机械加工误差及影响因素

第6章机械加工误差及影响因素10．1．1机械加工误差的概念机械加工误差是指零件加工后的实际几何参数（几何尺寸、几何形状和相互位置）与理想几何参数之间偏差的程度。零件加工后实际几何参数与理想几何参数之间的符合程度即为加工精度。加工误差越小，符合程度越高，加工精度就越高。研究加工误差的目的，就是要分析影响加工误差的各种因素及其存在的规律，从而找出减小加工误差、提高加工精度的合理途径。10．1．2加工误差的产生零件的机械加工是在由机床、刀具、夹具和工件组成的工艺系统内完成的。零件加工表面的几何尺寸、几何形状和加工表面之间的相互位置关系取决于工艺系统间的相对运动关系。1．加工原理误差加工原理误差是指采用了近似的刀刃轮廓或近似的传动关系进行加工而产生的误差。例如，加工渐开线齿轮用的齿轮滚刀，为使滚刀制造方便，采用了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，使齿轮渐开线齿形产生了误差。2．工艺系统的几何误差工艺系统中各组成环节的实际几何参数和位置，相对于理想几何参数和位置发生偏离而引起的误差，统称为工艺系统几何误差。工艺系统几何误差只与工艺系统各环节的几何要素有关。3．工艺系统受力变形引起的误差工艺系统在切削力、夹紧力、重力和惯性力等作用下会产生变形，从而破坏了已调整好的工艺系统各组成部分的相互位置关系，导致加工误差的产生，并影响加工过程的稳定性。4．工艺系统受热变形引起的误差在加工过程中，由于受切削热、摩擦热以及工作场地周围热源的影响，工艺系统的温度会产生复杂的变化。在各种热源的作用下，工艺系统会发生变形，导致改变系统中各组成部分的正确相对位置，导致加工误差的产生。5．工件内应力引起的加工误差内应力是工件自身的误差因素。工件冷热加工后会产生一定的内应力。通常情况下内应力处于平衡状态，但对具有内应力的工件进行加工时，工件原有的内应力平衡状态被破坏，从而使工件产生变形。6．测量误差在工序调整及加工过程中测量工件时，由于测量方法、量具精度等因素对测量结果准确性的影响而产生的误差，统称为测量误差。10．2工艺系统的几何误差对加工误差的影响10．2．1机床的几何误差机床的几何误差是通过各种成形运动反映到加工表面的，机床的成形运动主要包括两大类，即主轴的回转运动和移动件的直线运动。因而分析机床的几何误差主要包括主轴的回转运动误差、导轨导向误差和传动链误差。1.主轴的回转运动误差1)主轴的回转运动误差的概念主轴的回转运动误差是指主轴实际回转轴线相对于理论回转轴线的偏移。由于主轴部件在制造、装配、使用中等各种因素的影响，会使主轴产生回转运动误差，其误差形式可以分解为：轴向窜动、径向跳动和角度摆动三种，实际上，主轴回转误差的三种基本形式是同时存在的。(a)轴向窜动(b)径向跳动(c)角度摆动(d)主轴回转误差（1）轴向窜动轴向窜动是指瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动，如图10-1a所示，它主要影响工件的的端面形状和轴向尺寸精度。（2）径向跳动径向跳动是指瞬时回转轴线平行于平均回转轴线的径向运动量。如图10-1b所示。它主要影响加工工件的圆度和圆柱度。（3）角度摆动角度摆动是指瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度作公转，如图10-1c所示，它对工件的形状精度影响很大，如车外圆时，会产生锥度。2)影响主轴回转运动误差的主要因素有：（1）主轴误差主轴误差主要包括主轴支承轴径的圆度误差、同轴度误差（使主轴轴心线发生偏斜）和主轴轴径轴向承载面与轴线的垂直度误差（影响主轴轴向窜动量）。（2）轴承误差主轴采用滑动轴承支承时，主轴轴径和轴承孔的圆度误差对主轴回转精度有直接影响。对于工件回转类机床，切削力的方向大致不变，在切削力的作用下，主轴轴径以不同部位与轴承孔的某一固定部位接触，这时主轴轴径的形状误差是影响回转精度的主要因素，如图10-2a所示。对于刀具回转类机床，切削力的方向随主轴回转而变化，主轴轴径以某一固定位置与轴承孔的不同位置相接触，这时轴承孔的形状精度是影响回转精度的主要因素，如图10-2b所示。