新版機(jī)械制造工藝課件ch4機(jī)械加工精度控制

第4章機(jī)械加工精度控制4.1影響機(jī)械加工精度的因素4.2工藝系統(tǒng)的幾何誤差及磨損4.3工藝系統(tǒng)受力變形4.4工藝系統(tǒng)熱變形4.5其他影響加工精度的因素及其改進(jìn)措施4.6加工誤差的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析4.7控制加工精度的途徑第4章機(jī)械加工精度控制4.1影響機(jī)械加工精度的因素14.1影響機(jī)械加工精度的因素加工精度是零件機(jī)械加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接影響整臺(tái)機(jī)器的工作性能和使用壽命。深入研究影響加工精度的各種因素及其規(guī)律，探究提高和保證加工誤差的措施和方法是機(jī)械制造工藝學(xué)研究的重要內(nèi)容。4.1影響機(jī)械加工精度的因素加工精度是零件機(jī)械加工質(zhì)量的重要21.影響機(jī)械加工精度的因素研究提高加工精度的工藝措施要從減少加工誤差入手。加工誤差是指零件加工的實(shí)際幾何參數(shù)相對(duì)理想幾何參數(shù)的偏離程度。按照幾何參數(shù)類型可將加工誤差分類為尺寸加工誤差、形狀加工誤差和位置加工誤差。尺寸加工誤差、形狀加工誤差和位置加工誤差分別是加工零件的實(shí)際尺寸、形狀和位置相對(duì)理想的尺寸、形狀和位置的偏差。在機(jī)械加工中，零件的尺寸、幾何形狀和表面間相對(duì)位置的形成，取決于工件和刀具在切削過(guò)程中的相互位置關(guān)系，而工件安裝在夾具上，夾具和刀具安裝于機(jī)床之上，機(jī)床、夾具、刀具和工件組成工藝系統(tǒng)。直接或間接影響機(jī)械加工工藝系統(tǒng)的因素都將影響機(jī)械加工精度。

1.影響機(jī)械加工精度的因素3將工藝系統(tǒng)中能夠直接引起加工誤差的因素統(tǒng)稱為原始誤差。原始誤差中的一部分與工藝系統(tǒng)的初始狀態(tài)有關(guān)，即零件未加工之前工藝系統(tǒng)本身就具有的某些誤差因素，稱為與工藝系統(tǒng)的初始狀態(tài)有關(guān)的原始誤差，或稱幾何誤差。而另一部分原始誤差與加工過(guò)程有關(guān)，即受到力、熱、磨損等原因的影響，工藝系統(tǒng)原有精度受到破壞而產(chǎn)生的附加誤差因素，稱為與加工過(guò)程有關(guān)的原始誤差，或動(dòng)誤差。機(jī)械加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的原始誤差如圖4.1所示。

將工藝系統(tǒng)中能夠直接引起加工誤差的因素統(tǒng)稱為原始誤差。4新版機(jī)械制造工藝課件ch4機(jī)械加工精度控制5原始誤差產(chǎn)生加工誤差的根源工藝系統(tǒng)靜誤差主軸回轉(zhuǎn)誤差導(dǎo)軌誤差傳動(dòng)鏈誤差一般刀具定尺寸刀具成形刀具展成法刀具試切法調(diào)整法外力作用點(diǎn)變化外力方向變化外力大小變化機(jī)床幾何誤差工藝系統(tǒng)幾何誤差原理誤差調(diào)整誤差測(cè)量誤差定位誤差工藝系統(tǒng)動(dòng)誤差工藝系統(tǒng)力變形工藝系統(tǒng)熱變形工藝系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)力變形刀具幾何誤差?yuàn)A具幾何誤差機(jī)床熱變形工件熱變形刀具熱變形原始誤差產(chǎn)生加工誤差的根源工藝系統(tǒng)靜誤差主軸回轉(zhuǎn)誤差一般刀具6dΔRR+ΔRRΔYoDΔRΔZ原始誤差與加工誤差的關(guān)系(以車削為例)切向誤差徑向誤差dΔRR+ΔRRΔYoDΔRΔZ原始誤差與加工誤差的關(guān)系(72.加工誤差及誤差敏感方向以圖4.2車削外圓為例，工件的回轉(zhuǎn)中心為O，刀尖的理想位置在A處，工件理想半徑R0＝OA。假設(shè)各種原始誤差的綜合影響使刀尖的位置偏離到，實(shí)際加工工件半徑R＝OA‘。AA’即為原始誤差δ，它與OA間的夾角為Φ。因而工件半徑上(即工序尺寸方向上)的加工誤差△R為2.加工誤差及誤差敏感方向8分析可知，當(dāng)原始誤差的方向?yàn)榧庸け砻娴姆ㄏ蚍较驎r(shí)，即＝0°，引起的加工誤差最大.。當(dāng)原始誤差的方向?yàn)榧庸け砻娴那芯€方向時(shí)，即＝90°，引起的加工誤差最小，通常可以忽略。原始誤差對(duì)加工精度影響最大的方向稱為誤差的敏感方向，而原始誤差對(duì)加工精度影響最小的方向稱為誤差的不敏感方向。一般加工表面的法線方向?yàn)檎`差敏感方向，而加工表面的切線方向?yàn)檎`差非敏感方向。通常在研究工藝系統(tǒng)的加工精度時(shí)，主要研究誤差敏感方向的精度。

原始誤差方向與工序尺寸方向相正交時(shí)，原始誤差對(duì)加工方向的精度幾乎沒(méi)有影響。分析可知，當(dāng)原始誤差的方向?yàn)榧庸け砻娴姆ㄏ蚍较驎r(shí)，即＝0°，9加工中引起機(jī)床誤差的原因主要有機(jī)床的制造誤差、安裝誤差及其磨損等三個(gè)方面。這里著重分析對(duì)工件加工精度影響較大的主軸回轉(zhuǎn)誤差、導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差和傳動(dòng)鏈誤差。4.2工藝系統(tǒng)的幾何誤差及磨損4.2.1機(jī)床誤差加工中引起機(jī)床誤差的原因主要有機(jī)床的制造誤差、安裝誤差及其磨101．機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差1)主軸回轉(zhuǎn)誤差的概念機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)時(shí)，在主軸的任一截面上速度始終為零的點(diǎn)為理想回轉(zhuǎn)中心。理想的回轉(zhuǎn)中心在空間相對(duì)刀具或工件的位置是固定不變的。主軸各截面回轉(zhuǎn)中心的連線稱為回轉(zhuǎn)軸線。主軸回轉(zhuǎn)誤差是指主軸實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于理想回轉(zhuǎn)軸線的最大變動(dòng)量。顯然變動(dòng)量越小，即主軸回轉(zhuǎn)誤差越小，主軸回轉(zhuǎn)精度越高；反之越低。主軸理想的回轉(zhuǎn)軸線是一條在空間位置不變的回轉(zhuǎn)軸線。主軸理想的回轉(zhuǎn)軸線是客觀存在的，但現(xiàn)實(shí)中難以確定其位置，通常以主軸各瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線的平均位置作為主軸軸線，也稱為平均軸線。

1．機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差112)主軸回轉(zhuǎn)誤差的表現(xiàn)形式為便于分析和研究，主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差可以分解為三種基本形式：軸向跳動(dòng)、徑向跳動(dòng)、角度擺動(dòng)。軸向跳動(dòng)：瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線沿平均回轉(zhuǎn)軸線方向的軸向運(yùn)動(dòng)，如圖4.3(a)所示。主軸的軸向跳動(dòng)對(duì)工件的圓柱面加工沒(méi)有影響，主要影響端面形狀、軸向尺寸精度端面垂直度。主軸存在軸向跳動(dòng)誤差時(shí)，車削加工螺紋會(huì)將使加工后的螺旋產(chǎn)生螺距誤差。徑向跳動(dòng)：瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線始終平行于平均回轉(zhuǎn)軸線方向的徑向運(yùn)動(dòng)，如圖4.3(b)所示。主軸的純徑向跳動(dòng)會(huì)使工件產(chǎn)生圓柱度誤差，對(duì)加工端面基本沒(méi)有影響。但加工方法不同，所引起的加工誤差形式和程度也不同。

2)主軸回轉(zhuǎn)誤差的表現(xiàn)形式12純角度擺動(dòng)：瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線與平均回轉(zhuǎn)軸線方向成一傾斜角度，但其交點(diǎn)位置固定不變的運(yùn)動(dòng)，如圖4.3(c)所示。主軸的角度擺動(dòng)不僅影響工件加工表面的圓柱度誤差，而且影響工件端面誤差。實(shí)際上，主軸回轉(zhuǎn)誤差是三種基本形式誤差綜合作用的結(jié)果，見(jiàn)圖4.3(d)。

純角度擺動(dòng)：瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線與平均回轉(zhuǎn)軸線方向成一傾斜角度，但其133)影響主軸回轉(zhuǎn)精度的主要因素可以產(chǎn)生主軸回轉(zhuǎn)誤差因素較多，主要來(lái)自于零件加工和整機(jī)裝配。因主軸結(jié)構(gòu)不同，因素也不同，主軸回轉(zhuǎn)誤差亦不同，往往需要具體問(wèn)題具體分析。這里主要探討主軸徑向誤差的影響。為了討論問(wèn)題方便將主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化處理，將其處理成軸孔與軸頸配合的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。

車床、外圓磨床等工件回轉(zhuǎn)類機(jī)床切削加工過(guò)程中，切削力的方向相對(duì)機(jī)床床身大致不變，相對(duì)主軸孔大致不變，所以主軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中主軸軸頸的圓周不同部位都將有機(jī)會(huì)與主軸孔的某一固定部位相接觸。這種情況使得主軸頸的圓度誤差對(duì)加工誤差影響較大，而主軸孔的圓度誤差影響較小。如圖4.4(a)所示，假如主軸孔為理想軸孔，主軸頸為橢圓形時(shí)，主軸徑向跳動(dòng)誤差為Δ。3)影響主軸回轉(zhuǎn)精度的主要因素車床、外圓磨床等工件回轉(zhuǎn)類機(jī)14鏜床等刀具回轉(zhuǎn)類機(jī)床切削加工過(guò)程中，切削力的方向相對(duì)主軸（鏜刀桿）大致不變，所以主軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中主軸軸頸的的某一固定部位將始終與主軸孔圓周不同部位相接觸。這種情況使得主軸孔的圓度誤差對(duì)加工誤差影響較大，而主軸頸的圓度誤差影響較小，如圖4.4(b)所示,主軸徑向跳動(dòng)誤差為Δ。4)提高主軸回轉(zhuǎn)精度的措施(1)提高主軸部件的制造精度和裝配精度。(2)當(dāng)主軸采用滾動(dòng)軸承時(shí)，應(yīng)對(duì)其適當(dāng)預(yù)緊，使消除軸承間隙，增加軸承剛度，均化誤差，可提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。(3)采用運(yùn)動(dòng)和定位分離的主軸結(jié)構(gòu)，可減小主軸誤差對(duì)零件加工的影響，使主軸的回轉(zhuǎn)精度不反映到工件上去。實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用兩個(gè)固定頂尖支承定位加工，主軸只起傳動(dòng)作用，如外圓磨床。

