第七章机械加工误差分析

优质、高产、低消耗是企业发展的必由之路。优质就是高的产品质量。高产就是生产效率高。低消耗就是成本低。产品的质量与零件的加工质量、产品的装配质量密切相关，而零件的加工质量是保证产品质量的基础。它包括零件的加工精度和表面质量两方面。零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度。第一节概述第四章机械加工误差分析一、机械加工误差的概念1加工精度与加工误差加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状及各表面相互位置等参数）与理想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度就越高。反之，越低。理想几何参数表面——绝对平面、圆柱面等；位置——绝对平行、垂直、同轴等；尺寸——位于公差带中心。1.加工精度加工误差是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，所以，加工误差的大小反映了加工精度的高低。实际加工时不可能也没有必要把零件做得与理想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加工误差。只要这些误差在规定的范围内，即能满足机器使用性能的要求。2.加工误差2尺寸、形状和位置精度间的关系独立原则是处理形位公差和尺寸公差关系的基本原则，即尺寸精度和形位精度按照使用要求分别满足；在一般情况下，尺寸精度高，其形状和位置精度也高；通常，零件的形状误差约占相应尺寸公差的30％～50％；位置误差约为尺寸公差的65％～85％。3获得加工精度的方法1.获得尺寸精度的方法试切法定尺寸刀具法调整法自动控制法二加工误差的产生误差产生的原因:1加工原理误差2工艺系统的几何误差3工艺系统受力变形引起的误差4工艺系统受热变形引起的误差5工件内应力引起的加工误差6测量误差机床几何误差的来源机床制造磨损安装机床几何误差的组成①主轴回转误差②导轨误差③传动链误差第二节工艺系统的几何误差对加工误差的影响一、机床的几何误差机床的几何误差组成机床几何误差机床传动链误差机床主轴回转误差机床导轨误差•轴向窜动•径向跳动•角度摆动•水平面内直线度•垂直面内直线度•前后导轨的平行度•内联传动链始末两端传动元件间相对运动误差1.机床主轴回转误差（1）机床主轴回转误差的概念主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线（一般用平均回转轴线来代替）产生的偏移量。主轴回转误差的基本形式•轴向窜动•径向跳动•角度摆动实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动所产生的位移（即误差）是一个瞬时值。车间所有机床，分为：工件回转类刀具回转类误差敏感方向不变镗床车床加工时误差敏感方向和切削力方向随主轴回转而不断变化（2）主轴回转误差对加工精度的影响下面以在镗床上镗孔、车床上车外圆为例来说明主轴回转误差对加工精度的影响。①主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响镗削加工：镗刀回转，工件不转假设由于主轴的纯径向跳动而使轴线在y坐标方向作简谐运动（图4-4），其频率与主轴转速相同，简谐幅值为A；则:Y=Acosφ（φ＝ωt）且主轴中心偏移最大（等于A）时，镗刀尖正好通过水平位置1处。当镗刀转过一个φ角时（位置1’），刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别计算得：y=Acosφ+Rcosφ=(A+R)cosφZ=Rsinφ将上两式平方相加得:y2/(A+R)2+Z2/R2=1表明此时镗出的孔为椭圆形。AARφOm11，AcosφO234ORsinφ(A+R）cosφ图4－4镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响车床加工：工件回转，刀具移动假设主轴轴线沿y轴作简谐运动（图4-5），在工件的1处（主轴中心偏移最大之处）切出的半径比在工件的2、4处切出的半径小一个幅值A；在工件的3处切出的半径比在工件的2、4处切出的半径大一个幅值A。这样，上述四点工件的直径都相等，其它各点直径误差也很小，所以车削出的工件表面接近于一个真圆。