第七章：機(jī)械加工精度

1、第七章：機(jī)械加工精度本 章 提 要本章討論的內(nèi)容有機(jī)械加工精度的基本概念、影響加工精度的因素、加工誤差的綜合分析及提高加工精度的途徑四個方面。具體要點如下：誤差敏感方向的概念；原理誤差的定義；機(jī)床導(dǎo)軌誤差相對加工誤差的敏感性的判斷；給定條件下的工藝系統(tǒng)受力變形分析；誤差復(fù)映的基本概念；工藝系統(tǒng)均勻和非均勻受熱變形的定性分析；加工誤差的分類；分布曲線法的作用，工藝能力系數(shù)的概念。7.1.機(jī)械加工精度的基本概念 7.1.1.加工精度與加工誤差加工精度：零件加工后的實際幾何參數(shù)(尺寸、形狀和位置)與理想幾何參數(shù)相符和程度。零件加工后的實際幾何參數(shù)對理想幾何參數(shù)的偏離程度稱為加工誤差。7.1.2.研究

2、加工精度的方法研究加工精度的方法的一般有兩種：一是因素分析法(通過分析計算或?qū)嶒?、測試等方法，研究某一確定因素對加工精度的影響。一般不考慮其它因素的同時作用，主要是分析各項誤差單獨變化規(guī)律)。二是統(tǒng)計分析法(運用數(shù)理統(tǒng)計方法對生產(chǎn)中一批工件的實測結(jié)果進(jìn)行數(shù)理處理，用以控制工藝過程的正常進(jìn)行。主要是研究各項誤差綜合的變化規(guī)律，只適用于大批、大量的生產(chǎn)條件)7.2.影響加工精度的因素零件的機(jī)械加工是在由機(jī)床、夾具、刀具和工件組成的工藝系統(tǒng)中進(jìn)行的。工藝系統(tǒng)中凡是直接引起加工誤差的因素都稱為原始誤差。原始誤差的分類歸納如下：圖7.1為活塞銷孔精鏜工序中的各種原始誤差：圖7.2以車削為例說明原始誤差與

3、加工誤差的關(guān)系*圖中實線為刀尖正確位置，慮線為誤差位置。P195公式7.1 R =Z2 / 2R (圖a R2+Z2=（R+ R）2)P195公式7.2 R = Y(圖b)當(dāng)Y=Z時,法向加工誤差大,而切向加工誤差極小,以致可以忽略不計。因此把對加工誤差影響最大的那個方向（即加工表面的法線方向）稱為誤差敏感方向7.2.1.加工原理誤差*加工原理是指加工表面的形成原理。加工原理誤差是由于采用了近似的切削運動或近似的切削刃形狀所產(chǎn)生的加工誤差。例如：齒輪滾刀 一 有近似造形原理誤差（為便于制造，用阿基米德或法向直廓基本蝸桿代替漸開線基本蝸桿）；二 有包絡(luò)造形原理誤差（由于滾刀刀刃數(shù)有限，因而切削不

4、連續(xù)，包絡(luò)而成的實際齒形不是漸開線，而是一條折線）。7.2.2.機(jī)床誤差機(jī)床誤差是指在無切削負(fù)荷下，來自機(jī)床本身的制造誤差、安裝誤差和磨損。7.2.2.1.主軸回轉(zhuǎn)誤差主軸回轉(zhuǎn)誤差的概念(圖7.3 機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差的類型)純徑向跳動：實際回轉(zhuǎn)軸線始終平行于理想回轉(zhuǎn)軸線，在一個平面內(nèi)作等幅的跳動。純軸向跳動：實際回轉(zhuǎn)軸線始終沿理想回轉(zhuǎn)軸線作等幅的竄動。純角度擺動：實際回轉(zhuǎn)軸線與理想回轉(zhuǎn)軸線始終成一傾角，在一個平面上作幅擺動，且交點位置不變。由于主軸回轉(zhuǎn)誤差總是上述三者的合成。造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的主要因素與主軸部件的制造精度有關(guān)。(圖7.4 滾動軸承的幾何誤差)主軸回轉(zhuǎn)誤差對加工精度的影響不同型式的

