增大。由于轴承内、外圈或轴瓦很薄，受力后容易变形，因此与之相配合的轴颈或箱体支承孔的圆度误差，会使轴承圈或轴瓦发生变形而产生圆度误差。与轴承圈端面配合的零件如轴肩、过渡套、袖承端盖、螺母等的有关端面，如果有平面度误差或与主轴回转轴线不垂直，会使轴承圈滚道倾斜，造成主轴回转轴线的径向、轴向漂移。箱体前后支承孔、主轴前后支承轴颈的同轴度会使轴承内外圈滚道相对倾斜，同样也会引起主轴回转轴线的漂移。机电工程系148）提高主轴回转精度的措施提高主轴部件的制造精度首先应提高轴承的回转精度．其次是提高箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合有关表而的加工精度。此外，还可在装配时先测出滚动轴承及主轴锥孔的径向圆跳动，然后调节径向圆跳动的方位，使误差相互补偿或抵消，以减少轴承误差对主轴回转精度的影响。对滚动轴承进行预紧，消除间隙对滚动轴承适当预紧以消除间隙，甚至产生微量过盈．由于轴承内外圈和滚动体弹性变形的相互制约，既增加了轴承刚度，又对轴承内外圈滚道和滚动体的误差起均化作用，因而可提高主轴的回转精度。机电工程系15使主轴回转误差不反映到工件上（误差转移）直接保证工件在加工过程中的回转精度而不依赖于主轴，是保证工件形状精度的最简单而又有效的方法。如采用两固定顶尖支承磨削外圆柱面。在镗床上加工箱体类零件孔。采用前后导向套的镗模。机电工程系162、机床导轨导向误差1）导轨导向精度及其对加工精度的影响导轨导向精度：机床导轨副的运动件实际运动方向和理想运动方向的符合程度。两者之间的偏差值称为导向误差。导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是运动的基准，它的各项误差直接影响被加工工件的精度。包括：导轨在水平面内的直线度，导轨在垂直面内的直线度，前后导轨平行度（扭曲），导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）。机电工程系172）导轨在水平面内的直线度（弯曲）Y对于车床和外圆磨床由于刀尖相对于工件回转轴线在加工表面径向方向的变化属敏感方向，故其对零件的形状精度影响很大。yR'车床导轨在水平面内有弯曲后，纵向进给中刀具相对工件轴线不能平行。因而工件表面上形成形状误差。当导轨向后凸时，工件产生鞍形误差。当导轨向前凸时，工件产生鞍形误差。机电工程系183）导轨在垂直面内的直线度（弯曲）Z垂直面内直线度误差对车床的影响较小，可以忽略不计。但对于龙门刨床、龙门铣床及导轨磨床来说，导轨在垂直面内的直线度误差将直接反映到工件上。R2ZRR0RRR2ZRZ)RR(RZ'R2222222222则：项忽略机电工程系19（3）机床传动链误差1）传动链的传动误差是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差。例：用滚齿机加工直齿轮时，要求滚刀和工件之间具有严格的运动关系。即：滚刀转一转，工件转过一个齿，这种运动关系是由刀具与工件的传动链来保证的。当传动链中各传动元件如齿轮、蜗轮、蜗杆、丝杆、螺母等有制造误差，装配误差和磨损时，就会破坏正确的运动关系，是被加工工件产生误差。机电工程系20缩短传动链长度提高末端元件的制造精度与安装精度传动比小，尤其是传动链末端传动副的传动比小，因此采用降速传动保证传动精度的重要原则采用校正装置对传动误差进行补偿采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节2）提高传动精度措施机电工程系21三、工艺系统受力变形由于切削力等引起的工艺系统产生的弹性变形，使刀具和工件在静态下调整好的相互位置，以及切削成形运动所需要的正确几何关系发生变化，从而造成加工误差。机电工程系221、工艺系统刚度：指工艺系统抵抗其变形的外力的能力。是指工件加工表面在切削力法向分力Fy的作用下，刀具相对工件在该方向位移y的比值。yFyk机电工程系23组成件的实体刚度——受力产生拉伸、压缩、弯曲变形；特别是薄弱件（楔条、轴套等）影响较大连接表面接触变形——其大小与接触面压强有关结合面间隙零件表面摩擦力的影响施力方向的影响，测试时只模拟Fy，实际上加工过程中，Fx，Fy，Fz同时作用。影响机床部件刚度因素机电工程系24（1）切削力作用点位置变化引起工件形状误差2、工艺系统受力变形对加工精度的影响ytjywz工艺系统变形随受力点变化规律FpAA′BB′CC′xLFAFByxΔx机电工程系25(2)误差复映规律切削加工中，由于毛坯本身的误差（形状或位置）使切削深度不断变化，从而引起切削力的变化，促使工艺系统产生相应的变形，因而工件表面上保留了与毛坯表面类似的形状和位置误差，但加工后残留的误差比毛坯误差从数值上大大减少了，这一现象称为“误差复映”机电工程系26毛坯误差和加工误差的定量关系如图：毛坯有圆度误差Δg，复映到被加工表面的误差为Δg加工时最大切削深度为ap1，最小切削深度为ap2，设工件材料的硬度是均匀的，则在ap1处，切削力Fy1最大，相应的变形y1也最大，在ap2处，切削力Fy2最小，相应的变形y2也最小。机电工程系27当车削加工时，xFy=1，则：pyCaF11pyCaF22pyCaFmmppppyygKCaaKCKCaKCaKFKFyy21212121机电工程系28机械加工中，误差复映系数通常小于1。误差复映程度可用误差复映系数来表示，误差复映系数与系统刚度成反比。由上式可得：kCmg误差复映系数表示加工误差与毛坯误差的比例关系，并定量的反映了毛坯误差经加工所减少的程度。机电工程系29减少误差复映的方法K越大，复映系数越小进给量f减少时，可以减小C，则减小增加走刀次数减小毛坯误差值多次走刀总的的误差复映系数当加工分几次走刀时，每次的误差复映系数为：n,,21机电工程系30123nmngmggmg3212112211由于则，多次走刀可以提高加工精度。1i1机电工程系313、夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差◆夹紧力影响a）b）薄壁套夹紧变形【例1】薄壁套夹紧变形解决：加开口套机电工程系32【例】龙门铣横梁龙门铣横梁变形龙门铣横梁变形补偿◆重力影响解决：变形补偿机电工程系33机电工程系34◆传动力与惯性力影响理论上不会产生圆度误差（但会产生圆柱度误差）周期性的力易会引起强迫振动传动力对加工精度的影响zlRyYFpFcFcdFcdyφra）O′O″r0yYFpAFcdrcd=Fcd/kcOFcFc/kcFp/kcb）O机电工程系35合理的结构设计：设计工艺装备时，尽量减少连接面数目，注意刚度的匹配，防止局部低刚度环节出现，设计基础件、支承件时，合理设计零部件结构和截面形状。提高接触刚度提高机床部件中零件接合表面的接触质量给机床部件预加载荷提高工件定位基准的精度和降低表面粗糙度值。采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）（4）减少工艺系统受力变形的措施机电工程系36采用合理装夹和加工方式支座零件不同安装方法机电工程系37热变形：机械加工过程中，工艺系统会受到各种热的影响而产生温度变形，称为热变形。这种变形将破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系，造成工件的误差。