第二章 机械加工精度及其控制

第二章机械加工精度§2.1概述零件的加工质量是保证机械产品工作性能和产品寿命的基础。衡量进行加工质量的指标有两方面加工精度表面质量本章的任务是讨论零件的机械加工精度问题。一、机械加工精度和加工误差在机械加工过程中，由于各种因素的影响，使刀具和工件间的正确位置发生偏移，因而加工出来的零件不可能与理想的要求完全符合，两者的符合程度可用机械加工精度和加工误差来表示。从保证产品的使用性能分析，没有必要把每个零件都加工得绝对准确，可以允许有—定的加工误差，只要加工误差不超过图样规定的偏差，即为合格品。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。1、机械加工精度：2、加工误差：是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的偏离程度。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。保证和提高加工精度实际上就是限制和降低加工误差。3、机械加工精度包含的内容尺寸精度形状精度位置精度机械加工精度三者之间的关系：（1）当尺寸精度要求高时，相应的位置精度和形状精度也要求高。形状公差应限制在位置公差内，位置公差应限制在尺寸公差内。（2）当形状精度要求高时，相应的位置精度和尺寸精度不一定要求高。4、加工精度与加工成本和生产效率的关系一般地，加工精度要求↑，加工成本↑，生产效率↓。5、研究加工精度的目的研究加工精度的目的、就是弄清各种原始误差对加工精度影响的规律，掌握控制加工误差的方法，以获得预期的加工精度，必要时能指出进一步提高加工精度的途径。6、研究加工精度的方法因素分析法统计分析法在实际生产中，常常结合起来应用。一是先用统计分析法寻找误差的出现规律，初步判断产生加工误差的可能原因，然后运用单因素分析法进行分析、试验，以便迅速、有效地找出影响加工精度的主要原因。二、影响加工精度的因素零件的尺寸、几何形状和表面间的相互位置的形成，归根到底取决于工件和刀具在切削过程间的相互位置。由于工艺系统存在各种原始误差，它们以不同的方式和程度反映为加工误差。由此可见：1、原始误差机床夹具刀具工件亦称机械加工工艺系统构成了机械加工系统故：工艺系统误差称为原始误差。工艺系统误差是“因”，是根源；加工误差是“果”，是表现。2、零件加工中的各种原理误差调整误差定位误差夹紧误差制造误差测量误差因残余应力产生的误差加工原理误差机加工前，对机床、夹具、刀具调整中；由切削力、惯性力、刀具磨损、切削热等引起；工件加工、测量好后；由于采用了近似的加工方法。机械加工中的原始误差可归纳为：原始误差工艺系统(几何误差)加工过程(动误差)工艺系统制造和磨损工艺系统热效应机床的制造和磨损夹具的制造和磨损刀具的制造和磨损工艺系统受力变形工艺系统受热变形工件残余应力变形调整误差定位误差、夹紧误差制造误差测量误差加工原理误差三、误差的敏感方向在加工过程中，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最大。下面以外圆车削为例说明两者的关系。如图，车削时工件的回转轴线为O，刀尖正确位置在A。设某一瞬时由于各种原始误差的影响，使刀尖位移到A’，AA’即为原始误差δ，它与OA间的夹角为φ，由此引起工件加工后的半径由R0＝OA变为R＝OA’，故半径上的加工误差△R为：当原始误差的方向恰为加工表面的法向方向(φ＝0°)时，引起的加工误差最大；可以看出：当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向(φ＝90°)引起的加工误差最小。把对加工精度影响最大的那个方向称为误差的敏感方向，对加工精度影响最小的那个方向则称为误差的不敏感方向。刨床的误差敏感方向呢？工件的垂直方向镗削的误差敏感方向呢？工件内圆切削点的法向方向磨削的误差敏感方向呢？工件的法向方向加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工而产生的误差。