对于动压滑动轴承，轴承间隙增大会使油膜厚度变化大，轴心轨迹变动量加大。图10-2主轴采用滑动轴承的回转误差（a）工件回转类机床(b)刀具回转类机床主轴采用滚动轴承支承时，如图10-3所示，内外环滚道的形状误差（图a、b）、内环滚道与内孔的同轴度误差（图c）、滚动体的尺寸误差和形状误差（图d），都对主轴回转精度有影响。主轴轴承间隙增大会使轴向窜动与径向圆跳动量增大。采用推力轴承时，其滚道的端面误差会造成主轴的端面圆跳动。角接触球轴承和圆锥滚子轴承的滚道误差既会造成主轴端面圆跳动，也会引起径向跳动和摆动。图10-3滚动轴承的形状误差(a)内环滚道形状误差(b)外环滚道形状误差(c)内环滚道与孔的同轴度误差(d)滚动体尺寸与形状误差3)主轴回转误差对加工精度的影响例如在车削圆柱表面时，回转误差沿刀具与工件接触点的法线方向分量ΔY对精度影响最大，如图10-4b所示，反映到工件半径方向上的误差为ΔR=ΔY，而切向分量Δz的影响最小，如图10-4a所示，由图4-4可看出，存在误差Δz时，反映到工件半径方向上的误差为ΔR，其关系式为：（R+ΔR）2=Δz2+R2整理中略去高阶微量ΔR2项可得：ΔR=Δz2/2R设Δz=0.01mm，R=50mm，则ΔR=0.000001mm。此值完全可以忽略不计。因此，一般称法线方向为误差的敏感方向，切线方向为非敏感方向。分析主轴回转误差对加工精度的影响时，应着重分析误差敏感方向的影响。图10-4回转误差对加工精度的影响(a)切线方向(b)法线方向图10-5主轴轴向窜动对端面加工的影响4)提高主轴回转精度的措施（1）采用高精度的主轴部件获得高精度的主轴部件的关键是提高轴承精度。因此，主轴轴承，特别是前轴承，多选用D、C级轴承；当采用滑动轴承时，则采用静压滑动轴承。以提高轴系刚度，减少径向圆跳动。其次是提高主轴箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合零件的有关表面的加工精度，对滚动轴承进行预紧。（2）使主轴回转的误差不反映到工件上如采用死顶尖磨削外圆，只要保证定位中心孔的形状、位置精度，即可加工出高精度的外圆柱面。主轴仅仅提供旋转运动和转矩，而与主轴的回转精度无关。2.机床导轨误差机床导轨副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精度的主要因素，导轨误差对零件的加工精度产生直接的影响。1)机床导轨在水平面内直线度误差的影响如图10-6所示，磨床导轨在x方向存在误差Δ（图a），引起工件在半径方向上的误差ΔR（图b），当磨削长外圆柱表面时，将造成工件的圆柱度误差。2)导轨在垂直面内直线度误差的影响如图10-7所示，磨床导轨在y方向存在误差Δ（图a），磨削外圆时，工件沿砂轮切线方向产生位移，此时，工件半径方向上产生误差ΔR≈Δz2/2R，对零件的形状精度影响甚小（误差的非敏感方向）。但导轨在垂直方向上的误差对平面磨床、龙门刨床、铣床等将引起法向位移，其误差直接反映到工件的加工表面（误差敏感方向），造成水平面上的形状误差。图10-6磨床导轨在水平面内的直线度误差(a)导轨在水平面内直线度误差(b)磨削外圆表面时的误差3)机床导轨面间平行度误差的影响如图10-8所示，车床两导轨的平行度产生误差（扭曲），使鞍座产生横向倾斜，刀具产生位移，因而引起工件形状误差。由图10-8关系可知，其误差值Δy=HΔ/B。图10-7磨床导轨在垂直面内的直线度误差图10-8车床导轨面间的平行度误差10.2.2工艺系统的其他几何误差1.刀具误差刀具误差主要指刀具的制造、磨损和安装误差等，刀具对加工精度的影响因刀具种类不同而定。机械加工中常用的刀具有：一般刀具、定尺寸刀具和成形刀具。一般刀具（如普通车刀、单刃镗刀、平面铣刀等）的制造误差，对加工精度没有直接的影响。但当刀具与工件的相对位置调整好以后，在加工过程中，刀具的磨损将会影响加工误差。定尺寸刀具（如钻头、铰刀、拉刀、槽铣刀等）的制造误差及磨损误差，均直接影响工件的加工尺寸精度。