5、主軸回轉(zhuǎn)誤差對加工精度的影響是不同的；而同一類型的回轉(zhuǎn)誤差在不同的加工方式中的影響也不相同。如圖7.5圖7.8和表7.1所示 圖7.5 車削時純徑向跳動 圖7.6 鏜孔時純徑徑向跳動 圖7.7 主軸軸向竄動 圖7.8 純角度擺動表7.1 機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差產(chǎn)生的加工誤差7.2.2.2.導(dǎo)軌誤差*導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差臥式車床或外圓磨床的導(dǎo)軌垂直面內(nèi)有直線度誤差(圖7.9(a)，是誤差非敏感方向，可忽略不計。平面磨床、龍門刨床這時是誤差敏感方向，所以導(dǎo)軌誤差將直接反映到被加工的零件上。導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的真線度誤差，見圖7.9(b)圖7.9 導(dǎo)軌的直線度誤差前后導(dǎo)軌的平行度誤差圖7.10 前后尋軌

6、平行度誤差見圖7.10，若前后導(dǎo)軌的平行度誤差為，則零件的半徑誤差為：一般車床，外圓磨床。因此這項原始誤差對 加工精度的影響不能忽略導(dǎo)軌與主軸回轉(zhuǎn)軸線的平行度誤差若車床導(dǎo)軌與主軸回轉(zhuǎn)軸線在水平面內(nèi)有平行誤差，車出的內(nèi)外圓柱面就產(chǎn)生錐度；若在垂直面內(nèi)有平行誤差，則圓柱面成雙曲線回轉(zhuǎn)體(圖7.11)，因誤差非敏感方向故可略圖7.11 車床導(dǎo)軌與主軸回轉(zhuǎn)軸線在垂直面內(nèi)的平行度誤差產(chǎn)生的加工誤差7.2.2.3.傳動鏈誤差 傳動鏈誤差是指機(jī)床內(nèi)聯(lián)系傳動鏈?zhǔn)寄﹥啥藗鲃釉g相對運動的誤差。7.2.3.工藝系統(tǒng)受力變形7.2.3.1.工藝系統(tǒng)剛度工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力、傳動力、重力和慣性力等外力作用下，

7、使零件產(chǎn)生加工誤差。例如圖7.12(a)車細(xì)長軸，圖7.12(b)車削粗短工件時，圖7.12c所示在車床加工薄壁零件的內(nèi)孔。 圖7.12 工藝系統(tǒng)受力變形的產(chǎn)生加工誤差工藝系統(tǒng)剛度是指切削力在加工表面法的分力與、同時作用下產(chǎn)生的沿法向的變形之間的比值： 式中 ：工藝系統(tǒng)剛度，N/mm:法向切削力，N；：工藝系統(tǒng)法向變形，mm剛度的倒數(shù)稱為柔度C(mm/N) 由于力與變形一般都是在靜態(tài)條件下進(jìn)行考慮和測量的，故上述剛度、柔度分別為靜剛度和靜柔度為分析工藝系統(tǒng)各組成部分的變形規(guī)律及其特點，現(xiàn)介紹工藝系統(tǒng)各組成部分零件的剛度形狀規(guī)則、簡單的零件的剛度可用有關(guān)力學(xué)公式推算。機(jī)床部件的剛度機(jī)床部件的受力

8、變形主要影響是間隙、油膜層和薄弱零件變形。其剛度遠(yuǎn)比單個零件小，一般用實驗方法測定。圖7.15和圖7.16為實驗原理和分析圖。（圖7.13機(jī)床部件剛度的薄弱環(huán)節(jié)）圖7.14部件受力變形和各組成零件受力變形間的關(guān)系）（圖7.15車床刀架、頭尾架單向靜剛度測度）圖7.16 車床刀架靜剛度曲線工藝系統(tǒng)的剛度式中 ：機(jī)床變形量，mm ：夾具變形量，mm ：刀具變形量，mm ：工件變形量，mm而工藝系統(tǒng)各部件的剛度為：，式中 ：機(jī)床剛度，N/mm ：夾具剛度,N/mm ：刀具剛度，N/mm ：工件剛度，N/mm工藝系統(tǒng)剛度為： 即：7.2.3.2.工藝系統(tǒng)受力對加工精度的影響*切削過程中力作用位置的變化