鏜床等刀具回轉(zhuǎn)類機(jī)床切削加工過(guò)程中，切削力的方向相對(duì)主軸（鏜152．導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差導(dǎo)軌是機(jī)床實(shí)現(xiàn)成形運(yùn)動(dòng)法加工的基準(zhǔn)。導(dǎo)軌誤差直接影響加工精度。導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差是指機(jī)床導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)件實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向與理想運(yùn)動(dòng)方向的偏差值。在機(jī)床的精度標(biāo)準(zhǔn)中，直線導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度一般包括導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度、導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度、前后導(dǎo)軌的平行度(即扭曲度)等。2．導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差161)導(dǎo)軌在水平面內(nèi)直線度誤差的影響臥式車床在水平面內(nèi)存在直線度誤差ΔY，見(jiàn)圖4.5(a)，則車刀尖的直線運(yùn)動(dòng)軌跡也要產(chǎn)生直線度誤差ΔY，從而造成工件圓柱度誤差，ΔR=ΔY，如圖4.5(b)所示。這表明水平方向是臥式車床加工誤差對(duì)導(dǎo)軌誤差的敏感方向。1)導(dǎo)軌在水平面內(nèi)直線度誤差的影響17外圓磨床情況與臥式車床類似。而平面磨床、龍門刨床的加工誤差對(duì)導(dǎo)軌誤差的敏感方向在鉛錘方向上，故平面磨床、龍門刨床、銑床等設(shè)備加工誤差對(duì)導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差不敏感。外圓磨床情況與臥式車床類似。182)導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)直線度誤差的影響臥式車床在垂直面內(nèi)存在直線度誤差ΔZ，見(jiàn)圖a，則車刀尖的直線運(yùn)動(dòng)軌跡也要產(chǎn)生直線度誤差ΔZ，從而造成工件圓柱度誤差，ΔR=ΔZ2/(2R)=ΔZ2/d,見(jiàn)圖b說(shuō)明臥式車床對(duì)導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)直線度誤差不敏感。2)導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)直線度誤差的影響19外圓磨床情況與臥式車床類似。由于平面磨床、龍門刨床的加工誤差對(duì)導(dǎo)軌誤差的敏感方向在鉛錘方向上，所以平面磨床、龍門刨床、銑床等設(shè)備的導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差將直接反映被加工件的表面，造成加工誤差。外圓磨床情況與臥式車床類似。203)導(dǎo)軌面間平行度誤差的影響臥式車床兩導(dǎo)軌間存在平行度誤差時(shí)，將使床鞍產(chǎn)生橫向傾斜，引起刀架和工件的相對(duì)位置發(fā)生偏斜，刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條空間曲線，從而引起工件產(chǎn)生形狀誤差。根據(jù)圖4.7幾何關(guān)系，可知因?qū)к壠叫卸日`差所引起的工件半徑的加工誤差ΔR=HΔ/B一般車床H/B約為2/3，外圓磨床H/B約為1，因此導(dǎo)軌間的平行度誤差對(duì)加工精度影響很大。3)導(dǎo)軌面間平行度誤差的影響21

若車床導(dǎo)軌與主軸回轉(zhuǎn)軸線在水平面內(nèi)有平行度誤差，車出的內(nèi)外圓柱面就產(chǎn)生錐度；若在垂直面內(nèi)有平行度誤差，則圓柱面成雙曲線回轉(zhuǎn)體,因是誤差非敏感方向故可略。

若車床導(dǎo)軌與主軸回轉(zhuǎn)軸線在水平面內(nèi)有平行度誤差，車出224)導(dǎo)軌誤差產(chǎn)生的原因?qū)к壵`差主要來(lái)自于機(jī)床安裝、機(jī)床制造、機(jī)床變形(在重力作用下），以及機(jī)床使用中的磨損。機(jī)床的安裝(包括安裝地基和安裝方法)對(duì)導(dǎo)軌的原有精度影響非常大，一般遠(yuǎn)大于導(dǎo)軌的制造誤差。特別是龍門刨床、龍門銑床和導(dǎo)軌磨床等，其床身導(dǎo)軌的剛性較差，在自重的作用下容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致工件產(chǎn)生加工誤差。此外，導(dǎo)軌的不均勻磨損也是造成導(dǎo)軌誤差的重要因素。4)導(dǎo)軌誤差產(chǎn)生的原因233．機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差1)機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差含義機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差是指機(jī)床內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)傳動(dòng)鏈?zhǔn)啄﹥啥藗鲃?dòng)元件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的誤差。傳動(dòng)鏈誤差一般不影響圓柱面和平面的加工精度，但對(duì)齒輪、蝸輪蝸桿、螺紋和絲桿等加工有較大影響。3．機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差24例如車削單頭螺紋時(shí)，見(jiàn)圖4.8，要求工件旋轉(zhuǎn)一周，相應(yīng)刀具移動(dòng)一個(gè)螺距S，這種運(yùn)動(dòng)關(guān)系是由刀具與工件間的傳動(dòng)鏈來(lái)保證的，即通過(guò)保持總傳動(dòng)比恒定實(shí)現(xiàn)。總傳動(dòng)比反映了誤差傳遞的程度，故也稱為誤差傳遞系數(shù)。

例如車削單頭螺紋時(shí)，見(jiàn)圖4.8，要求工件旋轉(zhuǎn)一周，相應(yīng)刀具移252)傳動(dòng)鏈誤差產(chǎn)生的原因(1)傳動(dòng)鏈元件數(shù)量影響傳動(dòng)誤差大小。每增加一個(gè)傳動(dòng)元件，必然會(huì)帶來(lái)一部分傳動(dòng)誤差。(2)傳動(dòng)副的加工和裝配精度影響傳動(dòng)誤差。特別是保證末端傳動(dòng)件的精度，并盡量減小傳動(dòng)鏈中的齒輪副或螺旋副中存在的間隙，避免傳動(dòng)速比的不穩(wěn)定和不均勻；(3)采用減速傳動(dòng)鏈有助于減小傳動(dòng)誤差。按降速比遞增的原則分配各傳動(dòng)副的傳動(dòng)比。傳動(dòng)鏈末端傳動(dòng)副的減速比越大，則傳動(dòng)鏈中其余各傳動(dòng)元件的誤差影響越小，從而減小末端傳動(dòng)元件轉(zhuǎn)角誤差的影響。為此，可增加蝸輪的齒數(shù)或加大母絲桿的螺距，這都有利于減小傳動(dòng)鏈誤差。2)傳動(dòng)鏈誤差產(chǎn)生的原因264.2.2夾具制造誤差及磨損夾具主要用于在機(jī)床上安裝工件時(shí)，使工件相對(duì)于切削工具占有正確的相對(duì)位置。如果夾具存在誤差，工件與切削刀具間的正確位置關(guān)系將可能受到破壞，從而可能影響機(jī)械加工精度。夾具誤差主要來(lái)源于夾具的定位元件、導(dǎo)向元件、夾具體等的加工與裝配誤差，還包括使用過(guò)程中發(fā)生的工作表面磨損。為減小因夾具制造精度而引起的加工誤差，在設(shè)計(jì)夾具時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制與工件加工精度有關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸和要求。精加工用夾具的有關(guān)尺寸公差一般取工件公差的1/2~l/5，粗加工用夾具一般取工件公差的1/5~l/10。而對(duì)于容易磨損的元件，如定位元件與導(dǎo)向元件等，均應(yīng)采用較為耐磨的材料進(jìn)行制造，且便于磨損后更換。4.2.2夾具制造誤差及磨損274.2.3刀具制造誤差及磨損刀具的種類不同，對(duì)加工精度的影響也不同。(1)定尺寸刀具(如鉆頭、鉸刀、拉刀、槽銑刀等)的尺寸精度將直接影響工件的尺寸精度。(2)成形刀具(如成形車刀、成形銑刀、成形砂輪等)的切削刃形狀精度將直接影響加工表面形狀精度。(3)展成加工(如齒輪加工、花鍵加工等)時(shí)，刀具切削刃形狀精度和有關(guān)尺寸精度都會(huì)影響加工精度。(4)一般刀具(如普通車刀、單刃鏜刀和平面銑刀等)的制造誤差對(duì)加工精度沒(méi)有直接影響。在切削過(guò)程中，刀具不可避免地要產(chǎn)生磨損，使原有的尺寸和形狀發(fā)生變化，從而引起加工誤差。在精加工以及大型工件加工時(shí)，刀具磨損對(duì)加工精度可能會(huì)有較大的影響。刀具磨損磨損往往是影響工序加工精度穩(wěn)定性的重要因素。

4.2.3刀具制造誤差及磨損284.3工藝系統(tǒng)的受力變形在機(jī)械加工過(guò)程中，工藝系統(tǒng)受到切削力、夾緊力、慣性力和重力等作用，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形和振動(dòng)，使得工件和刀具之間已調(diào)整好的正確的相對(duì)位置發(fā)生變動(dòng)，從而造成工件的尺寸、形狀和位置等方面的加工誤差。工藝系統(tǒng)的受力變形亦會(huì)影響加工表面質(zhì)量，甚至導(dǎo)致工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，而且在某種程度上還可能制約生產(chǎn)率的提高。4.3工藝系統(tǒng)的受力變形在機(jī)械加工過(guò)程中，工藝系統(tǒng)受到切削29新版機(jī)械制造工藝課件ch4機(jī)械加工精度控制301.工藝系統(tǒng)剛度的概念從材料力學(xué)可知，任何一個(gè)物體在外力作用下，總要產(chǎn)生一定的變形。作用力(單位N)與力作用下產(chǎn)生的相應(yīng)變形(單位mm)的比值稱為物體的剛度，用表示(單位N/mm)，即

工藝系統(tǒng)各部分在切削力作用下，將在各個(gè)受力方向產(chǎn)生相應(yīng)變形。為了切實(shí)反映工藝系統(tǒng)剛度對(duì)零件加工精度的實(shí)際影響，將法向切削分力與在總切削力作用下工藝系統(tǒng)在該方向所產(chǎn)生的變形的法向位移量之比定義為工藝系統(tǒng)剛度，即4.3.1工藝系統(tǒng)剛度1.工藝系統(tǒng)剛度的概念4.3.1工藝系統(tǒng)剛度31在實(shí)際加工中，法向切削分力與法向位移有可能方向相反，計(jì)算剛度為負(fù)值，即出現(xiàn)負(fù)剛度現(xiàn)象。如圖4.9所示，在車床上加工工件外圓時(shí)，車刀在切削力F作用下將主要產(chǎn)生變形，使車刀尖在水平方向產(chǎn)生位移，位移yy方向與切削力水平Fy方向分力方向相反，故工藝系統(tǒng)剛度為負(fù)值。負(fù)剛度現(xiàn)象對(duì)加工質(zhì)量是不利的，應(yīng)盡量避免。在實(shí)際加工中，法向切削分力與法向位移有可能方向相反，計(jì)算剛度322．工藝系統(tǒng)剛度的計(jì)算工藝系統(tǒng)在某一處的法向總變形是各個(gè)組成部分在同一處的法向變形量的迭加yxt=yjc+yjj+yd+ygyxt

