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1、第七章：機械加工精度 7.1加工精度的概念 一、機械加工精度的含義及內容 加工精度：零件加工后尺寸、形狀及以及各表面相互位置等參數(shù)的實際值與理想值相符合的程度。 加工誤差：上述實際值與理想值之間的偏離程度。 加工精度在數(shù)值上通過加工誤差的大小來表示，精度和誤差是同一問題的兩種不同的說法，兩者的概念是相互關連的。 加工精度包括： 尺寸精度 實際尺寸與設計尺寸間的符合程度，如長度、直徑精度等。 形狀精度 加工表面實際形狀與理想形狀的符合程度，如平面度、直線度、圓柱度等。 位置精度 加工表面與其基準間的實際位置與理想位置的符合程度。如平行度、垂直度、同軸度、

2、位置度等。 二、機械加工誤差分類 1. 系統(tǒng)誤差與隨機誤差 系統(tǒng)誤差：大小和方向均已掌握的誤差。 它可以用代數(shù)和來進行綜合。系統(tǒng)誤差又可以分為常值系統(tǒng)誤差和變值系統(tǒng)誤差。常值系統(tǒng)誤差的數(shù)值是不變的。變值系統(tǒng)誤差是誤差的大小和方向按一定規(guī)律變化，可按線性變化，也可按非線性變化。 隨機誤差：沒掌握規(guī)律的誤差。 有可能是掌握了誤差的大小但不掌握其方向或掌握了誤差的方向而不掌握大小。它不能用代數(shù)和來進行綜合，只能用數(shù)理統(tǒng)計方法來處理。 系統(tǒng)誤差與隨機誤差之間的分界線不是固定不變的，隨著科學技術的不斷向前發(fā)展，人們對誤差規(guī)律的逐漸掌握，隨機誤差不斷向系統(tǒng)誤差轉移。 2. 靜態(tài)誤差與切削狀

3、態(tài)誤差 靜態(tài)誤差：工藝系統(tǒng)在不切削狀態(tài)下仍存在的誤差。 例如機床的幾何精度和傳動精度等。 切削狀態(tài)誤差：僅在切削狀態(tài)下所出現(xiàn)的誤差。 如機床在切削時的受力變形和受熱變形等。 7.2 工藝過程的精度保證 1. 試切法 操作工人在每一步或走刀前進行對刀，然后切出一小段測量其尺寸是否合適，如不合適，調整刀具再試切出一小段，直到達到尺寸要求后才加工這一尺寸的全部表面（圖6－1）。 2. 調整法 先按規(guī)定尺寸調整好機床、夾具、刀具和工件的相對位置及進給行程，從而保證在加工時自動獲得尺寸。調整法可以分主靜調整法和動調整法兩類： 1）靜調整法：在不切削的情況下，用對刀塊或樣件

4、來調整刀具的位置。又稱樣件法（圖6-2、6-3） 2）動調整法：直接測量試切零件的尺寸，可以試切一件或一組零件，所有試切零件合格，即調整完畢，可以進行加工。動調整法又稱尺寸調整法， 3. 尺寸刀具法 用定尺寸的刀具來加工，獲得精度。 如鉆頭、鏜刀塊、拉刀及鉸刀等。有些孔加工刀具可以獲得非常高的精度，生產率也非常高。由于刀具有磨損，磨損后尺寸就不能保證，因此成本較高，多用于大批大量生產中。用成形刀具加工也屬于這一類 4. 主動測量法 加工中，實時測量加工尺寸，達到要求時就立即停止加工， 圖6-4表示了在外圓磨床上進行主動測量的情況。 7.3加工誤差產生的原

5、因及提高精度的措施 影響加工精度的主要因素有：機床受力變形、工件受力變形、機床導軌磨損、刀具的尺寸磨損和刀具的受熱變形等，另外還有度量誤差和對刀誤差（調整誤差）。 一、加工誤差產生的原因 （一）原理誤差 由于采用了近似的加工運動或者近似的刀具輪廓而產生的誤差。 如在用滾刀切削漸開線齒輪、漸開線花鍵軸時，是利用展成法原理，滾刀切出的齒形是由各個刀齒軌跡的包絡線所形成的，是一條近似的折線，如圖6-5。 （二）工藝系統(tǒng)精度和磨損的影響 工藝系統(tǒng)中機床、刀具、夾具本身的制造精度及磨損對工件的加工精度有不同程度的影響。 1. 機床精度的影響 1）導