Y2+Z2=R2+A2Sin2φ由此可见，主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆度影响很小。图4－5车削时纯径向跳动对加工精度的影响②轴向窜动对车、镗削加工精度的影响主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有影响，但加工端面时，会使加工的端面与内外圆轴线产生垂直度误差。主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切出的端面产生平面度误差（图4-6）。当加工螺纹时，会产生螺距误差。图4－6主轴轴向窜动对端面加工精度的影响车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小，但轴有圆柱度误差（锥度）。车外圆：得到圆形工件，但产生圆柱度误差（锥体）车端面：产生平面度误差镗孔时，由于主轴的纯角度摆动使得主轴回转轴线与工作台导轨不平行，使镗出的孔呈椭圆形，如图4-7所示。③角度摆动对车、镗削加工精度的影响主轴纯角度摆动对加工精度的影响，取决于不同的加工内容。图4－7主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响（3）影响主轴回转精度的因素1）主轴支承轴颈、箱体支承孔的误差；2）轴承的误差；3）轴承的间隙；4）主轴刚度和热变形。主轴回转误差测量（4）提高主轴回转精度的措施1）提高主轴的轴承精度。2）减少机床主轴回转误差对加工精度的影响。3）对滚动轴承进行预紧，以消除间隙。4）提高主轴箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合的零件有关表面的加工精度。机床导轨是机床中确定某些主要部件相对位置的基准，也是某些主要部件的运动基准。机床导轨误差的基本形式•水平面内的直线度•垂直面内的直线度•前后导轨的平行度（扭曲）现以卧式车床为例，说明导轨误差是怎样影响工件的加工精度的。2.机床导轨误差（1）导轨在水平面内直线度误差的影响当导轨在水平面内的直线度误差为△y时,引起工件在半径方向的误差为（图4－9）：△R=△y由此可见：床身导轨在水平面内如果有直线度误差，使工件在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差。当导轨向后凸出时，工件上产生鞍形加工误差；当导轨向前凸出时，工件上产生鼓形加工误差。ΔYΔYoDΔR水平面导轨水平面内直线度图4－9导轨在水平面内直线度误差床身导轨在垂直面内有直线度误差（图4-10），会引起刀尖产生切向位移△Z，造成工件在半径方向产生的误差为：△R≈△Z2/d（2）导轨在垂直面内直线度误差的影响设：△Z=△Y=0.01mm，R=50mm，则由于法向原始误差而产生的加工误差△R=△Y=0.01mm,由于切向原始误差产生的加工误差△R≈△Z2/d=0.000001mm此值完全可以忽略不计。由于△Z2数值很小，因此该误差对工件的尺寸精度和形状精度影响甚小。垂直平面导轨垂直面直线度ΔZdΔRΔZ图4－10导轨在垂直面内直线度误差Rd/2在车螺纹、插齿、滚齿等加工时，刀具与工件之间有严格的传动比要求。要满足这一要求，机床内联系传动链的误差必须控制在允许的范围内。（1）机床传动链误差定义指内联系传动链中首、末两端传动元件间相对运动的误差。（2）机床传动链误差描述传动链末端元件产生的转角误差。它的大小对车、磨、铣螺纹，滚、插、磨（展成法磨齿）齿轮等加工会影响分度精度，造成加工表面的形状误差，如螺距精度、齿距精度等。3.机床传动链误差例如，车螺纹时，要求主轴与传动丝杠的转速比恒定（图示），即iTTiiiiTzzzzzzzzS432186427531Z1Z2（3）驱动丝杠误差的产生2112zzi1122i12图车螺纹的传动误差示意图S－工件导程；T－丝杠导程；Z1～Z8－各齿轮齿数若齿轮Z1有转角误差δ1，造成Z2的转角误差为：δ12＝i12δ1Z1δ1δ1n=i1nδ1Z2δ2δ2n=i2nδ2………………Znδnδnn=innδn在任一时刻，各齿轮的转角误差反映到丝杠的总误差为：njjnjnnnni121Σ传到丝杠上的转角误差为δ1n，即：（3）减少传动链误差的措施1）尽量缩短传动链。2）提高传动件的制造和安装精度，尤其是末端零件的精度。