法向總變形，mm；yjc

機(jī)床的受力變形，mm；yjj

夾具的受力變形，mm；yd

刀具的受力變形，mm；yg

工件的受力變形，mm；根據(jù)工藝系統(tǒng)剛度定義，機(jī)床剛度、夾具剛度、刀具剛度及工件剛度可分別寫為2．工藝系統(tǒng)剛度的計(jì)算33工藝系統(tǒng)剛度的計(jì)算公式如下：薄弱環(huán)節(jié)剛度是主導(dǎo)系統(tǒng)剛度的，而剛度很大環(huán)節(jié)的影響可以忽略，所以計(jì)算工藝系統(tǒng)剛度時(shí)應(yīng)把握主導(dǎo)因素，從而對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化。例如外圓車削時(shí)，車刀本身在切削力作用下的變形對(duì)加工誤差的影響很小，可略去不計(jì)；再如鏜孔時(shí)，工件(如箱體零件)的剛度一般較大，其受力變形很小，也可忽略不計(jì)。因?yàn)檎麄€(gè)工藝系統(tǒng)的剛度取決于薄弱環(huán)節(jié)的剛度，故而通常采用單向載荷測(cè)定法尋找工藝系統(tǒng)中剛度薄弱的環(huán)節(jié)，而后采取相應(yīng)措施提高薄弱環(huán)節(jié)的剛度，即可明顯提高整個(gè)工藝系統(tǒng)的剛度。工藝系統(tǒng)剛度的計(jì)算公式如下：343.影響工藝系統(tǒng)剛度的因素

影響工藝系統(tǒng)剛度的因素主要有以下幾個(gè)方面。(1)連接表面間的接觸變形連接零件間接合面的實(shí)際接觸面積只是名義接觸面積的一部分，如圖4.10所示。在外力作用下，這些接觸處將產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，因而就有較大的接觸變形產(chǎn)生，甚至可能產(chǎn)生局部塑性變形。變形與接觸壓強(qiáng)關(guān)系如圖4.11所示。實(shí)際上，連接表面的接觸剛度除與法向載荷大小有關(guān)外，還與接觸表面材料、硬度、表面租糙度、表面紋理方向，以及表面幾何形狀誤差等因素有關(guān)。(2)部件中薄弱零件本身的變形如果部件中存在某些剛度很低的薄弱零件，受力后這些低剛度零件將會(huì)產(chǎn)生很大的變形，從而使整個(gè)部件的剛度降低。3.影響工藝系統(tǒng)剛度的因素實(shí)際上，連接表面的接觸剛度除與354.工藝系統(tǒng)剛度的測(cè)定實(shí)際中，通常采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定工藝系統(tǒng)的總剛度。單向靜載測(cè)定法是一種靜剛度測(cè)試方法。這種方法是在機(jī)床靜止?fàn)顟B(tài)下，對(duì)機(jī)床施加靜載荷以模擬切削過(guò)程中的受力情況，根據(jù)機(jī)床各部件在不同靜載荷下的變形作出剛度特性曲線，從而確定各部件的剛度。4.工藝系統(tǒng)剛度的測(cè)定36單向靜載測(cè)定車床靜剛度的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)右圖。在車床上采用雙頂尖定位安裝大剛度短軸，螺旋加力器安裝在刀架上，短軸和螺旋加力器之間裝有測(cè)力環(huán)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋加力器的螺釘，刀架與短軸之間便產(chǎn)生相互作用力，力的數(shù)值可由測(cè)力環(huán)中的千分表3讀出，而主軸箱、尾座和刀架的受力變形可分別從相應(yīng)的千分表1、2和4讀出。調(diào)整螺旋加力器的加載力作用點(diǎn)和大小可以模擬切削加工時(shí)工藝系統(tǒng)靜態(tài)受力的情況，通過(guò)連續(xù)的加載和卸載可獲得車床靜剛度的實(shí)測(cè)曲線。

單向靜載測(cè)定車床靜剛度的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)右圖。37圖4.13為車床刀架部件的三次加載—卸載循環(huán)的實(shí)驗(yàn)曲線，由圖可以看出機(jī)床部件剛度曲線有以下特點(diǎn)。(1)受力變形與作用力不呈線性關(guān)系，反映刀架變形不純粹是彈性變形；(2)加載曲線與卸載曲線不重合，卸載曲線滯后于加載曲線。兩曲線間的包絡(luò)面積代表了加載—卸載循環(huán)中所損耗的能量，這部分能量主要用以克服部件內(nèi)零件間的摩擦和接觸塑性變形所作的功；(3)卸載曲線不會(huì)到原點(diǎn)，這說(shuō)明有殘余變形存在。經(jīng)反復(fù)加載、卸載后，殘余變形逐漸減小并接近于零，加載曲線與卸載曲線封閉；(4)機(jī)床部件的實(shí)際剛度遠(yuǎn)比按實(shí)體估算的要小。這種靜載測(cè)定法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，但很難模擬實(shí)際切削加工時(shí)的切削力，與機(jī)床加工時(shí)的受力狀況出入較大，故一般只用于定性比較機(jī)床部件的剛度。

圖4.13為車床刀架部件的三次加載—卸載循環(huán)的實(shí)驗(yàn)曲線，由384.3.2工藝系統(tǒng)受力變形對(duì)加工精度的影響機(jī)械加工過(guò)程中，工藝系統(tǒng)的受力變形將造成工件加工誤差。例如，圖a在車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)腰鼓形誤差；加工直徑和長(zhǎng)度尺寸都很大的內(nèi)孔如圖b所示，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)錐度。工藝系統(tǒng)的機(jī)床、夾具、刀具及工件等受力后都會(huì)產(chǎn)生變形，下面將逐一分析這些環(huán)節(jié)的受力變形對(duì)加工精度的影響。4.3.2工藝系統(tǒng)受力變形對(duì)加工精度的影響機(jī)械加工過(guò)程中，工391.切削力作用點(diǎn)位置變化引起的工件形狀誤差在切削過(guò)程中，工藝系統(tǒng)的剛度隨切削力的作用點(diǎn)位置不同而變化，因而工藝系統(tǒng)的受力變形也是變化的，使得加工后獲得的工件表面存在形變誤差。1）機(jī)床變形各種不同的機(jī)床，其剛度對(duì)加工精度影響不同。以車床頂尖間加工光軸為例，假定工件短而粗，即工件的剛度很大，其受力變形可忽略不計(jì)，因而工藝系統(tǒng)的總變形取決于主軸箱、尾座(包括頂尖)和刀架的變形，如圖4.15(a)。車刀在切削工件的不同部位時(shí)，切削力對(duì)機(jī)床有關(guān)部件施加載荷大小不同，所以主軸箱和尾座等部分受力變形不同。車刀在切削工件左端時(shí)，切削力集中作用在主軸箱上，使它變形最大；而切削工件右端時(shí)，切削力集中作用在尾座上，尾座的變形最大，刀架也有一定變形。1.切削力作用點(diǎn)位置變化引起的工件形狀誤差以車床頂尖間加工40設(shè)工件長(zhǎng)度為L(zhǎng)，當(dāng)加工中車刀進(jìn)給到圖示位置x時(shí)，即車刀至主軸箱的距離為x，在切削分力作用下，主軸箱受作用力FA，相應(yīng)變形量為yzx；尾座受力FB，相應(yīng)變形量為ywz；刀架受力Fy，相應(yīng)變形量為ydj。工件軸線位移到A’B’，刀具切削點(diǎn)在工件軸線的位移yx為考慮刀架變形ydj與yx方向相反，所以機(jī)床變形量yjc為已知主軸箱剛度Kzx、尾座剛度Kwz及刀架剛度Kdj，根據(jù)剛度定義可知各部分的變形量設(shè)工件長(zhǎng)度為L(zhǎng)，當(dāng)加工中車刀進(jìn)給到圖示位置x時(shí)，即車刀至主軸41說(shuō)明隨著切削力作用點(diǎn)位置的變化，工藝系統(tǒng)的變形是變化的，由此引起的加工誤差也隨之變化，從而使得加工出來(lái)的工件表面產(chǎn)生形變誤差。Kzx=6×107N/m，Kdj=4×107N/m，Kwz=300N，兩頂尖距離=600mm，則沿工件長(zhǎng)度方向上的受力變形曲線如圖4.15(b)所示。車床剛度沿光軸的長(zhǎng)度方向是變化的，加工所得的工件母線呈拋物線狀，因而工件形狀就成為兩端粗、中間細(xì)的旋轉(zhuǎn)拋物體形。

說(shuō)明隨著切削力作用點(diǎn)位置的變化，工藝系統(tǒng)的變形是變化的，由此422）工件的變形工件的變形對(duì)加工精度的影響需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。當(dāng)工件、刀具形狀比較簡(jiǎn)單時(shí)，其剛度可按材料力學(xué)中的有關(guān)公式進(jìn)行估算。以車床上頂尖間加工長(zhǎng)軸為例，工件剛度很低時(shí)，機(jī)床、夾具和刀具的受力變形可略去不計(jì)，工藝系統(tǒng)的變形完全取決于工件的變形量大小。當(dāng)加工中車刀進(jìn)給到圖4.16(a)所示x位置時(shí)，工件的軸線將在切削力作用下產(chǎn)生彎曲。根據(jù)材料力學(xué)中的撓度計(jì)算公式，可求得工件在此切削點(diǎn)的變形量yg2）工件的變形以車床上頂尖間加工長(zhǎng)軸為例，工件剛度很低時(shí)，機(jī)43若Fy=300N，工件尺寸?30mm×600mm，E=2×105N/mm3，則沿工件長(zhǎng)度方向上的受力變形曲線如圖4.16(b)所示。

若Fy=300N，443）工藝系統(tǒng)的總變形若同時(shí)考慮機(jī)床變形和工件變形，將上述兩種情況下的變形量進(jìn)行疊加，則在切削點(diǎn)處刀具相對(duì)于工件的位移量為

此時(shí)工藝系統(tǒng)的剛度為

這說(shuō)明工藝系統(tǒng)的剛度也是隨受力點(diǎn)位置變化而變化的。3）工藝系統(tǒng)的總變形452.切削力大小變化引起的加工誤差切削加工過(guò)程中，工藝系統(tǒng)在切削力作用下產(chǎn)生的變形大小取決于切削力，但在加工余量不均勻、材料硬度不均勻或機(jī)床、夾具和刀具等在不同部位時(shí)的剛度不同的影響下切削力將會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致相應(yīng)的受力變形量變化，從而使工件加工后存在相應(yīng)誤差。這種現(xiàn)象稱為“誤差復(fù)映”。

2.切削力大小變化引起的加工誤差46以車削外圓為例，如圖4.17所示，設(shè)毛坯的材料硬度均勻，但存在橢圓形圓度誤差。車削加工時(shí)首先按加工表面尺寸要求將刀尖調(diào)整到虛線位置，即調(diào)整一定的切深。由于毛坯形狀誤差，工件在每一轉(zhuǎn)中，切深是不斷變化的，最大切深為ap1，最小切深為ap2，相應(yīng)地處的切削力Fy1最大，相應(yīng)變形最大y1；Fy2處的切削力最小，相應(yīng)變形y2也最小。因而，車削加工時(shí)的切削力變化將引起受力變形不一致。最終加工后，毛坯的橢圓形圓度誤差仍以一定的比例保留在工件上，形成圓度誤差Δg=y1-y2。

以車削外圓為例，如圖4.17所示，設(shè)毛坯的材料硬度均勻，但存47設(shè)工藝系統(tǒng)的剛度為K，則工件的圓度誤差

根據(jù)切削原理，切削力可用如下的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算

CFy為與刀具幾何參數(shù)及切削條件有關(guān)的系數(shù)；ap為切深，單位mm；f為進(jìn)給量，單位mm；為材料硬度，單位GPa；xFy為指數(shù)系數(shù)；yFy為指數(shù)系數(shù)；nFy為指數(shù)系數(shù)。車削加工時(shí)，因此最大切削力和最小切削力可分別寫為