6、軌誤差 導軌是機床中確定主要部件相對位置的基準，也是運動的基準，它的各項誤差直接影響被加工工件的精度。 導軌在垂直平面內的彎曲對加工精度的影響就不大一樣，小到可以忽略不計的程度。如圖6-6a表示由于導軌在垂直面內位移量為dz，引起工件上的半徑誤差dR。 忽略高階小項，得： 即工件上的直徑誤差為： 圖6-6 b表示在水平面內的彎曲使刀尖在水平面內位移dy，引起工件上的誤差dR′。因 dR′＝ dy， 所以在工件直徑上的加工誤差將為 dD＝2 dy。 假設dy= dz=0.1mm，D=40mm，則 可見dR′比dR大400倍。這就是說，在垂直面導軌的彎曲

7、對加工精度很小，可以忽略不計；而在水平面內同樣大小的導軌彎曲就不能忽視。 2）主軸誤差 在運轉的情況下主軸軸心線和定位端面位置的穩(wěn)定性。 主軸的回轉精度不但和軸部件的制造精度（包括加工精度和裝配精度）有關，而且還和受力后主軸的變形有關，并且隨著主軸轉速的增加，還需要解決主軸軸承的散熱問題。 在主軸部件中，由于存在著主軸軸頸的圓度誤差、同軸度誤差、軸承本身的各種誤差、軸承之間的同軸度誤差、主軸的撓度和支承端面對軸頸軸心線的垂直度誤差等原因，主軸在每一瞬時回轉軸心線空間位置都是變動的。 主軸的誤差的四種基本形式：純徑向跳動、純角度擺動、純軸向竄動和軸心漂移（圖6－7）。 實例：鏜孔

8、徑向跳動的影響：鏜軸旋轉，工件不轉（圖6－8）。 設由于主軸純徑向跳動而使主軸軸心線在y坐標方向上作簡諧直線運動，其頻率與主軸每秒鐘的轉數(shù)相同，振幅為A；再設主軸中心偏移最大（等于A）時，鏜刀尖正好通過水平位置1.則當鏜刀再轉過一個j角時（位置1’），刀尖軌跡的水平分量和垂直分量各為： 上式是個橢圓方程式即鏜出的孔成橢圓形。 主軸的純軸向竄動對于孔加工和外圓加工并沒影響，但在加工端面時，造成端面與內外圓不垂直，主軸每轉一周，就要沿軸向跳動一次，向前竄動的半周中形成了右螺旋面，向后竄動的半周中形成了左螺旋面（如圖6-10），最后切出了如同端面凸輪一般的形狀，而在端面中心附近

9、出現(xiàn)一個凸臺。在這種情況下車削螺紋，也必然會產生單個螺距內的周期誤差。 2. 刀具精度和磨損的影響 定尺寸刀具：制造精度影響加工尺寸精度，如鉆頭、擴孔鉆、鉸刀、鏜刀塊和圓孔拉刀等，這些刀具磨損后加工尺寸就會產生變化，而且其中某些刀具難以修復或補償。 其它刀具精度不會影響加工尺寸，如車刀、立銑刀、鏜刀等，主要靠刀具位置的調整（即對刀）來保證。 砂輪的磨損比一般金屬切削刀具大得多，砂輪的磨損與其硬度有關。在外圓磨床上，由于砂輪直徑一般都比較大，砂輪的磨損對工件尺寸精度、形狀精度影響較小，而對于內圓磨床，由于砂輪直徑較小，砂輪磨損對工件精度的影響就比較大，因此在精密外圓磨床、精密

10、內圓磨床、齒輪磨床及花鍵磨床上多有砂輪補償機構，砂輪修整后及時進行尺寸補償。修整砂輪的裝置有時采用定時自動修整并及時補償?shù)穆?lián)合機構。 為了減少刀具尺寸磨損對加工精度的影響，可以采取如下措施： 1）進行尺寸補償。在數(shù)控機床上可以比較方便地進行刀具尺寸補償，它不僅可以補償尺寸磨損，而且可以補償?shù)毒呷心ズ蟮某叽缱兓?，如棒銑刀、圓盤銑刀等。 2）采用合理切削用量，不使刀具過快磨損。 3）選用耐磨性較高的刀具材料，如涂層刀具、陶瓷、立方氮化硼等。 3. 夾具的制造精度和磨損 夾具的制造精度主要表面在定位元件、對刀裝置和導向元件等本身的精度以及它們之間的相對位置精度。

