第29讲机械加工精度

29th机械加工精度1．加工精度与加工误差加工精度尺寸精度形状精度位置精度◆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。29th机械加工精度◆加工误差：零件加工后实际几何参数与理想几何参数偏离程度。几何参数尺寸几何形状相互位置加工误差越小则加工精度越高，但理想与现实不可能完全一致，即误差不可避免。原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)，加工前就存在与工艺过程有关的原始误差(动误差)，加工过程中产生原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床几何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静止状态下的误差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分类29th机械加工精度2．影响加工精度的误差◆原始误差：引起加工误差的本根原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式。b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动图主轴回转误差基本形式主轴回转误差机床的几何误差29th机械加工精度影响圆度与圆柱度影响端面形状精度、轴向尺寸精度影响形状精度如车外圆会产生锥度车端面会产生平面度误差图5-4：202YYRR（5-2）XRX（5-3）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。误差敏感方向ΔRΔYΔR=ΔX图5-4误差敏感方向ＯYXa）ＯYXb）29th机械加工精度◆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X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴相同，振幅为e。式中R——刀尖回转半径；φ——主轴转角。()cossinXReYR（5-1）显然，式（5-1）为一椭圆。图径向跳动对镗孔精度影响29th机械加工精度刀尖的坐标值为：◎导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差（1）导轨在水平面内的直线度误差导轨导向误差29th机械加工精度使工件在纵向截面与横向截面内分别产生形状误差与尺寸误差（2）导轨在垂直面内的直线度误差29th机械加工精度工件与刀具之间产生法向位移（误差敏感方向），造成水平面上的形状误差——被加工端面不平，相对位置误差——端面与圆柱面不垂直。工件与刀具之间产生切向位移，车外圆时，对外圆的形状精度影响较小。（3）前后导轨平行度误差（扭曲）ΔX图5-6导轨扭曲引起的加工误差δΔRDαBXYHRHB（5-4）29th机械加工精度导轨扭曲对工件加工精度的影响显著◆影响导轨导向精度的主要因素机床制造误差机床安装误差导轨磨损29th机械加工精度◆机床传动误差对加工精度的影响图5-7齿轮机床传动链z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd以齿轮机床传动链为例，系统引起的转角误差为：式中kj——该元件至末端元件的传动比，第j个传动元件的误差传递系数，表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度。机床传动误差29th机械加工精度◆传动误差：传动链首末两端传动元件之间相对运动的误差，由传动链中传动元件的制造误差，安装误差引起。想一想根据传动比的大小如何判断转角误差被放大还是缩小？缩短传动链长度采用降速传动，降速比越大（即传动比越小）提高传动元件的制造精度与安装精度对传动误差进行补偿—人为加入误差（与传动误差大小相等方向相反）◆提高传动精度措施29th机械加工精度原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)，加工前就存在与工艺过程有关的原始误差(动误差)，加工过程中产生原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床几何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静止状态下的误差主轴回转误差：三种基本形式导轨导向误差：三种基本形式传动误差：误差传递系数原始误差分类29th机械加工精度一般刀具普通车刀、平面铣刀）的加工误差对加工精度没有直接影响。定尺寸刀具（钻头、绞刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差2、刀具误差29th机械加工精度◆刀具误差：刀具的制造、安装和磨损产生的误差。刀具误差对加工精度的影响与刀具的种类有关。刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差L±0.05φ6F7φ10F7k6H7g6YZ图5-9钻径向孔的夹具夹具误差影响加工位置精度。与夹具有关的影响位置误差因素包括：通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。3、夹具误差1）定位误差；2）刀具导向（对刀）误差；3）夹紧误差；4）夹具制造、安装误差；5）夹具工作表面磨损；……29th机械加工精度4、调整误差29th机械加工精度◆调整误差：在每一道加工工序中，需对机床、夹具、刀具间的相对位置进行调整时产生的误差。（1）试切法（单件小批生产）试切-测量-调整吃刀量-再试切-测量直到达到加工精度要求（2）调整法（成批大量生产）先通过试切法（或者标准样块）调整好刀具和工件在机床上的相对位置，并在一批零件的加工过程中，保持这种相对位置不变。优点：效率高。测量误差。试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差。机床进给机构的位移误差。29th机械加工精度调整法的误差来源有：和试切法有关的误差。定程机构误差。大批量生产中广泛采用行程挡块、靠模、凸轮等定程机构保证加工尺寸。样件或样板误差。测量有限试件造成的误差。