9、對加工精度的影響(見圖7.18)圖7.18 車床受力變形的組成工藝系統(tǒng)剛度在沿工件軸向的各個位置是不同的。所以加工后工件各個橫截面上的直徑尺寸也不相同，造成加工后的形狀誤差。零件細(xì)長時，產(chǎn)生如圖7.12(a)呈鼓形的加工誤差。工件粗而短時，產(chǎn)生如圖7.12(b)呈鞍形的加工誤差。圖7.19表示內(nèi)圓磨床、臥式鏜床上加工時工藝系統(tǒng)受力變形隨受力點位置變化而變化的情況。 圖7.19工藝系統(tǒng)受力位置變化時的變形切削過程中受力大小變化對加工精度的影響圖7.20為車削有橢圓形圓度誤差的短圓柱毛坯外圓，刀尖調(diào)整到要求尺寸(圖中虛線位置)，在工件的每一轉(zhuǎn)中切深由毛坯長半徑的最大值變化到短半徑的最小值時，切削力

10、也就是由最大的變化到最小的，由可知切削力變化引起對應(yīng)的讓刀變形、。圖7.20 毛坯形狀誤差的復(fù)映 式中 ：徑向切削力系數(shù)為常數(shù)(N/mm) ：為誤差復(fù)映系數(shù)7.2.4.工藝系統(tǒng)的熱變形*7.2.4.1.機(jī)床熱變形對加工精度的影響 圖7.21(a)是車床的熱變形趨勢，圖7.21(b)萬能銑床的熱變形趨勢。 圖7.21 幾種機(jī)床的勢變形趨勢7.2.4.2.刀具的熱變形對加工精度的影響 刀具熱變形的熱源是切削熱，圖7.22，車刀的熱伸長中連續(xù)工作曲線A 7.2.4.3.工件的熱變形對加工精度的影響工件熱變形的熱源主要是切削熱。當(dāng)加工較短零件時，由于走刀行程短，可忽略軸向熱變形引起的誤差；當(dāng)車削較長零

11、件時，在沿零件軸向位置上切削時間有先后，開始切削時零件溫升為零，隨著切削的進(jìn)行零件受熱膨脹，到走刀終了時零件直徑增量最大，因此車刀的切深隨走刀而逐漸增大，零件冷卻之后會出現(xiàn)圓柱度誤差。7.2.5.工件殘余應(yīng)力引起的變形7.3.加工誤差的統(tǒng)計分析7.3.1.加工誤差的分類*加工誤差按其性質(zhì)的不同可歸納為：系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差(也稱偶然誤差)。7.3.1.1.系統(tǒng)誤差在連續(xù)加工一批零件時，加工誤差的大小和方向基本上保持不變，稱為常值系統(tǒng)誤差；如果加工誤差是按零件的加工次序作有規(guī)律變化是，則稱為變值系統(tǒng)誤差。原理誤差，機(jī)床、刀具、夾具、量具的制造誤差及調(diào)整誤差，工藝系統(tǒng)靜力變形等 原始誤差都會引起常值

12、系統(tǒng)誤差。刀具的正常磨損是隨著加工過程(或加工時間)而有規(guī)律地變化的，由此產(chǎn)生的加工誤差屬于變值系統(tǒng)誤差(工藝系統(tǒng)的熱變形，在溫升過程中，一般將引起變值系統(tǒng)誤差，在達(dá)以熱平衡后，則又引起常值系統(tǒng)誤差)。7.3.1.2.隨機(jī)誤差在連續(xù)加工一批零件中，出現(xiàn)的誤差如果大小和方向是不規(guī)則地變化著的，則稱為隨機(jī)誤差。定位誤差、夾緊誤差、工件內(nèi)應(yīng)力等因素都是變化不定的，都是引起隨機(jī)誤差的原因。7.3.2.分布曲線法*采用調(diào)整法大批量加工的一批零件中，隨機(jī)抽取足夠數(shù)量的工件(稱作樣本)，進(jìn)行加工尺寸X的測量、記錄，并作圖即實際分布曲線，如圖7.25(a)。樣表及分組數(shù)見表7.2圖7.25 分布曲線 表7.2