11、 定位元件確定工件與夾具的相對位置， 對刀裝置和導向元件確定刀具與夾具的相對位置， 通過夾具就間接確定了工件和刀具之間的相對位置，從而保證了加工精度。 夾具中定位元件、對刀裝置和導向元件的磨損會直接影響加工精度。 （三）工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度的影響 1. 剛度的概念 工藝系統(tǒng)中機床、刀具、夾具及工件等在受到切削力、傳動力、慣性力、重力、夾緊力和內應力等作用時會產生彈性變形，當超過彈性變形極限后會產生塑性變形，工藝系統(tǒng)的變形一般都屬于彈性變形。 剛度是物體受力后抵抗外力的能力，也就是物體在受力方向上產生單位彈性變形所需要的力 式中： 柔度是物體受單位

12、力時在受力方向的變形，它是剛度的倒數(shù)。 物體在受力后產生變形，力和變形之間的關系不一定是線性的，上述剛度是指平均剛度， 瞬時剛度：物體受力的增量與該方向上產生的變形增量的比值。 在工藝系統(tǒng)中，往往一個方向的力同時產生幾個方向的變形，如圖6－14所示。因此工藝系統(tǒng)的變形具有復合性。 2. 剛度曲線及影響剛度的因素 1）工藝系統(tǒng)的變形曲線 （1）加載變形曲線：非線性 圖6－15表示了一臺機器或一個部件的加載變形曲線，可以明顯地看出，載荷和變形不成線性關系，而成曲線關系，這主要是由于接觸變形的影響，也可能有剛度很差的零件存在。這類變形曲線又可以分為兩類，一

13、是凹形曲線（a），一是凸線（b）。凹形曲線的特點是開始變形很大，逐漸剛度變好；而凸形曲線的特點是開始剛度好，隨著載荷的加大，剛度愈來愈差。 （2）正反加卸載變形曲線：不重合 圖6－16表示了某一結構正反加卸載變形曲線。先在正方向加載，得加載變形曲線，然后卸載，得到卸載曲線，可見兩條線不重合，產生類似“磁滯”現(xiàn)象，這主要是由于接觸面上的塑性變形，零件位移時的摩擦力消耗以及間隙的影響。同理在反方向加載和卸載，又可得到加載變形曲線和卸載變形曲線，兩者也不重合，同時整個加卸載過程最后不回原點，最終最大間隙為y。 2）影響工藝系統(tǒng)剛度的因素 （1）接觸面的表面質量 接觸面間的變形與零件的表面粗

14、糙度、幾何形狀、接觸面積大小及材料的物理機械性質有關。 如圖6－18所示，接觸變形中包括彈性變形和塑性變形兩部分，卸載彈性變形可恢復,而塑性變形不可恢復，這是造成加載與卸曲線不重合的原因之一。 （2）系統(tǒng)存在薄弱環(huán)節(jié)—剛度較差的零件 機器或部件中，經常采用鑲條、鍵等聯(lián)結零件。這些零件本身的剛度很差，極易變形，使整個系統(tǒng)剛度變差，變形曲線成凹形。 （3）連接件夾緊力的影響 機器和部件中的許多零件是用螺釘?shù)冗B接起來的，當外加載荷方向與螺釘?shù)膴A緊力方向相反時，開始載荷小于螺釘所形成的夾緊力，這時變形較小，剛度較高；當載荷大于螺釘所形成的夾緊力時，螺釘將變形，因此變形較大

15、，剛度較差，所以有連接件的一引動結構中，多出現(xiàn)凸形變形曲線。 （4）摩擦力的影響 在加載時，零件間外摩擦力阻礙零件的間隙位移，材料內摩擦力阻礙變形增加；在卸載時，外摩擦力阻礙零件的間隙恢復，內摩擦力阻止變形減小。但摩擦力總是會造成能量的消耗，因此使得加載曲線與卸載曲線不重合。 （5）間隙的影響 在機器或部件上進行正向加載，由于間隙的存在，當載荷大于零件間的摩擦力時就會產生位移。反向加載時也是一樣。因而造成正向加載曲線的起始點與反向卸曲線的終結點不重合。 3）工藝系統(tǒng)剛度及其組成 工藝系統(tǒng)的受力變形等于機床、刀具、工件及夾具的受力變形之和。因此工藝系統(tǒng)的柔度就等于機床

