第八章机械加工精度

机械加工精度优质、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、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图1-1试切法图1-2调整法图1-4轨迹法车锥体图1-3定尺寸刀具法图1-5用成形车刀车球面图1-6展成法滚齿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图1-7一次安装法图1-8多次安装法三、产生加工误差的原因及消减方法由机床、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，工艺系统的几何误差1、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。四、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。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。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五、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。具体内容在《机械制造装备》课程中讲述。六、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7、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、工件间相对位置八、工艺系统受力变形引起的加工误差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。4、工艺系统其它外力作用引起的加工误差1）由于机床部件或工件本身重量以及它们在移动中位置变化而引起的加工误差（图）2）由于夹紧力引起的加工误差（图4-23）通过提高导轨等结合面的刮研质量、形状精度并降低表面粗糙度，都能增加接触面积，有效地提高接触刚度。预加载荷，也可增大接触刚度加工细长轴时，采用中心架或跟刀架来提高工件的刚度。采用导套、导杆等辅助支承来加强刀架的刚度。对刚性较差的工件选择合适的夹紧方法，能减小夹紧变形，提高加工精度采用塑料滑动导轨，其摩擦特性好，有效防止低速爬行，运行平稳，定位精度高，具有良好的耐磨性、减振性和工艺性。此外，还有滚动导轨和静压导轨。（1）提高接触刚度（2）提高零部件刚度减小受力变形（3）合理安装工件减小夹紧变形4．减少摩擦防止微量进给时的“爬行”九、减小工艺系统受力变形的措施（5）合理使用机床（6）合理安排工艺，粗精分开（7）转移或补偿弹性变形减少工艺系统受力变形十、工艺系统热变形引起的加工误差（一）概述工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而破坏工件与刀具间正确的相对位置，造成加工误差。据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%~70%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度，而且还影响加工效率的提高。实现数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿，全靠机床自动控制，因此热变形的影响就显得特别重要。工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研究课题。1.工艺系统的热源电机、轴承、齿轮、油泵等工件、刀具、切屑、切削液气温、室温变化、热、冷风等热源切削