一、加工原理误差如：1、在数控机床上采用“行切法”加工复杂形面。XYZRshRhs8§2.2工艺系统的几何精度对加工精度的影响2、车削模数蜗杆由于蜗杆的螺距等于蜗轮的齿距(即πm，其中m是模数，而π是一个无理数3．14159…)，但是车床配换齿轮的齿数是有限的。因此，在选择配换齿轮时，只能将π化为近似的分数值计算，这样就会引起刀具相对工件的成形运动(螺旋运动)不准确，造成螺距误差。但是，这种螺距误差可通过配换齿轮的合理选配而减小。滚齿加工用的齿轮滚刀有两种误差：一是切削刃齿廓近似造形误差，由于制造上的困难，采用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；二是由于滚刀刀齿数有限，且有容屑槽实际上加工出的齿形是一条折线，和理论上的光滑渐开线有差异。(包洛造形误差)3、滚齿加工•补充知识:1、获得零件形状精度的方法轨迹法:依靠刀尖的运动轨迹即成形运动精度;成形法:依靠成形刀具即成形精度,和成形运动精度;展成法:依靠展成运动即展成运动的精度;2、获得零件尺寸精度的方法试切法:切削—测量—调整—切削—测量—再调整--调整法:依靠试件、样件、挡块等定行程装置；定尺寸刀具法:依靠刀具自身制造精度；自动控制法：自动化的试切法或调整法3、获得零件表面的相互位置精度一次安装，连续加工------不受定位精度，夹紧精度影响多次安装，多次加工------受定位精度，夹紧精度影响注意：采用近似的成形运动或近似的切削刃轮廓，虽然会带来加工原理误差，但往往可简化机床或刀具的结构，提高生产效率，有时反而能得到较高的加工精度。因此，只要刀具误差不超过规定的精度要求、在生产中仍能得到广泛的应用。二、调整误差在机械加工的每一工序中。总是要对工艺系统进行这样或那样的调整工作不可能绝对地准确，因而产生调整误差。工艺系统的调整的基本方式(1)试切法调整(2)调整法调整(1)试切法调整1)测量误差。由量具本身精度度、测量方法及使用条件引起。2)进给机构的位移误差。在微量调整刀具的位置、低速微量进给中，常常出现进给机构的“爬行”现象，其结果使刀具的实际位移与刻度盘上的数值不一致、造成加工误差。3)试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响。精加工时，最后一道切削刃只起挤压作用而不起切削作用，但正式切削时的深度较大。粗加工反之(让刀)。应用：单件小批生产中。方法：对工件进行试切—测量—调整—再试切，直到达到要求的精度为止。这时，引起调整误差的因素有：(2)调整法调整影响调整精度的因素有：1）用定程机构调整时，调整精度取决于行程挡块、靠模及凸轮等机构的制造精度和刚度；2）用样件或样板调整时，调整精度取决于样件或样板的制造、安装和对刀精度；3）工艺系统初调好以后，—般要试切几个工件，并以其平均尺寸作为判断调整是否准确的依据。由于试切加工的工件数(称为抽样件数)不可能太多，不能完全反映整批工件切削过程中的各种随机误差，故试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合，也造成加工误差。三、机床误差机床的制造误差、安装误差以及使用中的磨损都直接影响工件的加工精度。机床误差可归纳为：机床导轨导向误差机床主轴回转误差机床传动链的误差机床误差1、机床导轨误差机床导轨误差多达21项。机床导轨是实现直线运动的主要部件，其制造和装配精度是影响直线运动的主要因素，直接影响工件的加工质量。机床导轨误差机床导轨误差多达21项。3×6+3=21。导轨在水平面内直线度误差导轨在垂直面内直线度误差导轨面间平行度（扭曲）误差导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度误差（1）直线导轨导向精度的主要内容有：1)磨床导轨在水平面内直线度误差的影响引起工件在半径方向上的误差。当磨削长外圆时，造成圆柱度误差。2)磨床导轨在垂直面内直线度误差的影响由于磨床导轨在垂直面内存在误差，磨削外圆时，工件沿砂轮切线方向产生位移(误差非敏感方向)，此时工件产生圆柱度误差。