3）尽可能采用降速运动，且传动比最小的一级传动件应在最后。4）消除传动链中齿轮副的间隙。5）采用误差校正机构图丝杠加工误差校正装置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1.刀具误差一般刀具定尺寸刀具成形刀具展成法刀具如普通车刀、单刃镗刀和面铣刀等）的制造误差对加工精度没有直接影响，但磨损后对工件尺寸或形状精度有一定影响定尺寸刀具（如钻头、铰刀、圆孔拉刀等）的尺寸误差直接影响被加工工件的尺寸精度。刀具的安装和使用不当，也会影响加工精度。成形刀具（如成形车刀、成形铣刀、盘形齿轮铣刀等）的误差主要影响被加工面的形状精度展成法刀具（如齿轮滚刀、插齿刀等）加工齿轮时，刀刃的几何形状及有关尺寸精度会直接影响齿轮加工精度二、工艺系统其它几何误差图例车刀的尺寸磨损图例车刀磨损过程夹具的误差主要是指：1）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等零件的制造误差。2）夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸误差。3）夹具在使用过程中工作表面的磨损。（图例）工件的安装误差包括定位误差和夹紧误差。2、夹具误差和工件安装误差图例钻孔夹具误差对加工精度的影响3、测量误差（1）量具、量仪和测量方法本身的误差（2）环境条件的影响（温度、振动等）（3）测量人员主观因素的影响（视力、测量力大小等）（4）正确选择和使用量具，以保证测量精度4、调整误差试切法调整定程机构调整样板、样件调整夹具安装调整大批量生产时常采用行程挡块、靠模、凸轮作为定程机构，其制造精度和调整精度产生调整误差样件、样板的制造精度和安装精度、对刀精度产生调整误差•测量误差•进给机构位移误差（爬行现象）•加工余量的影响（余量很小时，刀刃打滑）影响工件在机床上占有正确的加工位置5、工艺系统磨损引起的误差磨损破坏了成形运动，改变了工件与刀具的相对位置和速比，产生加工误差刀具磨损严重影响工件的形状精度、尺寸精度工艺系统：机床、夹具、工件、刀具外力：切削力、传动力、惯性力、夹紧力、重力产生加工误差（举例）破坏了刀具、工件间相对位置第三节工艺系统受力变形对加工误差的影响工艺系统受力变形现象图受力变形对工件精度的影响a)车长轴b）磨内孔由此看来，为了保证和提高工件的加工精度，就必须深入研究并控制以至消除工艺系统及其有关组成部分的变形。（一）工艺系统的刚度工艺系统整体抵抗其变形的能力。其大小为：背向力Fp（旧标准中为径向切削分力Fy）与工艺系统在该方向上的变形yxt的比值，即kxt=Fp/yxt注意：这里变形yxt是总切削力的三个分力Fc、Fp、Ff（旧标准中为Fz、Fy、Fx）综合作用的结果。1.工艺系统刚度的概念2、系统刚度与环节刚度工艺系统的刚度是由组成工艺系统各环节的刚度决定的。工艺系统的总变形量为：yxt=yjc+ydj+yjj+ygjkxt=Fp/yxt,kjc=Fp/yjc，kdj=Fp/ydj,kjj=Fp/yjj，kgj=Fp/ygj工艺系统刚度的一般式为：kxt=1/(1/kjc+1/kdj+1/kj+1/kgj)（4-7）若已知工艺系统各组成部分的刚度（即环节刚度），就可以求出工艺系统的刚度。3.机床部件刚度特点机床结构复杂，组成的零部件多，各零部件之间有不同的联接和运动方式，因而机床部件的刚度问题就比较复杂。它的计算至今还没有合适的方法，需要通过实验来测定。下图为单向加载时车床刚度测定示意图。主轴部件、尾座及刀架的变形可分别从千分表2、3和6读出。这种方法测得的y方向位移是背向力Fp作用下引起的变形。图单向静载测定车床刚度1－心轴2、3、6－千分表4－测力环5－螺旋加力器图4－15车床刀架部件的刚度曲线Ⅰ－一次加载Ⅱ－二次加载Ⅲ－三次加载（1）机床部件刚度的特点图4-15是以Fp为纵坐标，刀架变形ydj为横坐标的某车床刀架部件的刚度实测曲线。实验中进行了三次加载—卸载循环，由图可以看出，机床部件的刚度曲线有以下特点：1）背向力Fp与刀架变形ydj不是线性关系。2）加载曲线与卸载曲线不重合。3）加载曲线与卸载曲线不封闭（卸载后由于存在残余变形，曲线回不到原点）。4）部件的实际刚度远比按实体结构的估计值小。（2）影响机床部件刚度的因素①连接表面间的接触变形（图示）②薄弱零件本身的影响（图4－16）③接合面间的间隙④接合面间摩擦力的影响两零件结合面间