成形刀具(如成形车刀、成形铣刀、齿轮刀具等)的制造和磨损误差，主要影响被加工工件的形状精度。2.夹具误差夹具误差主要是指定位误差、夹紧误差、夹具安装误差和对刀误差以及夹具的磨损等。3.调整误差零件加工的每一道工序中，为了获得被加工表面的形状、尺寸和位置精度，必须对机床、夹具和刀具进行调整。而采用任何调整方法及使用任何调整工具都难免带来—些原始误差，这就是调整误差。如用试切法调整时的测量误差、进给机构的位移误差及最小极限切削厚度的影响；如用调整法调整时的定程机构的误差、样板或样件调整时的样板或样件的误差等。10.3工艺系统受力变形对加工误差的影响1.基本概念由机床、夹具、刀具、工件组成的工艺系统，在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等的作用下，会产生相应的变形(弹性变形及塑性变形)。这种变形将破坏工艺系统间已调整好的正确位置关系，从而产生加工误差。例如车削细长轴时，工件在切削力作用下的弯曲变形，加工后会形成腰鼓形的圆柱度误差，如图10-10a所示。又如在内圆磨床上用横向切入磨孔时，由于磨头主轴弯曲变形，使磨出的孔会带有锥度的圆柱度误差，如图10-10b所示。图10-10工艺系统受力变形引起的加工误差2.工艺系统受力变形引起的加工误差1)由于切削力着力点位置变化引起的工件形状误差在车床两顶尖间车削短而粗的光轴。如图10-11a所示为在车床上加工短而粗的光轴，由于工件刚度较大，在切削力作用下相对于机床、夹具的变形要小的得多，而车刀在敏感方向的变形也很小，故可忽略不计。此时，工艺系统的变形完全取决于头架、尾座（包括顶尖）和刀架的变形。图10-11工艺系统变形随着力点位置的变化而变化(a)车床上加工短而粗的光轴(b)车床上加工细长轴3.由于切削力变化而引起的加工误差在切削加工中，往往由于被加工表面的几何形状误差引起切削力的变化，从而造成工件的加工误差。如图10-13所示，由于工件毛坯的圆度误差，使车削时刀具的切削深度在αp1与αp2之间变化，因此，切削分力Fy也随切削深度αp的变化由Fymax变到Fymin。根据前面的分析，工艺系统将产生相应的变形，即由y1变到y2（刀尖相对于工件产生y1到y2的位移），这样就形成了被加工表面的圆度误差。这种现象称为“误差复映”。图10-13零件形状误差的复映4.其它力引起的加工误差1)由惯性力引起的加工误差2)由传动力引起的加工误差3)夹紧力引起的加工误差4)由重力引起的加工误差(a)(b)图10-14惯性力所引起的加工误差图10-15传动力引起的加工误差a)b)c)d)e)f)图10-16夹紧力引起的加工误差5)由重力引起的加工误差在工艺系统中，由于零部件的自重也会引起变形，如龙门铣床、龙门刨床刀架横梁的变形，镗床镗杆下垂变形等，都会造成加工误差。如图6-17所示为摇臂钻床的摇臂在主轴箱自重的影响下所产生的变形，造成主轴轴线与工作台不垂直，从而使被加工的孔与定位面也产生垂直度误差。图6-17由重力引起的加工误差5.减少工艺系统受力变形的主要措施减少工艺系统的受力变形，是机械加工中保证产品质量和提高生产效率的主要途径之一。根据生产的实际情况，可采取以下几方面的措施。1)提高接触刚度零件表面总是存在着宏观和微观的几何误差，连接表面之间的实际接触面积只是名义接触面积的一部分，表面间的接触情况如图6-18所示。在外力作用下，这些接触处将产生较大的接触应力，引起接触变形。所以，提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。常用的方法是改善工艺系统主要零件接触表面的配合质量，如机床导轨副的刮研，配研顶尖锥体与主轴和尾座套筒锥孔的配合面，研磨加工精密零件用的顶尖孔等，都是在实际生产中行之有效的工艺措施。图6-18表面接触情况2)提高工件刚度，减少受力变形切削力引起的加工误差，往往是由于工件本身刚度不足或工件各个部位结构不均匀而产生的。特别是加工叉类、细长轴等结构的零件，非常容易变形，在这种情况下，提高工件的刚度就是提高加工精度的关键。其主要措施是缩小切削力作用点到工件支承面之间的距离，以增大工件加