第7章机械加工精度.

7.1机械加工精度的基本概念7.1.1加工精度与加工误差加工精度：零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数相符合的程度。符合程度越高则加工精度就越高。加工误差：零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度称为加工误差。加工误差的大小表示了加工精度的高低，加工误差是加工精度的度量。“加工精度”和“加工误差”是评定零件几何参数准确程度的两种不同概念。生产实际中用控制加工误差的方法或现代主动适应加工方法来保证加工精度。加工精度与加工误差7.1.2研究加工精度的方法研究加工精度的方法一般有两种：一是因素分析法，通过分析计算或实验、测试等方法，研究某一确定因素对加工精度的影响。一般不考虑其它因素的同时作用，主要是分析各项误差单独的变化规律。二是统计分析法，运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数据处理，用以控制工艺过程的正常进行。这两种方法在生产实际中往往结合起来应用。一般先用统计分析法找出误差的出现规律，判断产生加工误差的可能原因，然后运用因素分析法进行分析、试验，以便迅速有效地找出影响加工精度的关键因素。研究加工精度的方法7.2影响加工精度的因素原始误差及分类零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统中进行的。工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。原始误差的存在，使工艺系统各组成部分之间的位置关系或速度关系偏离了理想状态，致使加工后的零件产生了加工误差。原始误差的分类归纳如下。若原始误差是在加工前已存在，即在无切削负荷的情况下检验的，称为工艺系统静误差；若在有切削负荷情况下产生的则称为工艺系统动误差。图7．1为活塞销孔精镗工序中的各种原始误差：由于定位基准不是设计基准而产生的定位误差;由于夹紧力过大而产生的夹紧误差属工件装夹误差；机床制造或使用中的磨损产生的导轨误差属于机床误差；调整刀具与工件之间位置而产生的对刀误差属调整误差；由于切削热、摩擦热等因素的影响而产生的机床热变形属于工艺系统热变形;还有加工过程中的刀具磨损;加工完毕测量工序尺寸时,由于测量方法和量具本身的误差而产生的测量误差。原始误差举例各种原始误差的大小和方向各有不相同，而加工误差则必须在工序尺寸方向上测量。所以原始误差的方向不同时对加工误差的影响也不同。图7．2（或观看动画）以车削为例说明原始误差与加工误差的关系。图中实线为刀尖正确位置，虚线为误差位置。原始误差的方向不同时对加工误差的影响也不同。把对加工误差影响最大的那个方向（即通过刀刃的加工表面的法线方向）称为误差敏感方向。RZR22（7．1）YR（7．2）误差的敏感方向7.2.1加工原理误差加工原理误差加工原理是指加工表面的形成原理。加工原理误差是由于采用了近似的切削运动或近似的切削刃形状所产生的加工误差。为了获得规定的加工表面，要求切削刃完全符合理论曲线的形状，刀具和工件之间必须作相对准确的切削运动。但往往为了简化机床或刀具的设计与制造，降低生产成本，提高生产率和方便使用而采用了近似的加工原理，在允许的范围内存在一定的原理误差。7.2.2机床误差主轴回转误差概念机床误差是指在无切削负荷下，来自机床本身制造误差、安装误差和磨损，主要包括主轴回转误差、导轨误差、传动链误差。7.2.2.1主轴回转误差（1）主轴回转误差的概念理论上机床主轴回转时，回转轴线的空间位置是固定不变的，即它的瞬时速度为零。而实际主轴系统中存在着各种影响因素，使主轴回转轴线的位置发生变化。将主轴实际回转轴线对理想回转轴线漂移在误差敏感方向上的最大变动量称为主轴回转误差。主轴回转误差分类及影响因素主轴回转误差可分为如图7．3所示的三种基本类型：纯径向跳动：实际回转轴线始终平行于理想回转轴线，在一个平面内作等幅的跳动。纯轴向窜动：实际回转轴线始终沿理想回转轴线作等幅的窜动。