第六章 机械加工精度

对任何一台机器，为保证它们的使用性能，必然对其组成零件提出许多方面的质量要求。机械加工精度、机械加工表面质量，则是质量要求的两个主要方面。1、加工精度指零件在加工后的几何参数（尺寸、形状、相互位置）与理想零件的几何参数的符合程度。符合程度愈高，加工精度愈高2、加工误差指零件加工后的几何参数与理想零件的几何参数的偏差。偏差越大，加工误差愈大由此可见：“加工精度”和“加工误差”是从两个角度来评价同一个事物。提高加工精度实际上就是减小加工误差。第六章机械加工精度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，我们称之为工艺系统。工艺系统存在各种误差，这些误差会在不同的具体条件下，以不同的程度反映到被加工的零件上去，从而造成加工误差。我们把这种工艺系统的误差，称为原始误差。其组成如下：第六章机械加工精度1原理误差原理误差是由于采用近似的加工运动或刀具轮廓而产生的。为了得到规定的零件表面，都必须在工件和刀具的运动之间建立一定的联系，例如车削螺纹，必须使工件和车刀之间有准确的螺旋运动联系；滚切齿轮，必须使工件和滚刀之间有准确的展成运动。这种运动联系一般称之为加工原理。这种运动联系一般都是由机床的机构来保证的，也有很多场合是用夹具来保证的。除此以外，还有用成形刀具直接加工出成形表面的方法。从理论上讲，我们应采用合乎理想的加工原理，完全准确的运动联系，以求获得完全准确的成形表面。但是，采用理论上完全准确的加工原理有时间会使得机床的结构极为复杂，造成制造上的困难；或者由于环节过多，增加了机构运动中的误差，反而得不到高的加工精度。第六章机械加工精度而采用近似的加工原理往往还可以提高生产率和使工艺过程更为经济。因此，不能认为有了原理误差就不算是一个好的加工方法。只要能够达到精度要求，就是一个好的加工方法。2机床误差机床误差包括：机床的制造、磨损和安装。主要体现在以下几个方面：1）导轨误差：导轨的直线度和平行度2）主轴误差：主轴本身的回转精度及其对导轨的平行度3）传动链误差：传动系统产生的误差4）刀架和溜板移动时对主轴轴线的平行度和垂直度3调整误差在加工过程中，总要对机床进行各种调整。由于调整不可能绝对准确，也就带来了一项原始误差，称之为调整误差第六章机械加工精度调整误差包括：机床的调整误差、夹具的调整误差和刀具的调整误差。4工艺系统的受力变形1）工艺系统受力变形的现象在车床上加工一根细长轴时，由于工件的刚性太差，受到切削力作用后，工件就会朝着与刀具相反的方向变形，越到中间变形越大，实际切深也就越小，所以产生腰鼓形的加工误差。在车床上加工短粗轴时，工件的刚性很好，在切削力的作用下工件并没有变形，刀具却产生了“让刀”的现象；粗车时的切削力大，则受力变形也大，也能引起了刀具相对于工件的“让刀”。粗车完毕后，受力变形恢复．这时候即使不进刀，甚至把刀架稍稍后退一点再走刀的话，刀尖仍然可以切到金属。第六章机械加工精度第六章机械加工精度可以说．在这种情况下控制加工精度问题，实际上主要就是控制工艺系统受力变形的问题。工艺系统受力变形在磨削加工中显得更突出。在精磨的最后几个行程中，砂轮并没有再向工件进刃，即所谓“无进给磨削”或“光磨”，但依然磨出火花，先多后少，直至无火花为止．这就是用多次无进给的行程来消除工艺系统的受力变形，以保证工件的加工精度和表面粗糙度。注意：工艺系统的受力变形是机械加工精度中一项很重要的原始误差。它不但严重地影响着加工后工件的精度；而且还影响着表面质量；限制切削用量和生产率的提高。第六章机械加工精度2）机床部件刚度及其特点为了分析计算工艺系统受力变形对加工精度的影响，要引进一个有用的概念——工艺系统的刚度。如图3-26所示，当车刀切削工件时，在刀刃上和工件上分别受到大小相等，方向相反的切削力的作用，而切削力的分力Fy对加工精度的影响最大。