第二章 机械加工精度

第二章机械加工精度第一节概述一、加工精度的概念高产、优质、低消耗，产品技术性能好、使用寿命长，这是机械制造企业的基本要求。而质量总是则是最根本的问题。机械加工质量指标包括两方面的参数：一方面是宏观几何参数，指机械加工精度；另一方面是微观几何参数和表面物理-机械性能等方面的参数，指机械加工表面质量。所谓机械加工精度，是指零件在加工后的几何参数（尺寸大小、几何形状、表面间的相互位置）的实际值与理论值相符合的程度。符合程度高，加工精度也高；反之则加工精度低。机械加工精度包括尺寸精度、形状精度、位置精度三项内容，三者有联系，也有区别。由于机械加工中的种种原因，不可能把零件做得绝对精确，总会产生偏差。这种偏差即加工误差。实际生产中加工精度的高低用加工误差的大小表示。加工误差小，则加工精度高；反之则低。保证零件的加工精度就是设法将加工误差控制在允许的偏差范围内；提高零件的加工精度就是设法降低零件的加工误差。随着对产品性能要求的不断提高和现代加工技术的发展，对零件的加工精度要求也在不断的提高。一般来说，零件的加工精度越高则加工成本越高，生产率则相对越低。因此，设计人员应根据零件的使用要求，合理地确定零件的加工精度，工艺人员则应根据设计要求、生产条件等采取适当的加工工艺方法，以保证零件的加工误差不超过零件图上规定的公差范围，并在保证加工精度的前提下，尽量提高生产率和降低成本。二获得零件加工精度的方法1．获得尺寸精度的方法在机械加工中获得尺寸精度的方法有试切法、调整法、定尺寸刀具法、自动控制法和主动测量法等五种。⑴试切法通过试切─测量─调整─再试切，反复进行到被加工尺寸达到要求的精度为止的加工方法。试切法不需要复杂的装备，加工精度取决于工人的技术水平和量具的精度，常用于单件小批生产。⑵调整法按零件规定的尺寸预先调整机床、夹具、刀具和工件的相互位置，并在加工一批零件的过程中保持这个位置不变，以保证零件加工尺寸精度的加工方法。调整法生产效率高，对调整工的要求高，对操作工的要求不高，常用于成批及大量生产。⑶定尺寸刀具法用具有一定形状和尺寸精度的刀具进行加工，使加工表面达到要求的形状和尺寸的加工方法。如用钻头、铰刀、键槽铣刀等刀具的加工即为定尺寸刀具法。定尺寸刀具法生产率较高，加工精度较稳定，广泛的应用于各种生产类型。⑷自动控制法把测量装置、进给装置和控制机构组成一个自动加工系统，使加工过程中的尺寸测量、刀具的补偿和切削加工一系列工作自动完成，从而自动获得所要求的尺寸精度的加工方法。该方法生产率高，加工精度稳定，劳动强度低，适应于批量生产。⑸主动测量法在加工过程中，边加工边测量加工尺寸，并将测量结果与设计要求比较后，或使机床工作，或使机床停止工作的加工方法。该方法生产率较高，加工精度较稳定，适应于批量生产。2．获得几何形状精度的方法在机械加工中获得几何精度的方法有轨迹法、成形法、仿形法和展成法等四种。⑴轨迹法依靠刀尖运动轨迹来获得形状精度的方法。刀尖的运动轨迹取决于刀具和工件的相对成形运动，因而所获得的形状精度取决成形运动的精度。普通车削、铣削、刨削和磨削等均为刀尖轨迹法。⑵成形法利用成形刀具对工件进行加工的方法。成形法所获得的形状精度取决于成形刀具的形状精度和其他成形运动精度。用成形刀具或砂轮进行车、铣、刨、磨、拉等加工的均为成形法。⑶仿形法：刀具依照仿形装置进给获得工件形状精度的方法。如使用仿形装置车手柄、铣凸轮轴等。⑷展成法又称为范成法，它是依据零件曲面的成形原理、通过刀具和工件的展成切削运动进行加工的方法。展成法所得的被加工表面是刀刃和工件在展成运动过程中所形成的包络面，刀刃必须是被加工表面的共轭曲线。所获得的精度取决于刀刃的形状和展成运动的精度。滚齿、插齿等均为展成法。3．获得位置精度的方法工件的位置精度取决于工件的安装（定位和夹紧）方式及其精度。获得位置精度的方法有：⑴找正安装法找正是用工具和仪表根据工件上有关基准，找出工件有关几何要素相对于机床的正确位置的过程。用找正法安装工件称为找正安装，找正安装又可分为：1）划线找正安装即用划针根据毛坯或半成品上所划的线为基准找正它在机床上正确位置的一种安装方法。