纯角度摆动：实际回转轴线与理想回转轴线始终成一倾角，在一个平面上作等幅摆动，且交点位置不变。影响主轴回转精度的主要因素一是主轴轴颈与支承座孔的圆度误差，波度和同轴度、止推面或轴肩与回转轴线的垂直度误差。二是滑动轴承轴颈和轴承孔的圆度、波度和同轴度、端面与回转轴线的垂直度；或滚动轴承滚道的圆度、波度、滚动体的圆度误差和尺寸误差，滚道与轴承内孔的同轴度误差(如图7.4);轴承间隙及止推滚动轴承的滚道与回转轴线的垂直度误差等。回转误差对加工精度的影响（2）主轴回转误差对加工精度的影响不同型式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的；而同一类型的回转误差在不同的加工方式中的影响也不相同。如图7.5、7.6、7.7、7.8和表7.1所示。主轴回转误差的基本形式车床上车削镗床上镗削内、外圆端面螺纹孔端面纯径向跳动影响极小无影响圆度误差无影响纯轴向窜动无影响平面度误差垂直度误差螺距误差无影响平面度误差垂直度误差纯角度摆动圆柱度误差形响极小螺距误差圆柱度误差平面度误差表7．1机床主轴回转误差产生的加工误差动画7.5、7.6、7.87.2.2.2导轨误差导轨在垂直面内的直线度误差机床导轨是机床主要部件的相对位置及运动的基准，导轨误差将直接影响加工精度。(1)导轨在垂直面内的直线度误差卧式车床或外圆磨床的导轨垂直面内有直线度误差ΔZ如图7.9(a)，使刀尖运动轨迹产生直线度误差ΔZ，由于是误差非敏感方向，零件的加工误差ΔR≈ΔZ2／2R可忽略不计。而平面磨床、尤门刨床这时是误差敏感方向，所以导轨误差将直接反映到被加工的零件上。导轨在水平面内的直线度误差(2)导轨在水平面内的直线度误差卧式车床或外圆磨床的导轨水平面内有直线度误差△Y如图7.9(b)，将使刀尖的直线运动轨迹产生同样的直线度误差ΔY，由于是误差敏感方向，工件的加工误差△R＝△Y，造成零件的圆柱度误差。对平面磨床和龙门刨床，导轨水平方向为误差非敏感方向，加工误差可忽略。导轨的平行度误差BHZYR（7.3）一般车床H/B≈2/3，外圆磨床H/B≈1。因此这项原始误差对加工精度的影响不能忽略。(4)导轨与主轴回转轴线的平行度误差若车床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差，车出的内外圆柱面产生锥度；若在垂直面内有平行度误差，则圆柱面成双曲线回转体如图7.11，因是误差非敏感方向故可忽略。(3)前后导轨的平行度(扭曲)当卧式车床或外圆磨床的前后导轨存在平行度误差(扭曲)时(见图7.10)，刀具和工件之间的相对位置发生了变化，结果引起了工件的形状误差。在垂直于纵向走刀的某一截面内，若前后导轨的平行度误差头△Z，则零件的半径误差为：7.2.2.3传动链误差传动链误差传动链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。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。产生的原因是传动链中各传动元件的制造误差、装配误差及磨损等。若传动元件j，在某一时刻产生转角误差是转角的正弦或余弦为：Δφi=Δisin(ωjt+αj)则所造成传动链末端元件n的转角误差：Δφjn=kjΔφj。kj为误差传递系数。各传动件对工件精度影响的总和,即传动链的总转角误差为：Δφ∑=∑Δφjn=∑kjΔisin(ωjt+αj)7.2.3工艺系统受力变形系统系统YFKY受力变形与刚度7.2.3.1工艺系统刚度工艺系统在切削力作用下在各个受力方向产生相应变形，但影响最大的是误差敏感方向，所以工艺系统刚度指切削力在加工表面法向的分力FY与FX、FY、FZ同时作用下产生的沿法向的变形Y系统之间的比值。刚度K系统(柔度C系统)如下：工艺系统受力变形不但影响工件的加工精度，而且还影响表面质量，限制切削用量和生产率的提高。机械加工过程中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、重力和惯性力等外力作用下，会产生变形，破坏刀具和零件之间的正确位置关系，使零件产生加工误差(见图)。