第二节 工艺系统的几何精度对

加工原理误差是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，一般多为形状误差。如：用阿基米德蜗杆滚刀切削渐开线齿轮；在数控机床上用直线插补或圆弧插补方法加工复杂曲面；在普通公制丝杠的车床上加工英制螺纹等，都会由于加工原理误差造成零件的加工表面形状误差。往往会使机床的结构复杂，刀具的制造困难，加工的效率降低。而采用近似加工方法，则常常可使工艺装备简单化，生产成本降低，故在满足产品精度要求的前提下，原理误差的存在是允许的。第二节工艺系统的几何精度对加工精度的影响一、加工原理误差生产中常采用的刀具调整方法主要有：按标准样块或对刀块（导套）调整刀具及按试切一个工件后的实测尺寸调整刀具。具调整精度的主要因素有标准样件本身的尺寸误差，刀块（导套）相对工件定位元件之间的位置尺寸误差，刀具调整时的目测误差，切削加工时刀具相对于工件加工表面的弹性退让和行程挡块的受力变形等。免上述一些因素的影响，但对于一批零件，可能导致由于进给机构的重复定位误差和按试切一个工件尺寸调整刀具的不准确性，引起加工后这一批零件尺寸分散和分布中心位置的偏离。二、调整误差为进一步提高对一批工件尺寸分布中心位置判断的准确性，可采用多试切几个工件（如n个）取平均值的方法。按多次重复测量原理，由于判断不准而引起的刀具调整误差，试切1个时,△p=3σ（σ为加工误差的标准差）；试切n个时，可下降到:3pn此外，机床微量进给误差（爬行）也是影响调整精度的重要因素。思考题为何试切一个工件，调整误差为Δp=3σ；而试切n个工件的调整误差为:3pn答案：在正常情况下，零件加工尺寸误差接近正态分布，其分散范围可认为是μ±3σ（详见4.6节）。试切1个零件，在最不利的情况下，总体平均值（μ）可能与被试切零件尺寸相差3σ。若试切n个零件，取平均值，则平均值的分散范围为在最不利的情况下，总体平均值（μ）可能与被试切零件尺寸平均值相差。3n3n三、机床误差在工艺系统中，机床是为切削加工提供运动和动力的，机床原有误差对加工精度的影响最为显著，也最为复杂。机床的几何精度主要包括回转运动精度、直线运动精度、成形运动间位置关系精度和传动精度等几个方面。机床导轨精度主要有导轨在水平面内的直线度、导轨在垂直面内的直线度和双导轨间在垂直方向的平行度。机床导轨误差对刀具或工件的直线运动精度有直接的影响。它将导致刀尖相对于工件加工表面的位置变化,从而对工件的加工精度，主要是对形状精度产生影响。下面以普通车床为例说明导轨精度对零件加工精度的影响。（一）导轨导向精度１、机床导轨误差对加工精度的影响1)导轨在水平面内的直线度误差2)导轨在水平面内有直线度误差ΔX时，将使刀3)尖相对于工件回转轴线在加工面的法线方向4)（加工误差敏感方向）上产生位移，位移量等于导轨的直线度误差，此时刀尖在水平面内的运动轨迹5)不是一条直线，由此造成工件的轴向形状误差为：2dX2)导轨在垂直面内的直线度误差导轨在垂直面内有直线度误差ΔY时，将使刀尖相对于工件回转轴线在加工面的切线方向（加工误差非敏感方向）变化，此时刀尖的运动轨迹也不是一条直线，由此造成工件的轴向形状误差为：式中d--工件直径。22Ydd3）导轨扭曲当前后导轨之间在垂直面内存在平行度误差Δn（扭曲）时，如图4-22所示，工作台在运动过程中将产生摆动，刀尖运动轨迹为一条空间曲线，造成的加工误差为：一般车床H/B≈2/3，故Δn对工件加工表面形状误差的影响很大。HRXnB１）选用合理的导轨形状和导轨组合形式，合理的形状参数，如90`双三角形。２）提高精度：加工精度，配合精度３）减少磨损：静压导轨，贴塑导轨。２、提高直线运动精度的措施主轴回转时，其回转轴线的空间位置应该固定不变，即回转轴线的瞬时速度为零。实际上，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，以及回转过程中多方面的动态因素的影响，使瞬时回转轴线的空间位置呈现周期性.