13、 分組數(shù)的推薦值7.3.2.1.正態(tài)分布曲線方程實踐和理論分析表明，當(dāng)用調(diào)整法加工一批總數(shù)極多的而且這些誤差因素中又都沒有任何優(yōu)勢的傾向時，其分布是服從正態(tài)分布曲線(又稱高斯曲線)的，如圖7.25(b)。正態(tài)分布曲線方程式為；式中 ：正態(tài)分布的概率密度。：正態(tài)分布曲線的均值 ：正態(tài)分布曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差(均方根偏差)有限的樣本平均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)作為理論均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計值。7.3.2.2.正態(tài)分布曲線的特性由圖7.25(b)可見，在處達(dá)到極大值；在時，曲線以軸為其漸近線，曲線成鐘形。正態(tài)分布曲線下 的面積代表了工件(樣本)的總數(shù)，即如果改變參數(shù)的值而保持值不變，則曲線沿軸平移而不改變其形狀，如圖7

14、.26(a)。反之，如果使值固定不變， 值變化時，則曲線形狀就變化了，如圖7.26(b) 圖7.26不同的特征參數(shù)下的正態(tài)分布CD代表零件的公差帶，在曲線下面C、D兩點之間的面積代表加工零件的合格率。曲線下面其余部分面積(圖上無陰影線的部分)則為廢品率(在加工外圓時，圖上左邊無陰影線部分相當(dāng)不可修復(fù)的廢品，右邊的無陰影線部分則為可修復(fù)的廢品；在加工內(nèi)孔時，則恰好相反)。我們采用表7.3的積分表(在實際應(yīng)用時表中的可用代替)來求合格率等。從表中可以查出時，即工件尺寸在以外的頻率只占，可以忽略不計。因此，一般都取正態(tài)分布曲線的分散范圍為。 表7.3正態(tài)分布曲線下的面積函數(shù)(或)在研究加工誤差時是一

15、個很重要的概念。的大小代表了某一種加工方法在規(guī)定的條件下所達(dá)到的加工精度，即工藝能力。工藝能力系數(shù)*來衡量工藝能力： 將工藝分五級：為特級，說明工藝能力過高，不一定經(jīng)濟(jì)；為一級，說明工藝能力足夠，可以允許一定的波動； 為二級，說明工藝能力勉強(qiáng)，必須密切注意；為三級，說明工藝能力不足，可能出少量不合格；為四級，說明工藝能力不行，必須加以改進(jìn)?！纠}7.1】檢查一批在臥式鏜床上精鏜后的活塞銷孔直徑。圖紙規(guī)定尺寸與公差為，抽直查件數(shù)，分組數(shù)。測量尺寸、分組間隔、頻率見表7.4。求實際分布曲線圖、工藝能力及合格率，分析出現(xiàn)廢品的原因并提出改進(jìn)意見。 圖7.29 活塞銷孔直徑尺寸實際分布圖 表7.4 活

16、塞銷孔直徑測量結(jié)果解：以組中值代替組內(nèi)零際值，繪制圖7.29為實際分布曲線。分散范圍=最大孔徑-最大孔徑=28.04-27.992=0.012mm；樣本平均值(又稱尺寸分散范圍中心即平均孔徑) 公差范圍中心：常值系統(tǒng)誤差： 樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差： 工藝能力系數(shù)：，二級工藝能力廢品率：由；查表7.3可得；實測結(jié)果分析：部分工件的尺寸超出了公差范圍，有17.47%廢品(實際分布曲線圖中陰影部分)。但這批工件的分散范圍0.012mm比公差帶0.015mm ，也就是說實際加工能力比圖紙要求的要高：，即。只是由于有的存在而產(chǎn)生廢品。如果能夠設(shè)法將分散中心調(diào)整到公差范圍中心，工件就完全合格。具體的調(diào)整方法是將鏜刀