設(shè)工藝系統(tǒng)的剛度為K，則工件的圓度誤差48通常以加工前后誤差的比值衡量誤差復(fù)映的程度，并定義ε為誤差復(fù)映系數(shù)，其表示為

由于Δg總是小于Δm，所以誤差復(fù)映系數(shù)ε是一個(gè)小于1的正數(shù)。對(duì)于材料均勻的毛坯，誤差復(fù)映系數(shù)只與進(jìn)給量、工藝系統(tǒng)剛度有關(guān)。由誤差復(fù)映規(guī)律知，誤差復(fù)映系數(shù)定量反映了毛坯誤差加工后減小的程度，因而要減小誤差復(fù)映現(xiàn)象，可減小進(jìn)給量或提高工藝系統(tǒng)的剛度。一般情況下，誤差復(fù)映系數(shù)<1，故加工后工件的誤差較加工前明顯減少。設(shè)第1次、第3次、第3次…第n次走刀時(shí)的誤差復(fù)映系數(shù)分別為ε1、ε2

、ε3…，則總的誤差復(fù)映系數(shù)

這說(shuō)明，經(jīng)多次走刀或多道工序能夠減小誤差復(fù)映的程度，可以降低工件的加工誤差，但也意味著生產(chǎn)率的降低。實(shí)際中可根據(jù)工件的公差值和毛坯誤差值確定加工次數(shù)。

通常以加工前后誤差的比值衡量誤差復(fù)映的程度，并定義ε為誤差復(fù)493.夾緊力引起的加工誤差工件在裝夾過(guò)程中，如果工件剛度較低或夾緊力的方向和著力點(diǎn)選擇不當(dāng)，都會(huì)引起工件的變形，造成加工誤差。特別是薄壁套、薄板等零件，易于產(chǎn)生加工誤差。以三爪自定心卡盤夾持薄壁套筒進(jìn)行鏜孔加工為例。假定坯件是圓形，夾緊后套筒因受力變形，如圖a所示。雖鏜出的內(nèi)孔為圓形，見(jiàn)圖b，但去除夾緊力后，套筒零件彈性變形恢復(fù)，使得外圓大致為圓形，而內(nèi)孔將不再是圓形，如圖c所示。所以為了減少該加工誤差，生產(chǎn)中常在套筒外面加裝一個(gè)厚壁的開(kāi)口過(guò)渡環(huán)，見(jiàn)圖d，使夾緊力均勻分布在套筒上，可避免上述問(wèn)題。

3.夾緊力引起的加工誤差504.重力引起的加工誤差

工藝系統(tǒng)的零部件自重也會(huì)產(chǎn)生變形，尤其是在大型工件或組合件加工時(shí)，工件自重引起的變形可能會(huì)成為產(chǎn)生加工形狀誤差的主要原因，如龍門銑床、龍門刨床橫粱在刀架自重下引起的變形將造成工件的平面度誤差。所以裝夾工件時(shí)，可適當(dāng)布置支承位置或通過(guò)平衡措施以減少自重影響。5.慣性力對(duì)加工精度的影響如果工藝系統(tǒng)中有不平衡的高速旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件存在，就會(huì)產(chǎn)生離心力。它在工件的每一轉(zhuǎn)中將不斷地變更方向，引起工件幾何軸線作相同形式的擺動(dòng)。當(dāng)不平衡質(zhì)量的離心力大于切削力時(shí)，車床主軸軸頸和軸套內(nèi)孔表面的接觸點(diǎn)就會(huì)不斷地變化，則軸套孔的圓度誤差將傳給工件的回轉(zhuǎn)軸心。周期性變化的慣性力還會(huì)引起工藝系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)。4.重力引起的加工誤差514.3.3減少受力變形對(duì)加工精度影響的措施減小工藝系統(tǒng)受力變形對(duì)工件加工精度影響的主要措施是提高工藝系統(tǒng)的剛度，特別是提高工藝系統(tǒng)中剛度最為薄弱部分的剛度。一般常采用以下方法提高工藝系統(tǒng)剛度。1．合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)床的床身、立柱、橫梁、夾具體、鏜模板等支承零件的剛度對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)剛度影響較大，因而設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少連接面的數(shù)目，注意剛度的匹配，并盡可能防止有局部低剛度環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。合理設(shè)計(jì)零件、刀具結(jié)構(gòu)和截面形狀，使其具有較高剛度。2．提高連接表面的接觸剛度由于零件間的接觸剛度往往遠(yuǎn)低于零件的剛度，因而提高零件間的接觸剛度是提高工藝系統(tǒng)剛度的關(guān)鍵。

4.3.3減少受力變形對(duì)加工精度影響的措施減小工藝系統(tǒng)受力變523．采用合理的裝夾及加工方式合理的裝夾能夠使夾緊力分布均勻，從而減小受力變形，如薄壁套類零件加工可采用剛性開(kāi)口夾緊環(huán)（如圖4.18(d)）或改為端面夾緊。加工方式對(duì)剛度也有影響。如按圖4.19(a)所示銑削加工，加工面距夾緊面較遠(yuǎn)，加工中刀桿和工件的剛度都很差。如果將工件平放，改用端銑刀加工，如圖4.19(b)所示，加工面距夾緊面較近，剛度會(huì)明顯提高。

圖4.193．采用合理的裝夾及加工方式圖4.1953

在切削加工中．有時(shí)由于機(jī)床部件剛度低而產(chǎn)生變形和振動(dòng)，影響加工精度和生產(chǎn)率的提高。圖b所示是采用轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)向支承套，用加強(qiáng)桿和導(dǎo)向支承套提高部件的剛度。圖a所示是在轉(zhuǎn)塔機(jī)床上采用固定導(dǎo)向支承套。圖a圖b提高機(jī)床部件的剛度在切削加工中．有時(shí)由于機(jī)床部件剛度低而產(chǎn)生變形和振動(dòng)54

適用場(chǎng)合：在加工中，由于工件本身的剛度較低，特別是叉架類、細(xì)長(zhǎng)軸等零件，容易變形。

措施：在這種情況下，如何提高工件的剛度是提高加工精度的關(guān)鍵。其主要措施是縮小切削力的作用點(diǎn)到支承之間的距離，以增大工件在切削時(shí)的剛度。提高工件的剛度適用場(chǎng)合：在加工中，由于工件本身的剛度較低，554.4工藝系統(tǒng)的熱變形

在機(jī)械加工過(guò)程中，工藝系統(tǒng)受到各種熱源的影響將產(chǎn)生復(fù)雜的變化，工件、刀具、夾具和機(jī)床會(huì)因溫度變化而產(chǎn)生熱變形，這種熱變形對(duì)加工精度影響較大。研究表明，現(xiàn)代機(jī)床加工中熱變形所引起的加工誤差約占總誤差的40％~70％。實(shí)際加工中為了減少熱變形的影響，常需要很多時(shí)間進(jìn)行預(yù)熱和調(diào)整機(jī)床。熱變形不僅影響機(jī)械加工精度，而且制約著加工效率的提高。隨著高效率、高精度和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量的需求不斷提高，工藝系統(tǒng)的熱變形問(wèn)題將更為突出，對(duì)其進(jìn)行分析和控制極為重要。

4.4工藝系統(tǒng)的熱變形在機(jī)械加工過(guò)程中，工藝系統(tǒng)受到各種564.4.1工藝系統(tǒng)的熱源工藝系統(tǒng)的熱變形是由加工過(guò)程中存在的各種熱源所引起的。按其來(lái)源大致分為內(nèi)部熱源和外部熱源兩大類。內(nèi)部熱源包括切削熱和摩擦熱；外部熱源包括環(huán)境溫度和輻射熱。1．內(nèi)部熱源1)切削熱切削加工或磨削加工過(guò)程中，切削層的彈性變形、塑性變形、刀具與工件及切屑之間摩擦機(jī)械能，絕大部分都被轉(zhuǎn)化為切削熱，形成切削加工過(guò)程的最主要熱源。切削熱將傳到機(jī)床、工件、刀具、夾具、切屑、切削液和周圍的介質(zhì)。車削加工時(shí)，切削熱中的大部分熱量被切屑帶走。切削速度越高，切屑所帶走熱量的百分比越大。一般切屑所帶走的熱量約占50%~80%，傳給工件的熱量約30%，而傳給刀具的熱量一般在10％以下。鉆削和臥式鏜孔時(shí)，因有大量切屑滯留在工件孔內(nèi)，散熱條件不良，因而傳給工件的切削熱較多。如鉆孔時(shí)傳給工件的熱量一般在50％以上。磨削加工時(shí)，細(xì)小的磨屑帶走的數(shù)量很少，且砂輪為不良導(dǎo)體，因而84％左右的熱量將傳入工件。由于磨削在短時(shí)間產(chǎn)生的熱量大，而熱源面積小，故熱量相當(dāng)集中，以致磨削區(qū)的溫度可高達(dá)800℃~1000℃。4.4.1工藝系統(tǒng)的熱源工藝系統(tǒng)的熱變形是由加工過(guò)程中存在572)摩擦熱摩擦熱主要是機(jī)械和液壓系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的。這些運(yùn)動(dòng)部件在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)因摩擦力作用而形成摩擦熱。如軸與軸承、齒輪、導(dǎo)軌副、摩擦離合器、電動(dòng)機(jī)、液壓泵、節(jié)流元件等。盡管摩擦熱較切削熱少，但摩擦熱會(huì)導(dǎo)致工藝系統(tǒng)局部發(fā)熱，引起局部升溫和變形，溫升的程度由于相對(duì)熱源位置的不同而有所區(qū)別，即使同一個(gè)零件，其各部分的溫升也可能有所不同。2．外部熱源工藝系統(tǒng)受熱源影響，溫度逐漸升高，同時(shí)熱量通過(guò)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)等方式向周圍傳遞。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)的熱量傳入和傳出相等時(shí)，溫度將保持恒定，工藝系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)。在熱平衡狀態(tài)下，工藝系統(tǒng)各部分的溫度基本不變，因而各部分的熱變形也就相應(yīng)趨于穩(wěn)定。1)環(huán)境溫度在工件加工過(guò)程中，周圍環(huán)境的溫度隨季節(jié)氣溫、晝夜溫度、地基溫度、空氣對(duì)流等的影響而變化，從而造成工藝系統(tǒng)溫度的變化，影響工件的加工精度，特別是加工大型精密件時(shí)影響更為明顯。2)輻射熱在加工過(guò)程中，陽(yáng)光、照明、取暖設(shè)備等都會(huì)產(chǎn)生輻射熱，致使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生熱變形。2)摩擦熱58電機(jī)、軸承、齒輪、油泵等工件、刀具、切屑、切削液氣溫、室溫變化、熱、冷風(fēng)等熱源切削熱摩擦熱外部熱源內(nèi)部熱源環(huán)境溫度熱輻射日光、照明、暖氣、體溫等熱源分析電機(jī)、軸承、齒輪、油泵等工件、刀具、切屑、切削液氣溫、室溫變594.4.2熱變形對(duì)加工精度的影響雖然工藝系統(tǒng)的熱源很多，但對(duì)工藝系統(tǒng)的影響是有主次之分的，因此分析工藝系統(tǒng)熱變形時(shí)應(yīng)明確占據(jù)主導(dǎo)的影響因素，而后采取措施減小或消除其影響。在工藝系統(tǒng)熱變形中，以機(jī)床熱變形最為復(fù)雜，工件和刀具次之，?？捎媒馕龅姆椒ㄟM(jìn)行估算和分析。1.工件熱變形對(duì)加工精度的影響加工中工件熱變形的主要熱源是切削熱或磨削熱，但對(duì)于大型零件和精密零件，外部熱源的影響也不可忽視。工件的熱變形情況與工件材料、工件的結(jié)構(gòu)和尺寸，以及加工方法等因素有關(guān)。工件的熱變形可能會(huì)造成切削深度和切削力的改變，導(dǎo)致工藝系統(tǒng)中各部件之間的相對(duì)位置改變，破壞工件與刀具之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，造成工件的加工誤差。工件的熱變形及其對(duì)加工精度的影響，與其受熱是否均勻有關(guān)。4.4.2熱變形對(duì)加工精度的影響雖然工藝系統(tǒng)的熱源很多，但60工件均勻受熱而產(chǎn)生的變形