2）直接找正安装即用划针和百分表或通过目测直接在机床上找正工件正确位置的安装方法。此法的生产率较低，对工人的技术水平要求高，一般只用于单件小批生产中。⑵夹具安装法夹具是用以安装工件和引导刀具的装置。在机床上安装好夹具，工件放在夹具中定位，能使工件迅速获得正确位置，并使其固定在夹具和机床上。因此，工件定位方便，定位精度高且稳定，装夹效率也高。⑶机床控制法利用机床本身所设置的保证相对位置精度的机构保证工件位置精度的安装方法。如坐标镗床、数控机床等。第二节影响加工精度的因素及其分析在机械加工过程中，机床、夹具、刀具和工件组成了一个完整的系统，称为工艺系统。工件的加工精度问题也就涉及到整个工艺系统的精度问题。工艺系统中各个环节所存在的误差,在不同的条件下,以不同的程度和方式反映为工件的加工误差,它是产生加工误差的根源，因此工艺系统的误差被称为原始误差,如表2-1所示。原始误差主要来自两方面：一方面是在加工前就存在的工艺系统本身的误差（几何误差），包括加工原理误差，机床、夹具、刀具的制造误差，工件的安装误差，工艺系统的调整误差等；另一方面是加工过程中工艺系统的受力变形、受热变形、工件残余应力引起的变形和刀具的磨损等引起的误差，以及加工后因内应力引起的变形和测量引起的误差等。下面即对工艺系统中的各类原始误差分别进行阐述。表2-1原始误差一、加工原理误差加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。生产中采用近似的加工原理进行加工的例子很多，例如用齿轮滚刀滚齿就有两种原理误差：一种是为了滚刀制造方便，采用了阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线蜗杆而产生的近似造形误差；另一种是由于齿轮滚刀刀齿数有限，使实际加工出的齿形是一条由微小折线段组成的曲线，而不是一条光滑的渐开线。采用近似的加工方法或近似的刀刃轮廓，虽然会带来加工原理误差，但往往可简化工艺过程及机床和刀具的设计和制造，提高生产率，降低成本，但由此带来的原理误差必须控制在允许的范围内二、工艺系统的几何误差1．机床几何误差机床几何误差包括机床本身各部件的制造误差、安装误差和使用过程中的磨损引起的误差。这里着重分析对加工影响较大的主轴回转误差、机床导轨误差以及传动链误差。⑴机床主轴误差机床主轴是用来安装工件或刀具并将运动和动力传递给工件或刀具的重要零件，它是工件或刀具的位置基准和运动基准，它的回转精度是机床精度的主要指标之一，其误差直接影响着工件精度的高低。1）主轴回转误差为了保证加工精度，机床主轴回转时其回转轴线的空间位置应是稳定不变的，但实际上由于受主轴部件结构、制造、装配、使用等种种因素的影响，主轴在每一瞬时回转轴线的空间位置都是变动的，即存在着回转误差。主轴回转轴心线的运动误差表现为纯径向跳动、轴向窜动和角度摆动三种形式，如图2-1所示。（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图3-18）图2-1主轴回转轴线的运动误差机床的主轴是以其轴颈支承在床头箱前后轴承内的，因此影响主轴回转精度的主要因素是轴承精度、主轴轴颈精度和床头箱主轴承孔的精度。如果采用滑动轴承，则影响主轴回转精度的主要因素是主轴颈的圆度、与其配合的轴承孔的圆度和配合间隙。不同类型的机床其主轴回转误差所引起的加工误差的形式也会不同。对于工件回转类机床（如车床，内、外圆磨床），因切削力的方向不变，主轴回转时作用在支承上的作用力方向也不变，因而主轴颈与轴承孔的接触点的位置也是基本固定的，即主轴颈在回转时总是与轴承孔的某一段接触，因此轴承孔的圆度误差对主轴回转精度的影响较小，而主轴颈的圆度误差则影响较大；对于刀具回转类机床（如镗床、钻床），因切削力的方向是变化的，所以轴承孔的圆度误差对主轴回转精度的影响较大，而主轴颈的圆度误差影响较小。2）主轴回转误差的敏感方向不同类型的机床，主轴回转误差的敏感方向是不同的。