所谓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。理想回转轴线虽然客观存在，但却无法确定其位置，因此通常是以平均回转轴线（即主轴各瞬时回转轴线的平均位置）来代替。为便于研究，可以将主轴回转轴线的运动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，如图4-14所示。（二）主轴回转运动精度1、主轴回转误差的基本概念产生径向圆跳动的原因（1）滑动轴承1）车床：主轴轴颈的圆度误差将在回转过程中引起轴线位置产生瞬时变化，造成径向跳动；而轴承内孔有圆度误差时，其影响较小，如图4-15a，b所示。2）镗床：由于切削力作用方向是变化的，因而当滑动轴承内孔有圆度误差时，将使主轴在回转的过程中产生径向跳动，引起镗孔的圆度误差，如图4-15c所示。（2）滚动轴承主轴采用滚动轴承时，滚动轴承的内圈、外圈和滚动体本身的几何误差都将影响主轴回转精度。此外，主轴轴颈的误差、轴承孔的误差、装配质量以及装配间隙等对主轴回转精度也有重要影响。2、主轴回转误差的产生[思考题4-5]滚动轴承中滚动体的尺寸误差，对主轴回转精度有什么影响？[思考题4-6]主轴轴颈误差为什么会影响滚动轴承的回转精度？[思考题4-5]答案：径向跳动。当最大的滚动体通过承载区一次，会是主轴回转轴线跳动一次，其频率与保持架转速有关。通常保持架转速约为内环转速的二分之一，故这种径向跳动每当主轴转两周发生一次，常称为双转跳动。[思考题4-6]答案：轴承内环是一个薄壁零件，若主轴轴径不圆，会使内环滚道发生相应的变形，从而引起主轴的径向跳动。产生端面圆跳动的原因推力轴承滚道端面误差会造成主轴端面圆跳动，见图4-16。由图可见，若只有一个端面滚道存在误差，对端面圆跳动影响很小（图a）；只有当两个滚道端面均存在误差时，才会引起较大的跳动量（图b）。同样，推力轴承滚动体的几何误差，两推力环安装面的误差，以及装配质量和装配间隙等对主轴端面圆跳动误差也有重要影响。产生倾角摆动的原因的综合。凡引起径向圆跳动与端面圆跳动的因素均会影响主轴的倾角摆动。由于存在误差敏感方向，加工不同表面时，主轴的径向跳动所引起的加工误差也不同。例如，在车床上加工外圆或内孔时，主轴的径向跳动将引起工件的圆度误差，但对于端面加工没有直接影响。车端面时，主轴的轴向窜动将造成工件端面的平面度误差，以及端面相对于内、外圆的垂直度误差；车螺纹时，会造成螺距误差。主轴的轴向窜动对加工外圆或内孔的影响不大。差的影响相似，主要区别在于主轴的角度摆动不仅影响工件加工表面的圆度误差，而且影响工件加工表面的圆柱度误差。3、主轴回转误差对零件的加工精度的影响[思考题4-7]假设主轴在X轴方向上作简谐运动，h=Acosφ（式中x为轴心位移量，A为振幅，φ为主轴转角）。试分析在XY平面内车孔和镗孔两种情况所引起的加工误差。若主轴在X轴方向上简谐运动的频率为主轴转速的两倍时，车出的孔的形状如何？可以通过对主轴回转精度的测量，加深对主轴回转精度的理解。主轴回转精度的测量装置如图4-20所示。在主轴端部连结一个精密的测量球3，球的中心和主轴回转轴心线间有微小偏心e，在球的横向（垂直于主轴回转轴线方向）相互垂直的位置上安装两个位移传感器2、4，并使之与测量球之间保持一定的间隙。当主轴旋转时，由于轴心线的漂移引起测量间隙产生微小的变化，两个传感器接受此信号经放大器5放大后，分别输入到示波器6的水平和垂直偏置端口。假设测量球的圆度误差很小，近似正圆，主轴也没有回转误差，此时在示波器上显示出一个以偏心距e为半径的圆。当主轴存在回转误差时，传感器测出误差信号叠加到球心所作的圆周运动上，这时示波器上将描绘出一个非圆的李沙育图形，它是由不重合的每转回转误差曲线叠加而成。包容该图形半径差为最小的两个同心圆的半径差△Rmin，即为主轴回转径向漂移量。4、主轴回转精度的测量[思考题4-8]工厂常用图4-21所示方法测量主轴回转精度。这种方法存在什么问题。图4-21主轴回转精度的表测法答案：1）不能把不同性质的误差区分开来，如测量心轴本身的误差，主轴锥孔误差，锥孔与主轴回转轴线的不同轴误差等。