第七章机械加工精度

第四章机械加工质量分析与控制优质、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。第一节机械加工精度概述一、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.加工误差二、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％。三、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2.获得形状精度的方法刀尖轨迹法成形刀具法展成法3.获得位置精度的方法直接找正划线找正夹具定位四、原始误差由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统的误差是工件产生加工误差的根源。我们把工艺系统的各种误差称之为原始误差。原始误差的种类•工艺系统的几何误差•工艺系统受力变形引起的误差•工艺系统热变形引起的误差•工件的残余应力引起的误差•伺服进给系统位移误差等原始误差产生加工误差的根源，它包括：工艺系统静误差•主轴回转误差•导轨误差•传动链误差•一般刀具•定尺寸刀具•成形刀具•展成法刀具•试切法•调整法•外力作用点变化•外力方向变化•外力大小变化机床几何误差工艺系统几何误差原理误差调整误差测量误差定位误差工艺系统动误差工艺系统力变形工艺系统热变形工艺系统内应力变形刀具几何误差夹具几何误差•机床热变形•工件热变形•刀具热变形四、研究机械加工精度的方法分析计算法统计分析法是在掌握各种原始误差对加工精度影响规律的基础上，分析工件加工中所出现的误差可能是哪一种或哪几种主要原始误差所引起的，并找出原始误差与加工误差之间的影响关系，通过估算来确定工件加工误差的大小，再通过试验测试来加以验证。是对具体加工条件下得到的几何参数进行实际测量，然后运用数理统计学方法对这些测试数据进行分析处理，找出工件加工误差的规律和性质，进而控制加工质量。•加工精度•尺寸精度•形状精度•位置精度•加工误差•与理想零件的偏离•加工精度的另一描述•工艺系统•机床•刀具•夹具•工件•原始误差•工艺系统的误差•产生加工误差的根源•包括工艺系统静误差、动误差•研究加工精度方法•分析计算法•统计分析法第二节工艺系统的几何误差一、原理误差原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。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。成形车刀、成形铣刀也采用了近似的刀具轮廓。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。二、机床几何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、机床导轨误差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。（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对平面磨床，龙门刨床及铣床等，导轨在垂直面内的直线度误差会引起工件相对于砂轮（刀具）产生法向位移，其误差将直接反映到被加工工件上，造成形状误差（图7-11）。原始误差引起工件相对于刀具产生相对位移，若产生在加工表面法向方向（误差敏感方向），对加工精度有直接影响；产生在加工表面切向方向（误差非敏感方向），可忽略不计。结论：图龙门刨床导轨垂直面内直线度误差1－刨刀2－工件3－工作台4－床身导轨（3）前后导轨平行度误差的影响床身前后导轨有平行度误差（扭曲）时，会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产生偏移，使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥度）。从图4-11可知，车床前后导轨扭曲的最终结果反映在工件上，于是产生了加工误差△y。从几何关系中可得出：△y≈H△/B一般车床H≈2B/3，外圆磨床H≈B，因此该项原始误差△对加工精度的影响很大。图4－11车床导轨扭曲对工件形状精度影响2、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•纯径向跳动•纯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。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。车间所有机床，我们分为：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，但轴平面有圆柱度误差（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）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。讨论镗床上镗孔时，工作台进给（图示），即工件直线进给运动，镗杆旋转运动。导轨在水平面、垂直面内的直线度误差对加工精度有何影响？答：孔径没有误差，有圆柱度误差。轴线不直。因为误差敏感方向不断变化。讨论若镗杆进给，即镗杆既旋转又移动（图示），导轨误差对加工精度有无影响？答：不会产生孔的形状误差，但会产生孔的位置误差。讨论刨平面时，导轨误差对加工精度有何影响？答：产生加工表面的直线度误差、平面度误差。若刨削刚性很差的薄板时，会产生何种加工误差？答：无形状误差，但有尺寸误差。思考题端铣时，若主轴回转轴线与工件进给方向不垂直，会产生何种加工误差？误差大小？3、机床传动链误差在车螺纹、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传动链始末两端执行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。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三、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