17、的伸出量調(diào)整短些，以減少鏜刀受力變形產(chǎn)生的加工誤差。7.3.3.點圖法(簡介)分布曲線法不能反映出零件加工的先后順序，因此不能把變值系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差區(qū)分出來；而且分布曲線只有在一批零件加工完后才能繪出來，因此不能在加工進(jìn)行過程中為控制工藝過程提供資料，以便隨機(jī)調(diào)整機(jī)床保證加工精度。采用點圖法可以彌補(bǔ)上述缺點。點圖法的要點：以零件加工的先后順序作出尺寸的變化圖，揭示整個加工過程誤差變化的全貌。以加工零件順序號為橫坐標(biāo)，零件加工后測量所得的尺寸為縱坐標(biāo)，畫成點圖(如圖7.30所示)。點位圖可以在加工過程中用來估計工件尺寸的變化趨勢，并決定機(jī)床重新調(diào)整的時間(圖7.30例中50號工件時) 圖7.3

18、0 自動車床加工的點圖7.4.提高加工精度的途徑7.4.1.減少誤差法減少誤差法是生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的提高加工精度的一種基本方法，是在查明產(chǎn)生加工誤差的主要因素之后，設(shè)法對其直接進(jìn)行削除或減弱(例如細(xì)長軸的車削，如圖7.32(a)利用中心架，圖7.32(b)采用跟刀架也可提高工件的剛度。圖7.32c在卡盤加工中用了后頂尖支承。采用圖7.33(b)裝夾法，整個工藝系統(tǒng)風(fēng)度顯然比圖7.33(a)的裝夾法要高許多)圖7.32 用輔助支承提高工件剛度 圖7.33 銑角鐵時的兩種裝夾法7.4.2.誤差補(bǔ)償法誤差補(bǔ)償法是人為造出一種新的誤差，去抵消工藝系統(tǒng)中原有的原始誤差?；蛴靡环N原始誤差去抵消另一種原始誤差

19、(圖7.34為受機(jī)床部件和工件自重影響，龍門刨床橫梁導(dǎo)軌彎曲變形引起的加工誤差。采用誤差補(bǔ)償法，在橫梁導(dǎo)軌制造時故意使導(dǎo)軌面產(chǎn)生向上的幾何形狀誤差。)圖7.34 龍門刨床橫梁導(dǎo)軌變形7.4.3.誤差分組法毛坯誤差對工序的影響主要有兩種情況：一是誤差復(fù)映，引起本工序誤差的擴(kuò)大；二是定位誤差變化，引起本工序位置誤差擴(kuò)大。把毛坯按誤差的大小分為n組，每組毛坯的誤差范圍就縮小為原來的1/n.然后按各組分別調(diào)整加工，使各組工件的分散中收基本上一致，整批工件尺寸的分散范圍就小很多。例如，某廠加工齒輪，產(chǎn)生了剃齒時心軸與工件定位孔的配合間隙問題。配合間隙大了，剃后的工件產(chǎn)生較大的幾何偏心，反映在齒圈徑向跳動

20、超差。同時剃齒時也容易產(chǎn)生振動，引起齒面波度，使齒輪工作時噪聲較大。因此，必須設(shè)法限制配合間隙，保證工件孔和心軸間的同軸度要求。由于工件的孔已是IT6級精度，不宜提高。為此，夾具采用了多檔尺寸的心軸，對工件孔進(jìn)行分組選配，減少由于間隙而產(chǎn)生的定位誤差，從而提高了加工精度。其具體分組情況如表7.6表7.6 分組情況7.4.4.誤差轉(zhuǎn)移法誤差轉(zhuǎn)移法實質(zhì)上是轉(zhuǎn)移工藝系統(tǒng)的幾何誤差、受力變形和熱變形等(以“粗干精”的方法在箱體孔系加工時經(jīng)常采用，當(dāng)鏜床主軸線與導(dǎo)軌有平行度誤差時，鏜桿與主軸之間采用浮動聯(lián)接，鏜桿的位置精度由鏜夾具的前后支承確定，機(jī)床主軸的原始誤差就轉(zhuǎn)移掉了，它不再影響加工精度。圖7.35表示在大型龍門銑床的結(jié)構(gòu)中采用轉(zhuǎn)移變形的例子：在橫梁上再安裝一根附加的梁，使它承擔(dān)銑頭的重量，這樣一來就將橫梁承受的重量轉(zhuǎn)移到附加的梁上)圖7.35 橫梁變形的轉(zhuǎn)移7.4.5.“就地加工”法 例如，加工六角車床制造中，轉(zhuǎn)塔六個安裝刀架的大孔及端面(