对平面磨床、龙门刨床、铣床等法向方向的位移(误差敏感方向)，将直接反映被加工件的表面形成的形状误差。3)导轨面间平行度（扭曲）误差的影响如车床两导轨的平行度误差(扭曲)使床鞍产生横向倾斜，刀具产生位移，因而引起工件形状误差。4)导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度误差的影响。造成加工表面下凹。实际应用中，为防止“扫刀”，往往将主轴与进给方向倾斜一微小角度（30”）。其他因素引起工件形位误差;a.前后导轨的磨损;b.机床热变形,靠主轴位温度高,成翘曲;c.润滑d.导轨副的磨损;2、机床主轴的回转运动误差（1）主轴回转运动误差的概念理想回转中心：机床主轴做回转运动时，主轴的各个截面必然有它的回转中心，在主轴的任一截面，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。瞬时回转中心：主轴在实际回转过程中，在一个位置或时刻的回转中心，称为瞬时回转中心，主轴各截面瞬时回转中心的连线叫瞬时回转轴线。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)，在规定测量平面内的变动量。变动量越小，主轴回转精度越高；反之越低。（2）主轴回转运动误差的形式端面圆跳动（轴向漂移）径向圆跳动（径向漂移）倾角摆动（角向漂移）主轴的回转运动误差的基本形式注意：实际中常是这几种误差的合成。端面圆跳动——瞬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b。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。在不同横截面内，轴心运动误差轨迹相似，它影响圆柱面与端面加工精度。3.主轴回转误差对加工精度的影响（1）端面圆跳动1）对圆柱面的加工无影响(轴向:误差不敏感方向)；2）对加工端面的影响3）对螺纹加工的影响(法向)如图（a):A/R=tgθ螺距周期误差:如图（b）（2）径向圆跳动使工件产生圆度误差，但影响程度因加工方法的不同而异。如：1)镗孔时设原始误差：主轴径向回转误差表现为y向简谐运动。h=AcosΦ在任一时刻刀尖a的位置为：分析：这是椭圆的参数方程，加工出的孔呈椭圆形，圆度误差为A。2)车削时（3）倾角摆动1）几何轴线相对于平均轴线在空间成一定锥角α的圆锥轨迹------正圆锥形状误差(从垂直于平均轴线的截面看)2）几何轴线在某个平面内做角度摆动，摆动频率与主轴回转频率一致.从垂直于平均轴线的截面看:------圆柱度（车削）:刀尖到平均轴线的距离不变;------椭圆体误差（镗削）:镗刀尖到几何轴线的距离不变,但刀尖到平均轴线的距离变化4.主轴回转运动误差的影响因素主轴的误差：制造轴承的误差：圆度、波度（主轴颈与内孔）轴承的间隙：影响油膜厚度;与轴承配合零件的误差：轴颈和箱体轴承孔主轴系统的径向不等刚度和热变形等影响主轴回转运动误差的主要因素对于不同类型的机床，其影响因素也各不相同。(滑动轴承)工件回转类刀具回转类思考：1滑动轴承误差?a刀具回转类--镗床,磨床,铣床..主轴回转一周,主轴径向跳动两次--来回两次.b工件回转类--车床..主轴回转一周,主轴径向跳动一次.2滚动轴承误差？内圈----主轴颈外圈----轴承孔滚动体尺寸误差(依保持架与主轴转速比而定)3向心推力轴承误差？滚道的端面误差内外滚道的倾斜圆度与波度（4）提高主轴回转精度的措施1)提高主轴部件的制造精度首先应提高轴承的回转精度选用高精度的滚动轴承采用高精度的多油楔动压轴承采用高精度的静压轴承提高箱体支承孔的加工精度主轴轴颈的加工精度与轴承相配合表面的加工精度其次应提高轴承组件的接触刚度常采用两个固定顶尖支承，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，而提高顶尖和中心孔的精度要比提高主轴部件的精度容易且经济得多。2)对滚动轴承进行预紧可消除间