16、、刀具、工件及夾具的柔度之和。 用剛度來表示，就有 3. 切削力對加工精度的影響 工藝系統(tǒng)受切削力的作用將產生變形，當切削力變化時造成變形量的變化，因此將會影響工件的尺寸精度、形狀精度及位置精度。 誤差復映現(xiàn)象：在車床上安裝一個階梯軸試件，試件上有三組階梯，，階梯的差值相等，一次走刀將這三個地方的階梯車去后，因系統(tǒng)有彈性變形，故階梯的高度差仍然存在，但數(shù)值大為減小，這種現(xiàn)象稱之為誤差復映現(xiàn)象（圖6－22）。 4. 傳動力對加工精度的影響 在車床、磨床上加工軸類零件時，住往用頂尖孔定位，通過裝在主軸上的撥盤、傳動銷撥動裝在工件工端的夾頭使工件回轉。在撥盤轉動的過程中，傳動

17、力F與切削力Fy有時同向，有時反向。當傳動力F與切削侵略Fy方向相同時，切深將減小，但兩者方向相反時，切深將增加。由于切削力不等，變形各異，因而引起加工誤差。 5. 慣性力對加工精度的影響 調整回轉零件的不平衡會產生離心力，離心力在零件回轉過程中不斷改變方向，有時與切削分力Fy同向，有時反向。同向時，減小了實際切深，反向時，增加了實際切深，由于工藝系統(tǒng)的受力變形，因此產生加工誤差。 6. 夾緊力對加工精度的影響 對于剛度比較差的零件，在加工時由于夾緊力安排不當使零件產生彈性變形。加工完后，卸下工件，這時彈性恢復，結果造成開關誤差。 7. 重力對加工精度的影響 在加工中，由于機床部件

18、或工件產生移動，其重力作用點變化而產生的彈性變形，如大型立車、龍門銑床、龍門刨床等。其主軸箱或刀架在橫梁上面移動時，由于主軸箱的重力使橫梁的變形在不同位置是不同的，因而造成加工誤差，這時工件表面將成凹形。 8. 內應力對加工精度的影響 1）毛坯制造中產生的內應力 在鑄、鍛、焊、熱處理等加工過程中，內于各部分冷熱收縮不均勻以及金相組織轉變引起的體積變化，使毛坯內部產生了相當大的內應力。毛坯的結構愈復雜，各部分的厚度愈不均勻，散熱的條件相差愈大，則在毛坯內部產生的內應力也愈大。具有內應力的毛坯由于內應力暫時處于相對平衡的狀態(tài)，在短時期內還看不出有什么變動。但在切削去除某些表面部分以后，就打破

19、了這種平衡，內應力重新分布，零件就明顯地出現(xiàn)了變形。圖6－32 2）冷校直帶來的內應力 冷校直帶來的內應力，可以用圖6－33說明。 （四）工藝系統(tǒng)受熱變形對加工精度的影響 在金屬切削加工過程中，工藝系統(tǒng)的溫度會產生復雜的變化，這是由該系統(tǒng)受到的切削熱、摩擦熱以及日光和供暖設備的輻射熱而引起的。 1. 工藝系統(tǒng)的熱源 1）切削熱 切削過程中，切削變形及摩擦所消耗的能量，絕大部分轉化為切削熱，這些熱量將傳到工件、刀具、切屑和周圍介質中去。切削熱是工件和刀具熱變形的主要熱源。 2）傳動系統(tǒng)的摩擦熱和能量損耗 軸承、齒輪副、摩擦離合器、溜板和導軌、絲杠和螺母等運動

20、副的摩擦熱以及動力源能量損耗，如電動機、液壓系統(tǒng)的發(fā)熱等是機床熱變形的主要熱源。 3）派生熱源 部分切削熱由切削液、切屑帶走，它們落到床上，再把熱量傳到床身，就形成派生熱源。此外，摩擦熱還通過潤滑油的循環(huán)散布到各處，也是重要的派生熱源。 4）外部熱源 外部熱源主要指周圍環(huán)境溫度通過空氣的對流以及環(huán)境熱源，如日光、照明燈具、加熱器等通過輻射傳到工藝系統(tǒng)的熱量。 2. 工件的熱變形 1）工件比較均勻地受熱 一些形狀較簡單的軸類、套類、盤類零件的內、外圓加工時，切削熱比較均勻地傳入工件，寬砂輪磨短軸時亦可認為是接近這種情況。如不考慮工件溫升后的散熱，其溫度沿工件全長和圓周的分布都是比較