在切削力的作用下，刀具和工件相互退让，设让刀距离为y，则工艺系统在Y方向的刚度是：k=Fy/y由于切削力是不断地变化的，工艺系统在动态下产生的变形不同于静态下的变形，这样就有静刚度和动刚度的区别。在一般情况下，工艺系统的动刚度与静刚度成正比关系，此外还与系统的阻尼、交变力频率与系统固有频率之比有关。第六章机械加工精度4）工艺系统的刚度及其对加工精度的影响机械加工时，机床的有关部件、夹具、刀具和工件在切削力的作用下，都有不同程度的变形，导致刀刃和加工表面在y方向的相对位置发生变化，产生了加工误差。工艺系统刚度对加工精度的影响，可以归纳为下列几种常见的形式：(1)由于受力点位置的变化而产生的工件形状误差工艺系统的刚度除了受到各组成部分的刚度影响之外，还有一个特点就是随着受力点的位置的变化而变化，加工后工件在各个横截面上的尺寸也不相同，造成了工件的形状误差。第六章机械加工精度(2)误差复映规律：由于毛坯加工余量和材料硬度的变化，引起切削力和系统受力变形的变化，因而产生了工件的尺寸误差和形状误差。图示为加工一个具有偏心的毛坯。在工件每一转的过程中，切削深度将从最小值ap2增大到最大值ap1，然后再减小到ap2。由于切削深度的变化引起了切削力变化，变化的切削力作用在工艺系统上，使它的受力变形也发生了相应的变化。切削力大时，变形也大，切削力小时，变形相应地变小。所以加工偏心毛坯之后得到的工件仍然是略有偏心的。这种现象在工艺学中称为误差复映。第六章机械加工精度令：ε=△工件/△毛坯，则可推出公式：ε=C/K系统上式表示了加工误差与毛坯误差之间的比例关系，说明了“误差复映”的规律。ε定量地反映了毛坯误差经加工所减小的程度，称之为“误差复映系数”。可以看出，工艺系统刚度越高，ε越小，即复映在工件上的误差越小。由以上分析，可以把误差复映的概念，推广到下列几点：①每一件毛坯的任何形状误差都以一定的复映系数复映成工件的加工误差，这是由于切削余量不均匀而引起的。②在一般的车削情况下，由于工艺系统刚度比较高．复映系数远小于1，在2～3次走刀以后，毛坯误差下降很快，加工误差的下降更快。所以在一般车削时，只有在粗加工时用误差复映规律估算加工误差才有实际意义。但是在工艺系统刚度低的场合下，误差复映的现象比较明显，有时需要从实际反映的复映系数着手分析提高加工精度的途径。第六章机械加工精度③在大批大量生产中，都是采用定尺寸调整法加工的。这样，对于一批尺寸大小有参差的毛坯而言，每件毛坯的加工余量都不一样，由于误差复映的结果，也就造成了一批工件的“尺寸分散”。为了保持尺寸分散不超出允许的公差范围，就有必要查明误差复映的大小。这也是在分析和解决加工精度问题时常常遇到的一项工作。(3)毛坯材料硬度的不均匀将使切削力产生变化，工艺系统的受力变形也随着起了变化，从而产生了加工误差。如图所示，毛坯中夹杂了“硬点”以后，切削时就会“让刀”，在工件表面形成圆度误差。铸件和锻件在冷却过程中的不均匀常常是造成毛坯硬度不均匀的根源。第六章机械加工精度（4）工艺系统中其它作用力的变化引起某些环节的受力变形的变化，因此产生了加工误差。机械加工中除了切削力作用于工艺系统之外，还作用着其它的力，如传动力、惯性力、夹紧力、工件的重量、机床移动部件的重量等，这些力也能使工艺系统中某些环节的受力变形发生变化，从而造成加工误差。第六章机械加工精度第三章加工误差的综合分析在实际生产中出现的加工精度问题往往是综合性很强的工艺问题，其影响因素也比较复杂。因此，如何运用已学到的基本知识，对生产实际中的加工精度问题进行综合的分析和提出解决问题的对策，并在实际中获得成效，是培养工艺能力的一项重要环节。1误差的性质区分加工误差的性质是研究和解决加工精度问题的极为重要的一环。各种加工误差，按它们在一批零件中出现的规律来看，可以分为两大类：系统性误差和随机性误差。1）系统性误差：当连续加工一批零件时，这类误差的大小和方向或是保持不变，或是按照一定的规律而变化。前者称为常值系统性误差，后者称为变值系统性误差。