工件回转类机床的主轴回转误差的敏感方向，如图2-2所示，在车削圆柱表面，当主轴在Y方向存在误差Δy时，则此误差将是1﹕1地反映到工件的半径方向上去(ΔRy＝Δy)。而在Z方向存在误差Δz时，反映到工件半径方向上的误差为ΔRz。其关系式为R02十Δz2＝(R0十ΔRz)2＝R02十2R0·ΔRz十ΔRz2因ΔRz2很小，可以忽略不计，故此式化简后得ΔRz≈Δz2／(2R0)Δy（2—1）所以Δy所引起的半径误差远远大于由Δz所引起的半径误差。我们把对加工精度影响最大的那个方向称为误差的敏感方向，把对加工精度影响最小的那个方向称为误差的非敏感方向。（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图3-19）图2-2车外圆的敏感方向刀具回转类机床的主轴回转误差的敏感方向，如镗削时，刀具随主轴一起旋转，切削刃的加工表面的法向随刀具回转而不断变化，因而误差的敏感方向也在不断变化。⑵机床导轨误差床身导轨既是装配机床各部件的基准件，又是保证刀具与工件之间导向精度的导向件，因此导轨误差对加工精度有直接的影响。导轨误差分为：1）导轨在水平面内的直线度误差Δy这项误差使刀具产生水平位移，如图2-3所示，使工件表面产生的半径误差为ΔRy，ΔRy＝Δy，使工件表面产生圆柱度误差（鞍形或鼓形）。2）导轨在垂直平面内的直线度误差Δz这项误差使刀具产生垂直位移，如图2-4所示，使工件表面产生的半径误差为ΔRz，ΔRz≈Δz2／(2R0)，其值甚小，对加工精度的影响可以忽略不计；但若在龙门刨这类机床上加工薄长件，由于工件刚性差，如果机床导轨为中凹形，则工件也会是中凹形。3）前后导轨的平行度误差当前后导轨的不平行，存在扭曲时，刀架产生倾倒，刀尖相对于工件在水平和垂直两个方向上发生偏移，从而影响加工精度。如图2-5所示，在某一截面内，工件加工半径误差为：ΔR≈Δy＝BHδ（2—2）式中：H——车床中心高B——导轨宽度Δ——前后导轨的最大平行度误差（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图3-20、21）图2-3机床导轨在水平面内的图2-4机床导轨在垂直面内的直线度对加工精度的影响直线度对加工精度的影响（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图3-22）图2-5机床导轨扭曲对工件形状的影响⑶传动链传动误差传动链传动误差是指机床内联系传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差。它是影响螺纹、齿轮、蜗轮蜗杆以及其它按展成原理加工的零件加工精度的主要因素。传动链始末两端的联系是通过一系列的传动元件来实现的，当这些传动元件存在加工误差、装配误差和磨损时，就会破坏正确的运动关系，使工件产生加工误差，这些误差即传动链误差。为了减少机床的传动链误差对加工精度的影响，可以采取以下措施：1）尽量减少传动元件数量，缩短传动链，以缩小误差的来源。2）采用降速传动（即i1）降速传动是保证传动精度的重要措施。对于螺纹加工机床，为保证降速传动，机床传动丝杠的导程应大于工件的导程；齿轮加工机床最后传动副为蜗轮副，为了得到i1的降速传动比，应使蜗轮的齿数远远大于工件的齿数。3）提高传动链中各元件，尤其是末端元件的加工和装配精度，以保证传动精度。4）设法消除传动链中齿轮间的间隙，以提高传动精度。5）采用误差校正装置来提高传动精度。2．刀具制造误差与磨损刀具的制造误差对加工精度的影响，根据刀具种类不同而异。当采用定尺寸刀具如钻头、铰刀、拉刀、键槽铣刀等加工时，刀具的尺寸精度将直接影响到工件的尺寸精度；当采用成形刀具如成形车刀、成形铣刀等加工时，刀具的形状精度将直接影响工件的形状精度；当采用展成刀具如齿轮滚刀、插齿刀等加工时，刀刃的形状必须是加工表面的共轭曲线，因此刀刃的形状误差会影响加工表面的形状精度；当采用一般刀具如车刀、镗刀、铣刀等的制造误差对零件的加工精度并无直接影响，但其磨损对加工精度、表面粗糙度有直接的影响。任何刀具在切削过程中都不可避免地要产生