21、均勻的，熱變形也較均勻，它只引起工件尺寸的變化，而幾何形狀則不受影響。 2）工件不均勻受熱 在加工時工件的溫升與傳入其間的熱量、工件的質量、工件材料的熱容量等有關，而傳入工件的切削熱主要決定于切削用量，由于加工條件的復雜性和多樣性，大多數(shù)情況是工件不均勻受熱。銑、刨、磨平面時，工件只在單面受切削熱作用，上下表面的溫差導致工件拱起，中間被多切去，加工完畢冷卻后，加工表面就產生中凹的誤差，如圖6-38。 3. 刀具的變形 傳給刀具的熱主要是切削熱，刀具質量小，熱容量小，故會有很高的溫升，例如高速鋼的工作表面可達700 ℃ ～800℃。刀具受熱伸長主要影響工件的尺寸精度，在加工大型零件時

22、，如車削長軸的外圓，也會影響零件的幾何形狀精度。如圖6－39車刀受熱變形與切削時間的關系。 4. 機床的熱變形 各類機床（包括夾具）的結構和工件條件相關很大，故引起機床熱變形的熱源和變形特性也是多種多樣的。除切削熱有一小部分會傳入機床外，傳動系統(tǒng)、導軌等運動零件產生的摩擦熱為機床的主要熱源。另外液壓系統(tǒng)、冷卻潤滑液等也是機床的熱源。 研究機床熱變形對加工精度的影響時，主要考慮主軸位置的變化以及導軌的變形，因為它們都影響刀具相對于工件加工表面的位置。（圖6－39a,b,c） 二、提高精度的措施 （一）提高工藝系統(tǒng)剛度的措施 工藝系統(tǒng)剛度的提高可以從各部分元件本

23、身的剛度和接觸剛度這兩方面著手。 1）機床構件自身剛度的提高 在機床設計時要注意支承件、傳動件及主軸系統(tǒng)本身剛度的提高。 2）提高工件安裝時的剛度 工件在安裝時應考慮剛度問題。應避免因工件伸太高而剛度較差現(xiàn)象。 中心架、跟刀架（下載） 3）提高加工時刀具的剛度 加工時刀具的懸伸應盡量短，刀桿應盡可能粗些，以提高自身的剛度。要特別注意多刀加工時，整個刀具系統(tǒng)的剛度。 4）提高工裝零件表面質量 接觸剛度與零件的表面質量有密切關系，因此要注意接觸表面的粗糙度、形狀精度及物理機械性質等。 5）減少接觸面 6）加預緊力 加預緊力使接觸面產生預變形，減小間隙，提高

24、剛度。對于相互靜止的結構，可加150MPa的預緊力；對于相互運動的結構（如滾動導軌、軸承等），可加10～20MPa的預緊力。 （二）減小熱變形對加工精度影響的措施 1）減少熱源的能量 分離熱源：凡是有可能從主機分離出去的熱源，如電機、變速箱、液壓裝置的油箱等，盡可能放置在機床外部。 隔熱：如熱源不能從機床中分離出去，可在發(fā)熱部件與機床大件間用絕熱材料隔開。 冷卻：對發(fā)熱量大的熱源，如既不能從機內移出，又不便隔熱，則可采用有效冷卻。 2）用熱補償方法減小熱變形 單純地減小溫升往往不能收到滿意的效果，此時可采用熱補償方法使機床的溫度場比較均勻，從而使機床僅產生不影響加工精度的均勻變形

25、。 例如平面磨床，磨削熱使磨床床身的溫度升高，則床身形成上熱下冷而使導軌產生中凸的熱變形；若將液壓系統(tǒng)的油池設計在床身低部，油使床身下部溫度升高而產生熱變形，使導軌產生中凹的熱變形，以補償由于磨削熱產生的導軌中凸熱變形。 3）改善機床結構來減小熱變形 從機床結構上要考慮有利于熱的傳導，如傳統(tǒng)的牛頭刨床滑枕截面結構（圖6-41）由于導軌面的高速滑動，使滑軌上冷下熱，就會產生較大的彎曲變形，將導軌布置在截面中間使上、下對稱，就可以大大減小滑枕的彎曲而提高機床的精度。 4）保持工藝系統(tǒng)的熱平衡 由熱變形規(guī)律可知，大的熱變形發(fā)生在機床開動后的一段時間內，當達到熱平衡后，熱變形趨于穩(wěn)定，此后加工精度才有保證。因此在精加工前可先使機床空轉一段時間（機床預熱），等 達到熱平衡時再開始加工，加工精度比較穩(wěn)定。 5）控制環(huán)境溫度 對精加工機床應避免日光直接照射，布置采暖設備也應避免使機床受熱不均勻，對精密機床則應安裝在恒溫車間。 17