均勻受熱是指工件的溫度分布比較一致，工件的熱變形也會(huì)比較均勻。一些形狀簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)類工件(如短軸類、套類和盤類零件等)，切削加工時(shí)屬于均勻受熱。這類工件進(jìn)行內(nèi)、外圓加工時(shí)，由于工作行程短，一般可將其熱變形引起的縱向形狀誤差忽略不計(jì)，而這種熱變形主要影響工件的尺寸精度。不均勻受熱而產(chǎn)生的變形

影響熱源及其傳遞的因素較為復(fù)雜，實(shí)際上多數(shù)情況下工件受熱不均勻，其熱變形也不均勻。這種熱變形主要影響工件的形狀和位置精度。2.刀具熱變形對(duì)加工精度的影響刀具的熱變形也主要是由切削熱引起的。傳給刀具的熱量雖不多，但因刀具體積小、熱容量小，且熱量集中在切削部分，仍有相當(dāng)程度的溫升，從而引起刀具的熱伸長(zhǎng)并導(dǎo)致加工誤差。如用高速鋼刀具車削時(shí)，刃部的溫度高達(dá)700℃~800℃，刀具熱伸長(zhǎng)量達(dá)0.03~0.05mm。

工件均勻受熱而產(chǎn)生的變形61圖4.20為車削時(shí)車刀熱變形與切削時(shí)間的關(guān)系曲線。當(dāng)車刀連續(xù)切削工作時(shí)。開(kāi)始切削時(shí)車刀溫升較快，熱伸長(zhǎng)量增長(zhǎng)較快。隨后趨于緩和并最后達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)車刀變形很小。當(dāng)切削停止時(shí)，刀具逐漸冷卻收縮。當(dāng)車刀間斷切削工作時(shí)，非切削時(shí)刀具有一段短暫的冷卻時(shí)間，切削時(shí)刀具繼續(xù)加熱，因此刀具熱變形時(shí)伸長(zhǎng)和冷卻交替進(jìn)行，具有熱脹冷縮的雙重性質(zhì)，總的變形量比連續(xù)工作時(shí)要小一些。

加工大型零件時(shí)，刀具熱變形往往造成幾何形狀誤差，如車削長(zhǎng)軸或立車端面時(shí)，刀具連續(xù)工作的時(shí)間較長(zhǎng)，隨著切削時(shí)間的增加，刀具逐漸伸長(zhǎng)，造成加工后工件產(chǎn)生圓柱度誤差或平面度誤差。加工小零件時(shí)，刀具熱變形對(duì)加工尺寸的影響并不顯著，但會(huì)造成一批工件尺寸分散。圖4.20為車削時(shí)車刀熱變形與切削時(shí)間的關(guān)系曲線。加工大型零623.機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的影響機(jī)床工作時(shí)會(huì)受到內(nèi)外熱源的影響，但各部分熱源不同且分布不均勻，加上機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，將造成機(jī)床各部件發(fā)生不同程度的熱變形，從而破壞了機(jī)床的幾何精度，以主軸部件、床身、導(dǎo)軌、立柱和工作臺(tái)等部件的熱變形對(duì)加工精度影響較大。車、銑、鏜床類機(jī)床的主要熱源是主軸箱。主軸箱內(nèi)的齒輪、軸承摩擦發(fā)熱和箱中油池的潤(rùn)滑油發(fā)熱等，都將導(dǎo)致主軸箱以及與之相連的部分(如床身或立柱)發(fā)生變形和翹曲，從而造成主軸的偏移和傾斜。盡管溫升不大，但如果熱變形出現(xiàn)在加工誤差的敏感方向，則對(duì)加工精度的影響較為顯著。立式銑床產(chǎn)生熱變形后，將使銑削后工件的平面與定位基面之間出現(xiàn)平行度或垂直度誤差。而鏜床的熱變形則會(huì)導(dǎo)致所鏜內(nèi)孔軸線與定位基面之間的平行度或垂直度誤差。3.機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的影響63龍門刨床、外圓磨床、導(dǎo)軌磨床等大型機(jī)床的主要熱源時(shí)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)軌面產(chǎn)生的摩擦熱及環(huán)境溫度。它們的床身較長(zhǎng)，溫差影響會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲變形(圖4.21(a)和(b))，上表面溫度高則床身中凸，下表面溫度高則床身中凹。床身熱變形是影響加工精度的主要因素。如長(zhǎng)12m高0.8m的導(dǎo)軌磨床床身，若導(dǎo)軌面與床身底面溫差1℃時(shí)，其彎曲變形量可達(dá)0.22mm。

龍門刨床、外圓磨床、導(dǎo)軌磨床等大型機(jī)床的主要熱源時(shí)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)64平面磨床床身的熱變形決定于油池安放位置及導(dǎo)軌副的摩擦熱。油池不放在床身內(nèi)時(shí)，機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)之后，導(dǎo)軌上面溫度高于下部，床身將出現(xiàn)中凸；油池放在床身底部時(shí)，會(huì)使床身產(chǎn)生中凹。它們都將使加工后的零件存在平面度誤差。雙端面磨床的冷卻液噴向床身中部的頂面，使其局部受熱而產(chǎn)生中凸變形，從而使兩砂輪的端面產(chǎn)生傾斜，如圖4.21(c)所示。平面磨床床身的熱變形決定于油池安放位置及導(dǎo)軌副的摩擦熱。油池65幾種機(jī)床的熱變形趨勢(shì)平面磨床車床銑床雙端面磨床幾種機(jī)床的熱變形趨勢(shì)平面磨床車床銑床雙端面磨床66當(dāng)機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后傳入各部件的熱量與各部件散失的熱量接近或相等時(shí),各部件的溫度將停止上升并達(dá)到熱平衡狀態(tài)，相應(yīng)的熱變形以及部件間的相互位置也趨于穩(wěn)定。機(jī)床達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)的幾何精度稱為熱態(tài)幾何精度。熱平衡狀態(tài)前，機(jī)床的幾何精度是變化不定的，其對(duì)加工精度的影響也變化不定。精密加工應(yīng)在機(jī)床處于熱平衡之后進(jìn)行。一般機(jī)床，如車床、磨床等，其運(yùn)轉(zhuǎn)的熱平衡時(shí)間約1~2小時(shí)，大型精密機(jī)床熱平衡時(shí)間往往超過(guò)12小時(shí)，甚至達(dá)到數(shù)十小時(shí)。加工中心機(jī)床是一種高效率機(jī)床，可在不改變工件裝夾的條件下，對(duì)工件進(jìn)行多面和多工位的加工。加工中心機(jī)床的轉(zhuǎn)速較高，內(nèi)部有很大的熱源，而較高的自動(dòng)化程度使其散熱的時(shí)間極少。但工序集中的加工方式和高加工精度并不允許有較大的熱變形，所以加工中心機(jī)床上采取了很多防止和減少熱變形的措施。

當(dāng)機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后傳入各部件的熱量與各部件散失的熱量接近或674.4.3減小熱變形對(duì)加工精度影響措施熱變形主要取決于溫度場(chǎng)的分布，但熱變形分析應(yīng)注意熱變形的方向與加工誤差敏感方向的相對(duì)位置關(guān)系，將機(jī)床熱變形應(yīng)盡量控制在加工誤差的不敏感方向上，以減少工件的加工誤差，這可以從結(jié)構(gòu)和工藝兩個(gè)方面采取措施。

1．結(jié)構(gòu)措施1)采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)機(jī)床大件的結(jié)構(gòu)和布局對(duì)機(jī)床熱態(tài)特性有較大影響。以加工中心機(jī)床立柱為例，單立柱結(jié)構(gòu)受熱將產(chǎn)生較大的扭曲變形，而雙立柱結(jié)構(gòu)由于左右對(duì)稱，僅產(chǎn)生垂直方向的熱位移，容易通過(guò)調(diào)整的方法予以補(bǔ)償。主軸箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，應(yīng)注意傳動(dòng)元件(如軸、軸承及傳動(dòng)齒輪等)安放的對(duì)稱性，使箱壁溫度分布及變化均勻，從而減少箱體的變形。4.4.3減小熱變形對(duì)加工精度影響措施熱變形主要取決于溫度682)采用熱補(bǔ)償及冷卻結(jié)構(gòu)熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可以均衡機(jī)床的溫度場(chǎng)，使機(jī)床產(chǎn)生的熱變形均勻，從而不影響工件的形狀精度。例如M7150A型平面磨床的床身較長(zhǎng)，當(dāng)油箱獨(dú)立于主機(jī)布置時(shí)，則床身上部溫度高于下部，產(chǎn)生較大的熱變形?？刹扇』赜脱a(bǔ)償?shù)姆椒ň鉁囟葓?chǎng)，如圖4.22所示。在床身下部配置熱補(bǔ)償油溝，使一部分帶有余熱的回油經(jīng)熱補(bǔ)償油溝后送回油池。采取這些措施后，床身上下部溫差降至1℃~2℃，從而熱變形明顯減少。

2)采用熱補(bǔ)償及冷卻結(jié)構(gòu)69對(duì)于不能分離的、發(fā)熱量大熱源，如主軸軸承、絲扛螺母副、高速運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌副等則可以從結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑等方面改善其摩擦持性，或采用強(qiáng)制式的風(fēng)冷、水冷等散熱措施；對(duì)機(jī)床、刀具和工件的發(fā)熱部位采取充分冷卻措施，控制溫升以減小變形。