YFYKC系统系统1零件的刚度由于力与变形一般都是在静态条件下进行考虑和测量的，故上述刚度、柔度分别称为静刚度和静柔度。静刚度是工艺系统本身的属性，在线性范围内可认为与外力无关。工艺系统各组成部分的刚度（1）零件的刚度形状规则、简单的零件的刚度可用有关力学公式推算。长轴零件两顶尖装夹按简支梁计算，三爪卡盘装夹按悬臂梁计算。零件用两顶尖装夹，工件的变形可按简支梁计算，最大变形为：最小刚度为：零件用三爪卡盘装夹，工件的变形可按悬臂梁计算，最大变形为：最小刚度为：EILFYY483max3maxmin48LEIYFKYEILFYY33max3maxmin3LEIYFKY（2）机床部件的刚度机床部件的刚度机床结构形状复杂，各部件受力影响变形各不相同，且变形后对工件加工精度的影响也不同。影响机床部件刚度的因素：①接合面间的间隙；②薄弱零件本身的变形(见图7.13)；③连接表面间的接触变形(见图7.17)。由于机床部件刚度7.14的复杂性，很难用理论公式计算，刚度计算主要通过实验方法来测定(见图7.15)。从机床静刚度曲线可以看出：变形与载荷不成线性关系，反映刀架的变形不纯粹是弹性变形；加载与卸载曲线不重合，有残余变形存在，两曲线中包容的面积代表了加载-卸载循环中所损失的能量，即外力在克服部件内零件间的摩擦和接触塑性变形所作的功；实际刚度比估算的小，因为机床部件由许多零件组成，零件之间存在着结合面、配合间隙和刚度薄弱环节，机床部件刚度受这些因素影响，特别是薄弱环节对部件刚度影响较大。车床刚度实验7.17动画机床静刚度曲线动画（3）工艺系统的刚度工艺系统的刚度工艺系统在切削力作用下都会产生不同程度的变形，工艺系统受力总变形是各个组成部分变形的迭加，即：而工艺系统各部件的刚度为：所以工艺系统刚度为：知道工艺系统各组成部分的刚度后，就可以求出整个工艺系统的刚度。工艺系统刚度的一个特点：整个工艺系统的刚度比其中刚度最小的那个环节的刚度还小。工件刀具夹具机床系统YYYYY系统系统KFYY机床机床KFYY夹具夹具KFYY刀具刀具KFYY工件工件KFYY工件刀具夹具机床系统KKKKK11111工件刀具夹具机床系统KKKKK111117.2.3.2工艺系统受力对加工精度的影响LxLxEIFLxLKFLxKFKFYYYYY22223尾架头架刀架系统LxLxEILxLKLxKKYFKY2222311111尾架头架刀架系统系统切削力的作用位置对加工精度的影响（1）切削过程中力作用位置的变化对加工精度的影响工艺系统的刚度另一个特点是：工艺系统的各环节的刚度和整个工艺系统的刚度，是随着受力点位置变化而变化。如图7.18。由此可见，工艺系统刚度在沿工件轴向的各个位置是不同的。所以加工后工件各个横截面上的直径尺寸也不相同，造成加工后的形状误差。如图7.12(a)细长零件，刚度低，工艺系统的变形取决于零件的变形，产生鼓形加工误差。而图7.12(b)短粗工件，工件刚度较大，变形相要小，工艺系统的变形取决于机床头、尾架、顶尖、刀架和刀具的变形，零件产生鞍形加工误差。细长杆加工刚度影响动画薄壁加工刚度影响动画（2）切削过程中受力大小变化对加工精度的影响毛坯毛坯系统工件CKC切削力的大小对加工精度的影响在零件同一截面内切削，由于材料硬度不均或加工余量的变化将引起切削力大小的变化，而此时工艺系统的刚度K系统是常量，所以变形不一致，导致零件的加工误差。图7.20为车削有椭圆形圆度误差的短圆柱毛坯外圆，刀尖调整到要求的尺寸(图中虚线位置)，在工件的每一转中切深由毛坯长半径的最大值ap1变化到短半径的最小值ap2时，切削力也就由最大的FY1，变化到最小的FY2。，由Y=Fy/K可知切削力变化引起对应的让刀变形Y1，Y2。令(ap1-ap2)为毛坯误差Δ毛坯，(Y1-Y2)为一次走刀后的工件误差Δ工件，则有:ε为误差复映系数。误差复映规律：当毛坯有形状误差或位置误差时，加工后工件仍会有同类的加工误差。但每次走刀后工误差将逐步减少。若每次走刀复映系数为ε1、ε2、…、εn，则ε总＝ε1．ε2…εnCKC系统7.2.4工艺系统的热变形工