第六章机械加工精度原理误差、机床、刀具、夹具、量具的制造误差、调整误差，工艺系统的静力变形都是常值系统性误差，它们和加工的顺序或加工时间没有关系。机床、夹具和量具的磨损值在一定时间内可以看作是常值系统性误差。机床、刀具的热变形、刀具的磨损都随着加工顺序或加工时间而有规律地变化，因此属于变值系统性误差。2）随机误差：在加工一批零件中，这类误差的大小和方向是不规律地变化着的。毛坯误差的复映、定位误差、夹紧误差、多次调整的误差、内应力引起的变形误差等都是随机性误差。随机性误差从表面上看来似乎没有什么规律，无从分析起。但是应用数理统计方法可以找出一批工件加工误差的总体规律，然后在工艺上采取措施来加以控制。第六章机械加工精度对于上述两类不同性质的误差，其解决途径也不一样。一般来说，对于常值系统性误差，可以在查明其大小和方向后，通过相应的调整或检修工艺装备的办法来解决。有时候还可以人为地用一种常值误差去抵偿本来的常值误差。对变值系统性误差，可以在摸清其变化规律后，通过自动连续补偿、自动周期补偿等办法来解决。可是随机性误差没有明显的变化规律，很难完全消除．只能对其产生的根源采取适当的措施以缩小其影响。2．加工误差的统计分析法对于生产实际中经常以复杂的因素而出现的加工误差问题，不能用单因素估算方法来衡量其因果关系，更不能从单个工件的检查来得结论，需要用统计分析的方法：就是以许多工件进行的检查结果为基础，运用数理统计的方法去处理，从中提炼出规律性的东西，用以找出解决问题的途径。第六章机械加工精度1）分布曲线法检查一批精镗后的活塞销孔直径，图纸规定的尺寸及公差为Φ28-0.015，抽查件数为100。测量时发现它们的尺寸各不相同，这种现象称之为尺寸分散。把测量所得的数据按尺寸大小分组，每组的尺寸间隔为0.002mm，则可列表如下：其中：n为测量的件数。如果用每组的件数m或频率m/n做纵坐标，以尺寸x为横坐标，就可以作成图示的折线图。第六章机械加工精度分散范围：0.012mm中心：27.9979mm公差中心27.9925mm实际测量结果表示；一部分工件巳超出了公差范围，成了废品。但是，从图中也可以看出，这批工件的分散范围0.012mm比公差带0015mm小，如果能够设法将分散中心调整到公差范围中心，工件就完全合格。第六章机械加工精度在绘制一批工件的尺寸分布图时，若所取的工件数量增加而尺寸间隔取得很小时，则作出的折线图就非常接近光滑的曲线，这就是所谓实际分布曲线，实践表明：在正常条件下加工一批工件，其尺寸分布情况常和上述曲线相似。在研究加工误差问题时，常常应用数理统计学中一些“理论分布曲线”来近似地代替实际分布曲线，这样做有很大的方便和好处。其中应用最广的便是正态分布曲线(或称高斯曲线)。实践证明；在调整好了的机床上加工，引起误差的因素中没有特别显著的因素，而且加工进行情况正常(机床、夹具、刀具在良好的状态下)，则一批工件的实际尺寸分布可以看作是正态分布。也就是说：若引起系统性误差的因素不变，引起随机性误差的多种因素的作用都微小且在数量级是大致相等，则加工所得的尺寸将按正态分布曲线分布，如图所示：第六章机械加工精度（1）曲线成钟形，中间高，两边低。这表示尺寸靠近分散中心的工件占大部分，而尺寸远离分散中心的工件是极少数。（2）工件尺寸大于x和小于x的相同范围内的频率是相等的。（3）表示正态分布曲线形状的参数是σ。σ越大，曲线越第六章机械加工精度平坦，尺寸越分散，也就是加工精度越低；σ越小，曲线越陡峭，尺寸越集中，也就是加工精度越高。（4）可以查出：工件尺寸在±3σ以外的频率只占0.27％，可以忽略。一般都取正态分布曲线的分散范围为±3σ。这个±3σ的概念在研究加工误差问题时应用很广，是一个很重要的概念。简单地说，6σ的大小代表了某一种加工方法在规定的条件下所能达到的加工精度。所以在一般情况下应该使公差带的宽度T和均方根误差σ之间具有下列关系：T≥6σ。考虑到变值系统性误差及其他因素的影响，总是使公差带的宽度T大于6σ。刀具磨损会使分布曲线的位置移动及σ逐渐加大。在外