3)分離熱源將可能從機(jī)床分離的熱源進(jìn)行獨(dú)立布置，電動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等均應(yīng)移出，使之成為獨(dú)立單元。將發(fā)熱部件和機(jī)床大件(如床身、立柱等)采用隔熱材料相隔離。對(duì)于不能分離的、發(fā)熱量大熱源，如主軸軸承、絲扛螺母副、高速運(yùn)702．工藝措施1)合理安排工藝過(guò)程當(dāng)粗、精加工時(shí)間間隔較短時(shí)，粗加工的熱變形將影響到精加工，工件冷卻后將產(chǎn)生加工誤差。因此，為避免粗加工時(shí)的熱變形對(duì)加工精度的影響，在安排工藝過(guò)程時(shí)，應(yīng)將粗、精加工分開(kāi)，并保證工件粗加工后有一定的冷卻時(shí)間，既可保證加工精度，又可滿足較高的切削生產(chǎn)要求。在單件小批生產(chǎn)中，粗精加工在同一道工序進(jìn)行，則粗加工后應(yīng)停機(jī)一段時(shí)間使工藝系統(tǒng)冷卻，同時(shí)還應(yīng)將工件松開(kāi)，待精加工時(shí)再重新夾緊。2)保持或加速工藝系統(tǒng)的熱平衡在精密加工之前，應(yīng)讓機(jī)床先空轉(zhuǎn)一段時(shí)間，等達(dá)到熱平衡狀態(tài)后再進(jìn)行加工，從而利于保證加工精度。對(duì)于精密機(jī)床特別是大型機(jī)床，可在加工前進(jìn)行高速空轉(zhuǎn)預(yù)熱，或在機(jī)床的適當(dāng)部位設(shè)置控制熱源，使機(jī)床較快地達(dá)到熱平衡狀態(tài)，然后進(jìn)行加工。加工一些精密零件時(shí)，間斷時(shí)間內(nèi)不要停車，以避免破壞熱平衡。3)控制環(huán)境溫度精加工機(jī)床應(yīng)避免日光直接照射，精密機(jī)床應(yīng)安裝在恒溫車間內(nèi)。2．工藝措施71對(duì)于不能分離的熱源，如主抽軸承、絲杠螺母副、高速運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌副等，則可以從結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑等方面改善其摩擦特性，減少發(fā)熱。采用有效的冷卻措施為了減少機(jī)床的熱變形，凡是可能分離出去的熱源應(yīng)移出，如電動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，均應(yīng)移出。熱源可能分離出去減少發(fā)熱例如，采用靜壓軸承。靜壓導(dǎo)軌，改用低粘度潤(rùn)滑油、理基潤(rùn)滑脂等，也可用隔熱材料將發(fā)熱部件和機(jī)床大件(如床身、立柱等)隔離開(kāi)來(lái)。

如增加散熱面積或使用強(qiáng)制式的風(fēng)冷、水冷、循環(huán)潤(rùn)滑等。例如，目前，大型數(shù)控機(jī)床、加工中心普遍采用冷凍機(jī)，對(duì)潤(rùn)滑油、切削液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以提高冷卻效果。在精密絲杠磨床的母絲杠中通以冷卻液，以減少熱變形。1．減少熱源的發(fā)熱對(duì)于不能分離的熱源，如主抽軸承、絲杠螺母副、高速運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌副724.5其他影響加工精度的因素及改進(jìn)措施機(jī)械加工工藝系統(tǒng)中還有一些其他因素影響加工精度，主要包括加工原理誤差、測(cè)量誤差和殘余應(yīng)力誤差等。4.5其他影響加工精度的因素及改進(jìn)措施機(jī)械加工工藝系統(tǒng)中還734.5.1加工原理誤差

加工原理誤差是指采用了近似的成形運(yùn)動(dòng)或近似的刀刃輪廓進(jìn)行加工而產(chǎn)生的誤差。也稱之為原理誤差。1．采用近似的成形運(yùn)動(dòng)所造成的誤差在展成法加工漸開(kāi)線齒輪時(shí)，因?yàn)闈L刀或插刀是由有限的切削刃構(gòu)成的，所以被加工齒形是由刀具上有限條切削刃在一系列順序位置上所切出的折線包絡(luò)而成，這與理論上所要求的光滑漸開(kāi)線表面不同，因而存在原理誤差。在用離散點(diǎn)定義的復(fù)曲面加工時(shí)，常采用回轉(zhuǎn)面族的包絡(luò)面去逼近原曲面。在數(shù)控機(jī)床上，常用直線或圓弧插補(bǔ)來(lái)加工輪廓曲線和曲面。這都存在理論誤差，說(shuō)明在曲線或曲面的數(shù)控加工中，刀具相對(duì)于工件的成形運(yùn)動(dòng)也是近似的。

4.5.1加工原理誤差加工原理誤差是指采用了近似的成形運(yùn)742．采用近似的切削刃輪廓所造成的誤差在漸開(kāi)線齒輪加工時(shí)，理論上要求對(duì)同一模數(shù)、同一壓力角而齒數(shù)不同的齒輪應(yīng)選取相應(yīng)齒數(shù)的銑刀。但為避免銑刀數(shù)目過(guò)多而引起過(guò)高成本或難于管理，實(shí)際上的銑刀刀具是按優(yōu)選系列制備的，這必然產(chǎn)生齒形誤差。如3號(hào)銑刀可用于加工齒數(shù)為17~20的齒輪，但其切削刃是按本組最小齒數(shù)17的齒形設(shè)計(jì)的。由于制造上的困難，實(shí)際上采用阿基米德蝸桿或法向直廓蝸桿代替漸開(kāi)線蝸桿，這種近似造型的刀刃輪廓必然引起加工誤差。雖然近似的成形運(yùn)動(dòng)或近似的刀刃輪廓會(huì)產(chǎn)生加工原理誤差，但采用近似加工方法可使工藝裝備的結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化，工藝過(guò)程更為經(jīng)濟(jì)，從而提高生產(chǎn)率、保證質(zhì)量。在滿足產(chǎn)品精度要求的前提下，只要原理誤差不超過(guò)規(guī)定的范圍，原理誤差存在是允許的，一般其應(yīng)小于l0~15％工件的公差值。

2．采用近似的切削刃輪廓所造成的誤差754.5.2測(cè)量誤差工件在加工過(guò)程中要用各種量具、量?jī)x等進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)量，并以測(cè)量結(jié)果進(jìn)行工藝系統(tǒng)的調(diào)整，防止工件超差，保證工件加工后能夠達(dá)到預(yù)定的加工精度。測(cè)量誤差是指工件實(shí)際尺寸與量具表示的尺寸之間的差值。測(cè)量誤差直接影響加工精度，但在理論上是不可避免的，產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因主要有：1.計(jì)量器具和測(cè)量方法本身的誤差1）計(jì)量器具本身精度的影響任何一種精密量具、量?jī)x等測(cè)量設(shè)備本身都存在制造誤差，但制造誤差并不直接影響加工精度，僅使加工誤差的數(shù)值失真。但在試切法或調(diào)整加工時(shí)，對(duì)加工精度則有直接影響。而計(jì)量器具精度主要是由示值誤差、示值穩(wěn)定性、回程誤差和靈敏度等四個(gè)方面綜合起來(lái)的極限誤差表示的，選用不同的計(jì)量器具，測(cè)量誤差的變動(dòng)范圍也很大。如用光學(xué)比較儀測(cè)量軸類零件，誤差<1μm；用千分尺測(cè)量時(shí)誤差為5μm~10μm，而用游標(biāo)卡尺誤差則達(dá)150μm。4.5.2測(cè)量誤差工件在加工過(guò)程中要用各種量具、量?jī)x等進(jìn)行762）計(jì)量器具或測(cè)量方法不符合“阿貝原則”所采用的測(cè)量方法和量具結(jié)構(gòu)不符合“阿貝原則”時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，稱為“阿貝誤差”。例如，常用的外徑百分尺、測(cè)深尺、立式測(cè)長(zhǎng)儀等進(jìn)行測(cè)量時(shí)，是符合“阿貝原則”的，而用游標(biāo)卡尺等測(cè)量則不符合“阿貝原則”。3）單次測(cè)量判斷的不準(zhǔn)確性測(cè)量精度是由測(cè)量誤差衡量的，而測(cè)量誤差的大小是以實(shí)際測(cè)得值與所謂“真值”之差表示的。然而，真值在測(cè)量前是未知的。為了衡量測(cè)量誤差的大小，必須尋找一個(gè)非常接近真值的數(shù)值代替真值，以評(píng)價(jià)測(cè)量精度的而低。因此，在排除測(cè)量過(guò)程中系統(tǒng)誤差的前提下，對(duì)某一測(cè)量尺寸進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，一般以重復(fù)測(cè)量值的算術(shù)平均值代替真值。

2）計(jì)量器具或測(cè)量方法不符合“阿貝原則”772.測(cè)量條件的影響環(huán)境條件對(duì)測(cè)量精度也有影響，主要指測(cè)量環(huán)境的溫度和振動(dòng)。溫度變化會(huì)引起測(cè)量時(shí)量具和工件的熱變形量不相等，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差；振動(dòng)則就會(huì)使工件位置變動(dòng)或使量具讀數(shù)不穩(wěn)定。除此之外，測(cè)量者的視力、判斷能力、測(cè)量經(jīng)驗(yàn)、相對(duì)測(cè)量或間接測(cè)量所用的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，以及測(cè)量力等因素都會(huì)引起讀數(shù)的誤差而產(chǎn)生測(cè)量誤差。減小測(cè)量誤差的主要措施有：提高量具精度，根據(jù)加工精度要求合理選擇量具；注意操作方法，正確使用和維護(hù)量具，定期檢測(cè)；注意測(cè)量條件，精密零件應(yīng)在恒溫環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。2.測(cè)量條件的影響784.5.3調(diào)整誤差零件加工的每一道工序中，為了獲得被加工表面的形狀、尺寸和位置精度，必須對(duì)機(jī)床進(jìn)行調(diào)整。而任何調(diào)整方法及任何調(diào)整工具都不可能絕對(duì)精確，因而會(huì)產(chǎn)生調(diào)整誤差。機(jī)械加工中，由于零件生產(chǎn)量的不同和加工精度的不同，所采用的調(diào)整方法也不相同。單件小批量生產(chǎn)時(shí)，多采用試切法調(diào)整；大批大量生產(chǎn)時(shí)，一般采用樣板、樣件、擋板及靠模等調(diào)整工藝系統(tǒng)。調(diào)整方式的不同，其誤差來(lái)源也不同。

4.5.3調(diào)整誤差零件加工的每一道工序中，為了獲得被加工表791.試切法調(diào)整單件小批生產(chǎn)中，通常采用試切法加工。試切調(diào)整是一種通過(guò)“試切—測(cè)量—調(diào)整—再試切”的反復(fù)過(guò)程來(lái)確定刀具與工件相對(duì)位置的正確性，從而保證零件加工精度的方法。它的調(diào)整誤差主要來(lái)源于三個(gè)方面：測(cè)量誤差量具本身的精度、測(cè)量方法或使用條件下的誤差都會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，并可能引起誤差。進(jìn)給機(jī)構(gòu)的位移誤差在試切最后一刀或在精加工時(shí)，總需要按刻度盤的顯示值微調(diào)刀具的進(jìn)給量。這種低速微量進(jìn)給運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)給機(jī)構(gòu)出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象，將導(dǎo)致刀具的實(shí)際位置與刻度盤的數(shù)值不一致，從而造成加工誤差。試切時(shí)與正式切削層厚度不同的影響刀具所能切除的最小切屑層厚度是有一定限度的，一般銳利的刀刃最小切屑層厚度可達(dá)5μm，而鈍刀約20~50μm。切削厚度過(guò)小時(shí)．刀刃只起擠壓作用而不進(jìn)行切削。在精加工時(shí)，試切的最后一刀總是很薄，但正式切削時(shí)的加工余量較大，實(shí)際切深要大于試切，因此工件尺寸與試切不同，產(chǎn)生加工尺寸誤差。

1.試切法調(diào)整802.調(diào)整法生產(chǎn)中常用標(biāo)準(zhǔn)樣塊或?qū)Φ秹K(導(dǎo)套)調(diào)整刀具，以及按試切尺寸調(diào)整刀具。當(dāng)以試切為依據(jù)進(jìn)行工藝系統(tǒng)調(diào)整時(shí)，影響試切法調(diào)整精度的因素同樣對(duì)調(diào)整法有影響。除此之外，影響調(diào)整精度的因素還有：定程機(jī)構(gòu)誤差