原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)，加工前就存在与工艺过程有关的原始误差(动误差)，加工过程中产生原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床几何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静止状态下的误差主轴回转误差：三种基本形式导轨导向误差：三种基本形式传动误差：误差传递系数原始误差分类29th机械加工精度刚度与工艺系统刚度pFkX（5-7）注意：ΔX是总切削力综合作用的结果。◆刚度：材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力。FkX（5-6）力力方向上的变形量刚度◆工艺系统刚度：在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量的比值。法向切削分力工艺系统的刚度法向方向的变形量11111jcjjdgkkkkk（5-8）式中k——工艺系统刚度；kjc——机床刚度；kjj——夹具刚度；kd——刀具刚度；kg——工件刚度。工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加。工艺系统刚度计算29th机械加工精度1、工艺系统刚度对加工精度的影响◆机床变形引起的加工误差（车床两顶尖车削短粗光轴）jcdjzXXX（5-9）图5-10变形随受力点变化规律XtjXwzΔXFpABB′CZLFAFBXz（1）切削力作用点位置变化引起工件形状误差C′图5-11机床受力变形引起的加工误差1—理想的工件形状2—机床变形后加工出的工件形状A′尾座位移刀架位移主轴箱位移切削点处工件轴线位移刀架位移工艺系统总位移刀具与工件的变形可忽略，主要考虑机床（主轴箱、尾座、刀架的变形）。（5-10）223pgFLZZXEJL◆工件变形引起的加工误差（车床两顶尖车削细长轴）式中Xg——工件变形；E——工件材料弹性模量；J——工件截面惯性矩；Fp，L，Z——含义同前。由于工件变形，使工件加工后成鼓形（图5-12）图5-12工件受力变形引起的加工误差29th机械加工精度工件的变形为主要因素。以椭圆截面车削为例说明（图5-14）图5-14误差复映现象ap1Δ1ap2Δ2毛坯外形工件外形由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”（2）切削力大小变化引起的加工误差误差复映29th机械加工精度切削深度由ap1变化到ap2时，切削分力由Fp最大变到最小，工艺系统产生变形，使得刀具相对于工件产生Δ1到Δ2的位移——加工后的零件也存在圆度误差。毛坯存在圆度误差误差复映系数机械加工中，误差复映系数通常远小于1。可通过多次走刀，消除误差复映的影响。123n（5-15）误差复映程度可用误差复映系数来表示。gm（5-14）29th机械加工精度式中Δg——工件圆度误差；Δm——毛坯圆度误差；ε——误差复映系数，总是小于1，且与系统刚度成反比。ap1Δ1ap2Δ2毛坯外形工件外形Ck增大系统刚度可降低误差复映系数（3）夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差◆夹紧力影响【例】薄壁套夹紧变形29th机械加工精度专用卡爪开口过渡环毛坯夹紧后镗孔后松开后图5-17龙门铣横梁变形【例】龙门铣横梁◆重力影响解决1：重量转移解决2：变形补偿29th机械加工精度附加梁◆惯性力与传动力影响高速旋转的零部件，由于质量不平衡将产生周期性的惯性力（离心力），其方向随着转动不断变化，并产生加工误差（主要是圆度误差）。改善措施：平衡配重传动力与离心力一样，在工件的转动中不断改变方向，造成圆度误差。改善措施：采用双爪拨盘29th机械加工精度合理设计零部件结构和截面形状提高连接表面接触刚度（↓表面粗糙度，改进接触质量，予加载荷）采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）图5-21支座零件不同安装方法减小载荷及其变化采用合理装夹和加工方式变形转移、补偿和校正提高工艺系统刚度2、减小受力变形对加工精度影响措施29th机械加工精度工件钻头钻模板钻套nf原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)，加工前就存在与工艺过程有关的原始误差(动误差)，加工过程中产生原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床几何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静止状态下的误差主轴回转误差：三种基本形式导轨导向误差：三种基本形式传动误差：误差传递系数原始误差分类29th机械加工精度在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约40～70%。温度场——工艺系统各部分温度分布热平衡——单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上，此时工艺系统稳定。工艺系统热源内部热源外部热源切削热工件、刀具、切屑摩擦热电机、轴承、齿轮环境热源气温室温辐射热日光、照明、暖气工艺系统热变形工艺系统热源29th机械加工精度体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著车床受热变形形态机床热变形特点车床热变形（图5-22）1、机床热变形对加工精度影响29th机械加工精度主要是主轴箱内齿轮、轴承摩擦发热，电机发热。主轴箱、床身温度升高主轴抬高倾斜、床身凸起立铣（图a）图5-23立式铣床、外圆磨床受热变形a）铣床受热变形形态b）外圆磨床受热变形形态外圆磨（图b）其他机床热变形（图5-23）29th机械加工精度同车床一样，主要是主轴箱和电动机发热，导致主轴箱倾斜，床身变形。砂轮主轴轴承发热，液压系统发热，导致砂轮架移位，导轨变形。2、刀具和工件热变形体积小，热容量小，达到热平衡时间较短温升高，变形不容忽视（达0.03～0.05mm）◆特点◆变形曲线（图5-24）max1ce（4-16）式中ξ——热伸长量，用于表示刀具受热伸长变形量的大小；ξmax——达到热平衡热伸长量；τ——切削时间；τc——时间常数（热伸长量为热平衡热伸长量约63%的时间，常取3～4分钟）。τ(min)图5-24车刀热变形曲线连续切削升温曲线冷却曲线间断切削升温曲线ξ（μm）ξmaxτb0τc0.63ξmax刀具热变形29th机械加工精度◆圆柱类工件热变形5级丝杠累积误差全长≤5