§5.2 影响加工精度的因素及其分析

机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析§5.2影响加工精度的因素及其分析工艺系统及原始误差的组成本节内容：各种误差因素分析保证和提高加工精度的途径机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析5.2.1工艺系统及原始误差的组成研究原始误差的目的——研究零件的机械加工精度，就是研究工艺系统原始误差的物理、力学本质，掌握其基本规律，分析原始误差和加工误差之间的定性与定量关系，这是保证和提高零件加工精度的必要理论基础。以某工厂活塞精镗销孔工序为例，在加工时以止口定位，顶部夹紧，通过分析可能影响工件和刀具间相互位置的种种因素，对工艺系统的原始误差做一个全面的了解。（1）工艺系统机床、夹具、刀具和工件构成的完整系统。（2）原始误差工艺系统中的种种误差，在不同的具体条件下，以不同的程度复映到工件上，形成了工件的加工误差。工艺系统的误差是“因”，是根源；加工误差是“果”，是表现，因此把工艺系统的误差称为原始误差。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析（1）装夹——产生工件装夹误差（设计基准与定位基准不重合引起的定位误差和夹紧误差）；（2）调整——调整误差和工艺系统的静误差（机床、刀具、夹具的制造误差）；（3）加工——由于在加工过程中产生了切削力、切削热、摩擦等因素，工艺系系统就产生了受力变形、热变形、刀具磨损等原始误差，影响了已调整好的工件、刀具之间的位置，从而引起了工件的种种误差，称为工艺系统的动误差。还包括内应力引起的变形。（4）测量——测量方法和量具本身的误差，测量误差；（5）原理误差——某些表面的加工中，从加工面的形成原理中就存在着误差，称之为原理误差。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析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)原理误差调整误差装夹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综上所述，加工过程中可能出现的种种原始误差如下图所示：机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析5.2.2各种误差因素分析（一）原理误差指由于采用了近似的加工方法，即近似的成形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。（1）例如滚齿用的齿轮滚刀，就有两种误差，一是为了制造方便，采用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造形误差；二是由于滚刀切削刃数有限，切削是不连续的，因而滚切出的齿轮齿形不是光滑的渐开线，而是折线。（2）成形车刀、成形铣刀也采用了近似的刀具轮廓。（3）采用近似的成形运动和刀具刃形，不但可以简化机床或刀具的结构，而且能提高生产效率和加工的经济效益。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析（二）机床误差来源：机床制造，磨损和安装。以上各项检验是在没有切削载荷的情况下进行的，所反映的各项误差称之为机床的静误差，包括了机床的几何误差和传动链误差。机床在出厂以前都要通过机床精度检验，检验内容是机床主要零部件本身的形状和位置误差，要求它们不超过规定的数值。以车床为例，主要项目有：床身导轨在垂直面和水平面内的直线度和平行度主轴轴线对床身导轨的平行度主轴的回转精度传动链精度刀架各溜板移动时，对主轴轴线的平行度和垂直度机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析评价一台机床精度的高低不能只看它在静态下的情况，还应应注意要看它在切削载荷下的动态情况。机床静态精度是其动态精度的基础。此外，合格的机床经过一段较长时期的使用后，由于不可避免的磨损、地基变动和其他原因，原有精度会有不同程度的降低，并可能产生相关精度问题，此时就需对机床进行某些项目的测量和分析。下面着重分析机床静误差中对加工精度占举足轻重地位的导轨误差、主轴误差和传动链误差。（1）导轨误差机床导轨副是机床中确定各主要部件位置关系的基准，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精度。如，车床床身导轨在水平面内有了弯曲之后，在纵向切削过程中就可能产生鞍形或鼓形加工误差。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析导轨在水平面与垂直面内的弯曲（误差）对加工精度的影响的比较：ΔRΔYΔR=ΔXＯYXa）ＯYXb）显然：XYRR202YYRRXRX说明：在垂直面内导轨的弯曲对加工精度的影响很小，可以忽略不计；而在水平面内同样大小的导轨弯曲就不能忽略。普通车床车削外圆总结：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，一般为已加工表面过切削点的法线方向。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析车床和磨床的床身导轨误差（根据部颁检验标准）共有三个项目：：1）导轨在水平面内的直线度误差1。2）导轨在垂直面内的直线度误差2。3）前后导轨的平行度误差（扭曲度）3。分析导轨导向误差对加工精度的影响时，主要考虑刀具与工件在误差敏感方向上的相对位移。机床导轨的几何精度，不但取决于它的制造精度和使用的磨损情况，而且还和机床的安装情况有很大关系，安装这项工作被称为“安装水平的调整”。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析（2）主轴误差主轴的回转运动误差，是指主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线的变动量。变动量越大，回转精度越低；变动量越小，回转精度越高。实际上，主轴的理想回转轴线虽然客观存在，但很难确定其位置，所以通常用平均回转轴线（即主轴各瞬时回转轴线的平均位置）来代替它。