成批生產(chǎn)中，廣泛采用行程擋塊、靠模、凸輪等機(jī)構(gòu)保證刀具和工件的相對(duì)位置，這些定程機(jī)構(gòu)的制造精度和調(diào)整誤差，以及它們的受力變形和與它們配合使用的電、液、氣動(dòng)元件的靈敏度等都是影響調(diào)整誤差的主要因素。樣件或樣板的誤差

在各種仿形機(jī)床、多刀機(jī)床和專用機(jī)床中，常采用專用的樣件或樣板確定刀具和工件的相對(duì)位置。這種情況下，樣板或樣塊的制造誤差、安裝誤差和對(duì)刀誤差以及它們的磨損等都是造成調(diào)整誤差的來(lái)源。測(cè)量有限試件造成的誤差

工藝系統(tǒng)進(jìn)行試切加工的工件數(shù)(稱為抽樣件數(shù))不可能太多，從統(tǒng)計(jì)上講不能完全反映整批工件切削過(guò)程中的各種隨機(jī)誤差，試切工件的平均尺寸不可能完全符合總體尺寸，從而產(chǎn)生加工誤差。2.調(diào)整法814.5.4殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力是指外部載荷去除后，仍殘存在工件內(nèi)部的應(yīng)力。零件中的殘余應(yīng)力往往處于一種很不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，在外界某種因素的影響下很容易失去原有的平衡狀態(tài)，而重新達(dá)到一個(gè)新的較穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。這一過(guò)程中，將使殘余應(yīng)力重新分布，零件也要產(chǎn)生相應(yīng)的變形，使原有的加工精度逐漸喪失。若把具有殘余應(yīng)力的零件裝配成機(jī)器，則可能使機(jī)器在使用過(guò)程中也產(chǎn)生變形，甚至破壞整個(gè)機(jī)器的質(zhì)量。1.產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因殘余應(yīng)力是由金屬內(nèi)部的相鄰宏觀或微觀組織發(fā)生了不均勻的體積變化而產(chǎn)生的，促成這種變化的因素主要來(lái)自冷加工或熱加工。1）毛坯制造過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在鑄、鍛、焊及熱處理等加工過(guò)程中，由于工件各部分熱脹冷縮不均勻以及工件金相組織轉(zhuǎn)變時(shí)的體積變化，將使毛坯內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力。4.5.4殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力是指外部載荷去除后，仍殘存在工件82圖4.23(a)為一個(gè)內(nèi)外壁厚相差較大的鑄件。當(dāng)鑄件冷卻時(shí)，由于A和C部分比B部分的壁厚薄很多，散熱較容易，冷卻較快，因而冷卻后將在B部分產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，相應(yīng)A和C部分產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力與之平衡，如圖4.23(b)所示。如果在鑄件上A部分切開(kāi)一個(gè)缺口，見(jiàn)圖4.23(c)，則A部分的壓縮殘余應(yīng)力作用消失，B和C部分的內(nèi)應(yīng)力將產(chǎn)生新的平衡，B部分收縮，C部分伸長(zhǎng)，鑄件就會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。推廣到一般情況，各類結(jié)構(gòu)的鑄件都難免存在冷卻不均勻而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。圖4.23(a)為一個(gè)內(nèi)外壁厚相差較大的鑄件。當(dāng)鑄件冷卻時(shí)，83殘余應(yīng)力的程度與毛坯的結(jié)構(gòu)、厚度均勻情況、散熱條件等有直接關(guān)系。毛坯的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，各部分壁厚越不均允，則散熱條件相互差別越大，毛坯內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也越大。具有殘余應(yīng)力的毛坯，其殘余應(yīng)力暫時(shí)處于相對(duì)平衡狀態(tài)，一旦去除表面部分后，打破這種平衡，殘余應(yīng)力將重新分布，從而使工件出現(xiàn)變形。

殘余應(yīng)力的程度與毛坯的結(jié)構(gòu)、厚度均勻情況、散熱條件等有直接關(guān)842）工件冷校直時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力一般在細(xì)長(zhǎng)的零件(如細(xì)長(zhǎng)的軸或曲軸等軸類零件)加工時(shí)易產(chǎn)生彎曲變形，不能滿足后續(xù)工序的加工精度要求，常采用冷校直工藝進(jìn)行校正。校正的方法是在與變形相反的方向上施加作用力，使工件反方向彎曲產(chǎn)生塑性變形，以使工件變直，如圖a所示。冷校直時(shí)，在力F作用下工件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力分布如圖b所示。工件軸線以上部分產(chǎn)生壓應(yīng)力，軸線以下部分產(chǎn)生拉應(yīng)力。為使工件變直，工件部分處的應(yīng)力必須超過(guò)彈性極限，即產(chǎn)生塑性變形。外力去除后，彈性變形部分要恢復(fù)原有形狀，而塑性變形的部分已不能恢復(fù)。兩部分互相牽制，應(yīng)力將重新分布，并達(dá)到新的平衡狀態(tài)，如圖c所示。

2）工件冷校直時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力85經(jīng)過(guò)冷校直之后，雖然減少了工件的彎曲，但工件內(nèi)部產(chǎn)生了新的應(yīng)力狀態(tài)，工件仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。如果再次加工，工件將產(chǎn)生新的彎曲。所以，精度要求較高的細(xì)長(zhǎng)軸類工件(如精密絲杠等)，不允許采用冷校直工藝減小彎曲變形，而是加大毛坯余量，經(jīng)過(guò)多次切削和人工時(shí)效處理來(lái)消除殘余應(yīng)力。3）切削加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力切削加工過(guò)程中產(chǎn)生的力和熱，也會(huì)使被加工工件的表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力的分布情況由加工時(shí)的工藝因素決定。

經(jīng)過(guò)冷校直之后，雖然減少了工件的彎曲，但工件內(nèi)部產(chǎn)生了新的應(yīng)862.減小或消除殘余應(yīng)力的措施1）合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高零件的剛度，盡量使零件的壁厚均勻、結(jié)構(gòu)對(duì)稱，以減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。2）設(shè)立消除殘余應(yīng)力的熱處理工序消除殘余應(yīng)力的工序主要有熱處理和時(shí)效處理。對(duì)于毛坯或大型工件，在粗加工后可進(jìn)行自然時(shí)效，以松弛殘余應(yīng)力。人工時(shí)效可通過(guò)熱處理工藝，如對(duì)鑄、鍛、焊件進(jìn)行退火或回火；零件淬火后進(jìn)行回火；對(duì)精度要求高的零件，如床身、絲杠、箱體、精密主軸等，在粗加工后進(jìn)行低溫回火，根據(jù)要求有時(shí)還安排中間時(shí)效處理等。常用的時(shí)效處理方法有高溫時(shí)效、低溫時(shí)效、沖擊時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效等。3）合理安排工藝過(guò)程安排工藝過(guò)程時(shí)，應(yīng)盡可能地將粗、精加工分開(kāi)，使粗加工后有一定時(shí)間讓殘余應(yīng)力重新分布，經(jīng)過(guò)充分變形后，通過(guò)精加工減少對(duì)加工精度的影響。對(duì)于質(zhì)量和體積很大的零件，即使在同一臺(tái)中型機(jī)床上進(jìn)行粗、精加工，也應(yīng)該在粗加工后將加緊工件松開(kāi)，使之有充足時(shí)間松弛應(yīng)力，待充分變形后再重新夾緊，然后進(jìn)行精加工。

2.減小或消除殘余應(yīng)力的措施874.6加工誤差的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析前幾節(jié)就影響加工精度的各種主要因素，從單因素的角度進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了一些保證加工精度的措施。但在實(shí)際生產(chǎn)中，一個(gè)工序加工完成后，工件的加工精度是一系列工藝因素綜合作用的結(jié)果，各種因素產(chǎn)生的加工誤差可能相互迭加，也可能相互補(bǔ)償或抵消，而且各種誤差的表現(xiàn)性質(zhì)在很大程度上帶有一定的隨機(jī)性。實(shí)際上，影響加工精度的因素是錯(cuò)綜復(fù)雜的，需要要用概率理論和統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析和處理，進(jìn)而提出控制和解決加工精度問(wèn)題的工藝措施。4.6加工誤差的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析前幾節(jié)就影響加工精度的各種主要因884.6.1加工誤差的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律雖然從表面上看影響加工誤差的因素似乎沒(méi)有規(guī)律，但是應(yīng)用概率理論和統(tǒng)計(jì)方法可以發(fā)現(xiàn)一批工件加工誤差的總體規(guī)律，從而查處產(chǎn)生誤差的根源，在工藝上采取措施予以控制。1.加工誤差的性質(zhì)根據(jù)加工一批工件所出現(xiàn)的誤差規(guī)律來(lái)看，加工誤差可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類。1）系統(tǒng)誤差在相同的工藝條件下、順序加工一工件時(shí)，加工誤差的大小和方向都保持不變，或者按照一定的規(guī)律性變化，稱這類誤差為系統(tǒng)誤差。稱前者為常值系統(tǒng)誤差，稱后者為變值系統(tǒng)誤差。機(jī)床、夾具、刀具和量具本身的制造誤差和很慢的磨損往往被看作常值系統(tǒng)誤差。機(jī)床、夾具和刀具等在熱平衡前的熱變形常被看作變值系統(tǒng)誤差。常值系統(tǒng)誤差和變值系統(tǒng)誤差在不同條件、不同定義域內(nèi)是可以相互轉(zhuǎn)化的，要具體問(wèn)題進(jìn)行具體分析。如工藝系統(tǒng)的熱變形在平衡狀態(tài)之前引起的誤差為變值系統(tǒng)誤差，而熱平衡之后引起的誤差則為常值系統(tǒng)誤差。4.6.1加工誤差的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律雖然從表面上看影響加工誤差的892）隨機(jī)誤差在相同工藝條件廠、順序加工一批工件時(shí)，其加工誤差的大小、方向及其變化是隨機(jī)性的，稱這類誤差為隨機(jī)誤差。加工前毛坯或零件自身的誤差，工件的定位誤差，多次調(diào)整誤差以及工件殘余應(yīng)力變形引起的加工誤差等，都屬于隨機(jī)誤差。不同的條件下，誤差表現(xiàn)的性質(zhì)不同，系統(tǒng)誤差和隨即誤差的劃分也不是絕對(duì)的。如絞孔時(shí)，絞刀直徑不正確所引起的工件誤差是常值系統(tǒng)誤差；而絞刀在直徑正確條件下絞孔的孔徑尺寸仍然不同，則屬于隨機(jī)誤差。

2）隨機(jī)誤差902.加工誤差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律實(shí)踐和理論分析表明，一批工件在正常的加工狀態(tài)下，其尺寸誤差是很多獨(dú)立的隨機(jī)誤差綜合作用的結(jié)果。在無(wú)某種優(yōu)勢(shì)因素影響的情況下，即其中沒(méi)有一個(gè)起決定作用的隨機(jī)誤差，則加工后零件的尺寸分布符合正態(tài)分布，見(jiàn)圖4.25(a)。正態(tài)分布曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中y——正態(tài)分布的概率密度，即工件尺寸為x時(shí)的概率密度；μ