2）不能反映主轴在工作转速下的回转精度。1）选用高精度的轴承，并提高主轴及箱体的制造精度和主轴部件的装配精度。2）对高速主轴部件要进行动平衡，对精密滚动轴承要采取预加载荷等工艺措施。3）采用液体或气体静压轴承，由于无磨损，高刚度（是滚动轴承的5～6倍），以及对主轴轴颈的形状误差的均化作用，可以大幅度地提高主轴回转精度。5、提高主轴回转精度的措施对于一般的加工不需要严格要求各成形运动之间的速度关系，但采用展成原理加工时，如车、磨螺纹以及滚齿、插齿、磨齿等，则在成形过程中必须要求各成形运动之间具有准确的速度关系。以滚齿机为例加以说明。图4-27所示为滚齿机传动链图。在用单头滚刀加工直齿轮时，滚刀与工件之间必须保持严格的传动关系--滚刀转一转，工件转过一个齿。机床传动系统中刀具与工件间的运动关系可表示为：（三）成形运动间速度关系精度式中φn（φg）——工件转角；φd——滚刀转角；ic——差动轮系的传动比，在滚切直齿时，ic＝1；if——分度挂轮传动比。由于传动链上各传动件都存在误差，因此，各传动件对工件精度影响的综合结果△φ∑为各传动元件转角误差△φj所引起末端元件转角误差的迭加：式中，kj(j=1,2,...,n)为第j个传动件的误差传递系数，即第j个传动件至末端元件的转动比。11nnjnjjjjk提高传动精度的方法1）减少传动链中传动件数目，缩短传动链长度。2）采用降速传动链，以减小传动链中各元件对末端元件转角误差的影响。3）提高传动元件，特别是末端传动元件的制造精度和装配精度。4）采用误差补偿的方法。如图4-29所示为根据误差补偿原理设计的高精度螺纹加工机床机械式校正装置。根据测量被加工工件1的导程误差，设计出校正尺5上的校正曲线7。校正尺5固定在机床床身上。加工螺纹时，机床传动丝杠带动螺母2及与其相固联的刀架和杠杆4移动。同时，校正尺5上的校正误差曲线7通过触头6、杠杆4使螺母2产生一附加运动，从而使刀架得到附加位移，以补偿传动误差。采用机械式的校正装置只能校正机床静态的传动误差。如果要校正机床静态及动态传动误差，则需要采用计算机控制的传动误差补偿装置。图4-29丝杠加工误差补偿装置1－工件2－螺母3－母丝杠4－杠杆5－校正尺6－触头7－校正曲线采用定尺寸刀具（如钻头、铰刀、键槽铣刀、圆孔拉刀等）时，刀具的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度。采用展成刀具（如齿轮滚刀、插齿刀等）加工时，刀具切削刃的几何形状及有关尺寸误差也会影响工件的加工精度。若采用成形刀具（如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等）进行加工，成形刀具在制造和刃磨后形状不准确，将直接反映到加工表面形状上。成形刀具的安装误差，也会影响加工表面的形状精度。如用成形车刀精车丝杠时，若车刀前刀面安装得偏高、偏低或倾斜时，会造成螺旋面的形状误差。四、刀具误差答案：采用轨迹法加工时，单刃刀（如车刀、刨刀、单刃镗刀等）对加工尺寸精度没有直接影响。但刀具刃口的锋利程度会影响刀具位置调整的准确性，因为当rε较大时，刀刃将不能切削较薄的材料层，而只能从材料表面挤压过去。这不仅会使加工表面质量变坏，而且也无法保证加工表面的尺寸精度。此外在误差敏感方向上刀具磨损将直接影响加工尺寸精度。思考题采用轨迹法加工时，刀具对尺寸精度有无影响？计量器具误差主要是由示值误差、示值稳定性、回程误差和灵敏度等四个方面综合起来的极限误差。计量器具误差会对被测零件测量精度产生直接除量具本身误差之外，测量者的视力、判断能力、测量经验、相对测量或间接测量中所用的对比标准、数学运算精确度、单次测量判断的不准确等因素都会引起测量误差。五、量具误差与测量误差利用夹具装夹工件进行加工时，造成工件加工表面之间尺寸和位置误差的因素主要有：1）工件装夹误差ΔZJ包括定位误差ΔDW和夹紧误差ΔJJ。夹紧误差是夹紧工件时引起工件和夹具变形所造成