机床主轴使工件或刀具的位置基准和运动基准，它的误差直接影响着工件的加工精度。对主轴的要求就是在运转的情况下，它能保持轴心线的位置稳定不变，也就是所谓的回转精度。主轴的回转精度与制造精度（包括加工和装配精度）、受力后的变形、随速度增加相关的散热问题等因素有关。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析主轴的回转运动误差表现为端面圆跳动、径向圆跳动、角度摆动三种基本形式。1）端面圆跳动。主轴实际回转轴线沿平均回转轴线的方向作纯轴向蹿动，它对内、外圆柱面车削影响不大。主要是在车端面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差和轴向尺寸精度误差，在车螺纹时它使螺距产生误差。2）径向圆跳动。主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量，车削外圆时它影响被加工工件圆柱面的圆度和圆柱度误差。3）角度摆动。主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线成倾斜一个角度作摆动，它影响被加工工件圆柱度与端面的形状误差。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析不同的加工方法，主轴的回转误差所引起的加工误差也不同。见下表提高主轴及箱体轴承孔的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析下面结合上述三种纯误差和更为复杂的轴心漂移来分析主轴误差来自主轴部件缺陷的根源。主轴用滑动轴承支承的结构：机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析主轴用滚动轴承支承的结构：主轴轴颈精度的影响机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析传动链误差是指机床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，它是按展成法原理加工工件（如齿轮、蜗轮等零件）时，影响加工精度的主要因素。（3）传动链误差传动链中的各传动元件，如齿轮、蜗轮、蜗杆等有制造误差和磨损时，就会破坏正确的运动关系，出现传动链的传动误差。传动链传动误差一般用传动链末端转角误差来衡量。外联系传动链——动力源到主轴之间的传动链。内联系传动链——两个执行部件之间的传动链。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析缩短传动链长度传动链误差的频谱分析a)ΔφΣφnA1A2Aib)ω（频率）ω1ω2ωi提高传动精度措施提高末端元件的制造精度与安装精度采用降速传动采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节对传动误差进行补偿机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析（三）调整误差在机械加工中的每一个工序，都存在着许多工艺系统的调整问题。以活塞加工为例，存在：a.机床的调整；b.夹具的调整；c.刀具的调整。由于调整不可能绝对得准确，也就带来了一项原始误差，即调整误差。不同的调整方式，有不同的误差来源：（1）试切法调整广泛用在单件、小批生产中，来源有三种：a.测量误差；b.加工余量的影响；c.微进给误差。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析在大批量生产中广泛采用行程挡块、靠模、凸轮等机构保证加工精度。此时，这些机构的制造精度和调整，以及与它们配合使用的离合器、电气开关、控制阀等的灵敏度就成了影响误差的主要因素。（3）按样件或样板调整（2）按定程机构调整在大批量生产中用多刀加工时，常用专门样件来调整切削刃间的相对位置，如活塞半精车和精车时就是如此。当工件形状复杂，尺寸和质量都比较大的时候，利用样件进行调整就太复杂，且不经济，这时可采用样板对刀。例如在龙门刨床上刨床身导轨时，就可安装一块轮廓和导轨截面相同的样板来对刀。此时样件或样板本身的误差（包括制造误差和安装误差）和对刀误差就成了调整误差的主要因素。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析（四）工艺系统受力变形对加工精度的影响（1）现场加工中工艺系统受力变形的现象车削细长轴时，产生的“让刀”的现象；车削刚性很好的工件，产生的“让刀”的现象；工艺系统受力变形，在磨削加工中的表现；因此，工艺系统的受力变形是机械加工精度中的一项很重要的原始误差，它不但严重地影响着加工后工件的精度，而且还影响着表面质量、限制切削用量和生产率的提高。工艺系统在外力作用下产生变形的大小，不仅和外力的大小有关，而且和工艺系统抵抗外力使其变形的能力，即工艺系统的刚度有关。下面首先分析一下工艺系统受力变形的特点及物理本质，然后再讨论它们对加工精度的影响。机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析1）定义在切削力的作用下，刀具（由于工艺系统的受力变形）和工件相对退让；设让刀距离为y，这工艺系统在Y方向的刚度是（2）机床部件刚度及其特点yFky即，工艺系统的刚度指的是在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比。刚度的倒数称为柔度。刚度有静刚度、动刚度之分。一般情况下，工艺系统的动刚度与静刚度成正比，因此以下仅针对静刚度进行分析讨论，搞清工艺系统受力变形的最基本机理。静刚度是工艺系统本身的属性，在线性范围内可认为与外力无关。车削时作用在工件和刀具上的力机械工程学院机械制造技术——第五章机械制造质量分析与控制§5.2影响加工精度的因素及其分析零件的刚度，一般可以用材料力学的公式作近似计算，和实际的出入不大。但对于由若干零件组成的部件，刚度问题变得比较复杂。迄今还没有合适的计算方法，需要用实验的方法来加以测定。2）机床部件刚度的特点：车床刀架、头、尾架静刚度测量示意图1—心轴2、3、6—千分