——正態(tài)分布隨機(jī)變量總體的算術(shù)平均值，即分散中心；σ——正態(tài)分布隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.加工誤差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律91正態(tài)分布曲線關(guān)于直線x=μ對(duì)稱，且時(shí)，工件尺寸為時(shí)概率密度極值最大，即正態(tài)分布曲線的形狀與μ和σ值有關(guān)。μ值表征正態(tài)分布曲線的位置，即改變?chǔ)讨捣植记€將沿橫坐標(biāo)移動(dòng)而不改變曲線的形狀，如圖4.25(b)所示。σ值表征分布曲線的形狀，σ值減小，則分布曲線將向上伸展，曲線兩側(cè)向中間收緊；σ值增大，則分布曲線趨向平坦并向兩端伸展，如圖4.25(c)所示。

正態(tài)分布曲線關(guān)于直線x=μ對(duì)稱，且時(shí)，工件尺寸為時(shí)概率密度92總體平均值x=0、總體標(biāo)準(zhǔn)偏差σ

=1的正態(tài)分布稱為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。正態(tài)分布曲線與橫軸所包含的面積為1。在x-μ=±σ處，正態(tài)分布曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，而x-μ=±3σ范圍內(nèi)的分布曲線包含的面積為99.73%，說(shuō)明隨機(jī)變量分布在此范圍外的概率僅為0.27%。因此，一般認(rèn)為正態(tài)分布的隨機(jī)變量的分散范圍為±3σ，這就是所謂的±3σ(或6σ)原則?！?σ或6σ是一個(gè)很重要的概念，在研究加工誤差時(shí)應(yīng)用很廣，它代表了某種加工方法在一定條件下所能達(dá)到的加工精度。因此，在一般情況下應(yīng)該使所選擇加工方法的標(biāo)準(zhǔn)偏差與尺寸公差帶寬度間具有如下關(guān)系：6σ≤T正態(tài)分布的μ和σ值可由樣本的平均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差S近似估計(jì)，常值系統(tǒng)誤差僅影響平均值，引起正態(tài)分布曲線沿橫軸平移；而值是由隨機(jī)誤差決定的，所以隨機(jī)誤差影響分布曲線的形狀。因而抽檢成批加工的一批工件，即可判斷整批工件的加工精度及加工誤差性質(zhì)。

總體平均值x=0、總體標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=1的正態(tài)分布稱為標(biāo)準(zhǔn)正93然而在實(shí)際加工中，工件尺寸或誤差的實(shí)際分布有時(shí)并不近似于正態(tài)分布，典型的具有明顯特征的分布曲線如下：(1)雙峰分布將兩次調(diào)整下加工的工件混在一起，由于每次調(diào)整時(shí)常值系統(tǒng)誤差是不同的，因此樣本的平均值不可能完全相同。當(dāng)常值系統(tǒng)誤差之差值大于2.2σ時(shí)，分布曲線就會(huì)出現(xiàn)雙蜂。假如把兩臺(tái)機(jī)床加工的工件混在一起，不僅調(diào)整時(shí)的常值系統(tǒng)誤差不等，機(jī)床精度可能也不同，即隨機(jī)誤差的影響不同，因而分布曲線的峰高不等，如圖a所示。雙峰分布的實(shí)質(zhì)是兩組分布曲線的疊加，而且每組曲線有各自的分散中心和標(biāo)準(zhǔn)偏差，即加工誤差主要為隨機(jī)誤差和常值系統(tǒng)誤差。然而在實(shí)際加工中，工件尺寸或誤差的實(shí)際分布有時(shí)并不近似于正態(tài)94(2)平頂分布

在加工過(guò)程中，如果存在比較明顯的變值系統(tǒng)誤差(如刀具或砂輪磨損較快)，則正態(tài)分布曲線的尺寸中心將隨時(shí)間均勻地移動(dòng)，使分布曲線呈平頂狀，如圖4.26(b)所示。(3)偏態(tài)分布

當(dāng)采用試切法加工零時(shí)，加工誤差呈現(xiàn)偏態(tài)分布，如圖4.26(c)所示。加工軸時(shí)凸峰向右偏，加工孔時(shí)凸峰向左偏。上面所述的為加工誤差分布的理論模型和理論分布曲線，一般分析加工誤差的分析主要采用兩種方法：分布圖分析法和點(diǎn)圖分析法。(2)平頂分布954.6.2分布圖分析法分布圖分析法是通過(guò)測(cè)量某工序加工所得一批零件的實(shí)際尺寸，用作圖(如直方圖或曲線)分析的方法此判斷加工方法產(chǎn)生誤差的性質(zhì)和大小。1．實(shí)驗(yàn)分布圖繪制實(shí)驗(yàn)分布圖的作法與步驟如下：1)樣本數(shù)據(jù)的收集按照一定的抽樣方法，如在一次調(diào)整加工中連續(xù)抽樣、或每間隔一定時(shí)間抽樣，或隨意抽樣等，抽樣方法應(yīng)根據(jù)不同的要求而定。在統(tǒng)計(jì)學(xué)上，稱抽取的一批零件為一個(gè)樣本，其數(shù)量n為樣本容量。一般樣本容量n≥50件。4.6.2分布圖分析法分布圖分析法是通過(guò)測(cè)量某工序加工所得962)樣本數(shù)據(jù)的整理與計(jì)算逐個(gè)測(cè)量其尺寸或誤差xi，按順序排列。由于隨即誤差的存在，樣本的加工尺寸的實(shí)際數(shù)值是各不相同的，這種現(xiàn)象稱為統(tǒng)計(jì)分散。剔除樣本中各工件尺寸xi中的異常數(shù)據(jù)(奇異值)，根據(jù)樣本最大值xmax與最小值xmin確定工件尺寸的分布范圍R，即R=xmax-xmin。將樣本分為kd組，組距為d(將組距圓整為測(cè)量尾數(shù)，即量具的最小分辨率的整數(shù)倍)。組距、樣本平均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差以及可按下列公式計(jì)算：同一尺寸或同一誤差組內(nèi)零件的數(shù)量稱為頻數(shù)mi，頻數(shù)mi與樣本容量n的比值稱為頻率fi，即2)樣本數(shù)據(jù)的整理與計(jì)算973)繪制實(shí)驗(yàn)分布圖以頻數(shù)或頻率為縱坐標(biāo)，零件尺寸或誤差為橫坐標(biāo)，即可得到若干個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)連接起來(lái)，就可得到一條曲線，稱其為實(shí)驗(yàn)分布曲線。為了使分布圖能能夠反映某一工序的加工精度，而不受組距大小和工件總數(shù)多少的影響，也可用頻率密度為縱坐標(biāo)。頻率密度為

如果加工誤差分布是服從統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律的，可能合乎正態(tài)分布或非正態(tài)分布，因而理論曲線分析的方法同樣適用于實(shí)驗(yàn)分布圖分析的樣本。在用理論分布曲線與實(shí)驗(yàn)分布圖相比較時(shí)，實(shí)驗(yàn)分布圖的縱坐標(biāo)要采用頻率密度，而概率密度函數(shù)計(jì)算的參數(shù)可分別取3)繪制實(shí)驗(yàn)分布圖982．分布圖分析法的應(yīng)用1）判別加工誤差性質(zhì)對(duì)于正態(tài)分布而言，常值系統(tǒng)誤差影響平均值，會(huì)引起正態(tài)分布曲線沿橫軸平移，即樣本平均值與公差帶中心不重合；而隨機(jī)誤差決定σ值，僅影響分布曲線的形狀。因此，如果實(shí)際分布與正態(tài)分布基本相符，可判斷整批工件的加工精度及加工誤差性質(zhì)。如果實(shí)際分布與正態(tài)分布有較大出入，可根據(jù)分布圖初步判斷變值系統(tǒng)誤差的類型。2）判定工序能力及其等級(jí)工序能力是指工序處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，加工誤差正常波動(dòng)的幅度。當(dāng)加工尺寸服從正態(tài)分布時(shí)，其尺寸分布范圍是6σ，所以工序能力就是6σ。6σ的大小代表了某一種加工方法在規(guī)定的條件下，如毛坯余量、切削用量、正常的機(jī)床、夾具和刀具等，所能達(dá)到的加工精度。2．分布圖分析法的應(yīng)用99工序能力等級(jí)描述了工序能力滿足加工精度要求的程度，是以工序能力系數(shù)來(lái)表示的。當(dāng)工序處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，工序能力系數(shù)按下式計(jì)算：

Cp=T/(6σ)T為工件尺寸公差。根據(jù)工序能力系數(shù)Cp的大小，可將工序能力分為5級(jí)，如表4.1所示。一般工序能力不應(yīng)低于二級(jí)，即Cp＞1。

工序能力等級(jí)描述了工序能力滿足加工精度要求的程度，是以工序能1003）估算合格品率或不合格品率如果工件尺寸分散范圍超出了公差帶，則將有廢品產(chǎn)生。通過(guò)分布曲線可估算合格品率或不合格品率。

如圖4.27所示，左側(cè)陰影部分的零件尺寸過(guò)小，為不合格品；右邊陰影部分的零件尺寸過(guò)大，為不合格品；中間部分的零件尺寸在公差帶范圍內(nèi)，都是合格品。3）估算合格品率或不合格品率1014）分析減少?gòu)U品的工藝措施工序能力系數(shù)Cp＞1，只說(shuō)明該工序的工序能力足夠，加工中出現(xiàn)廢品與否同機(jī)床調(diào)整正確性有關(guān)。如果加工中有常值系統(tǒng)誤差，標(biāo)準(zhǔn)偏差μ就與公差帶中心位置AM不重合，那么只有當(dāng)Cp＞1且才不會(huì)出現(xiàn)不合格品。如Cp＜1，那么不論怎樣調(diào)整，不合格品總是不可避免的。在采用調(diào)整法加工一批零件時(shí)，可預(yù)先估算產(chǎn)生廢品的可能性及其數(shù)量，從而通過(guò)調(diào)整刀具的位置或改變刀具的尺寸等措施減少加工誤差及廢品率。

4）分析減少?gòu)U品的工藝措施1023．分布圖法的缺點(diǎn)分布圖分析法主要缺點(diǎn)在于：不能反映誤差的變化趨勢(shì)。分析加工誤差時(shí)沒(méi)有考慮到工件加工的先后順序，難以將加工中存在的隨機(jī)性誤差與變值系統(tǒng)誤差進(jìn)行區(qū)分；需要待一批工件加工完畢后才能獲得尺寸分布的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分布圖繪制和分析，因而不能在加工過(guò)程中起到及時(shí)提供控制質(zhì)量的作用。

3．分布圖法的缺點(diǎn)1034．分布圖分析法實(shí)例生產(chǎn)實(shí)際中，在鏜床上鏜削加工一批活塞銷孔，要求直徑，抽取零件數(shù)為100，經(jīng)實(shí)際測(cè)量后的尺寸記錄如表4.2所示。

4．分布圖分析法實(shí)例104進(jìn)行加工誤差的分析和數(shù)據(jù)處理，制定表4.3。進(jìn)行加工誤差的分析和數(shù)據(jù)處理，制定表4.3。1051)分布圖繪制工序尺寸為橫坐標(biāo)、頻數(shù)為縱坐標(biāo)繪制分布圖，如圖4.28所示。

1)分布圖繪制1062)分析工序質(zhì)量分散范圍中心(工件平均尺寸)：樣本均方根偏差：由圖分析可知，分布圖曲線與正態(tài)分布基本相符，說(shuō)明加工過(guò)程沒(méi)有變值系統(tǒng)誤差，但與公差帶中心不重合，表明存在常值系統(tǒng)誤差：公差帶中心AM=28-0.04/2=27.98mm，工序能力系數(shù)：這說(shuō)明加工的工序能力為二級(jí)，該工序能力勉強(qiáng)，必須密切注意。

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