機械制造技術(shù)基礎(chǔ)第18講(2015)

1、第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制例題例題 按下圖定位方式在直徑為按下圖定位方式在直徑為 mm的工件的工件上銑平面，保證工序尺寸上銑平面，保證工序尺寸 mm，已知工件左，已知工件左0Td-d 0TA-A 側(cè)平面尺寸為側(cè)平面尺寸為 mm，定位斜面角，定位斜面角度度 。 試分析計算此定試分析計算此定位方案的定位誤位方案的定位誤差。差。0TB-B090 第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制 第二節(jié)第二節(jié) 影響機械加工精度的因素影響機械加工精度的因素一、工藝系統(tǒng)的幾何誤差一、工藝系統(tǒng)的幾何誤差二、裝夾誤差二、裝夾誤差（一）定位誤差（一）定位誤差1. 定位誤差的概念

2、定位誤差的概念2. 定位誤差的分析計算定位誤差的分析計算第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制（二）夾緊誤差（二）夾緊誤差工件或夾具剛度過低或夾緊力作用方向、作用點工件或夾具剛度過低或夾緊力作用方向、作用點選擇不當(dāng)，都會使工件或夾具產(chǎn)生變形，造成加選擇不當(dāng)，都會使工件或夾具產(chǎn)生變形，造成加工誤差。工誤差。圖圖4-11 夾緊誤差示例夾緊誤差示例開口薄壁過渡環(huán)開口薄壁過渡環(huán)第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制三、工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差三、工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差（一）（一） 工藝系統(tǒng)剛度工藝系統(tǒng)剛度1. 工藝系統(tǒng)剛度工藝系統(tǒng)剛度 機械加工中，工藝系統(tǒng)在切削力

3、、夾緊力、傳動機械加工中，工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力、傳動力、慣性力和重力等的作用下，將產(chǎn)生相應(yīng)的彈力、慣性力和重力等的作用下，將產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，使工件產(chǎn)生加工誤差。工藝系統(tǒng)在外力性變形，使工件產(chǎn)生加工誤差。工藝系統(tǒng)在外力作用下產(chǎn)生彈性變形的大小，不僅取決于作用力作用下產(chǎn)生彈性變形的大小，不僅取決于作用力的大小，還取決于工藝系統(tǒng)的剛度。的大小，還取決于工藝系統(tǒng)的剛度。第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制平行于基面并與機床主軸中心線相垂直的徑向切平行于基面并與機床主軸中心線相垂直的徑向切削分力削分力Fy與工藝系統(tǒng)在該方向上的變形與工藝系統(tǒng)在該方向上的變形 y 的比值，的比值，

4、稱為工藝系統(tǒng)剛度稱為工藝系統(tǒng)剛度 k系系 （N/mm），即），即 ( 4 9 )式中式中 ，其中，其中 、 、 為在為在Fy、Fc、Fx各切削分力的分別作用下工藝系各切削分力的分別作用下工藝系統(tǒng)在統(tǒng)在 y 方向產(chǎn)生的變形量。方向產(chǎn)生的變形量。 xcyFFFy+y+y=yyFycFyxFyyFky系系第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制 與與 有可能和有可能和 同向，也有可能和同向，也有可能和 反反向，所以就有可能出現(xiàn)向，所以就有可能出現(xiàn) y 0、y = 0和和 y 0三種三種情況。從物理概念分析，工藝系統(tǒng)剛度不可能出情況。從物理概念分析，工藝系統(tǒng)剛度不可能出現(xiàn)負(fù)數(shù)或趨于無窮大

5、的情況?，F(xiàn)負(fù)數(shù)或趨于無窮大的情況。由于單獨測量由于單獨測量 、 、 非常困難，而測量總非常困難，而測量總變形變形 卻比較容易。卻比較容易。 yFycFyxFyyFyyFycFyxFyy第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制圖圖4 21為一個按工藝系統(tǒng)剛度定義計算可能會出為一個按工藝系統(tǒng)剛度定義計算可能會出現(xiàn)負(fù)剛度情況的實例?，F(xiàn)負(fù)剛度情況的實例。圖圖4-21 負(fù)剛度現(xiàn)象負(fù)剛度現(xiàn)象在該例中，如果在該例中，如果 ，就將出現(xiàn)，就將出現(xiàn)y0的負(fù)的負(fù)剛度情況，此時車刀刀尖將扎入工件。剛度情況，此時車刀刀尖將扎入工件。yFcFyy負(fù)剛度現(xiàn)象對加工精度不利，應(yīng)盡量避免。負(fù)剛度現(xiàn)象對加工精度不利

6、，應(yīng)盡量避免。 第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制工藝系統(tǒng)在某一位置受力作用產(chǎn)生的變形量應(yīng)為工藝系統(tǒng)在某一位置受力作用產(chǎn)生的變形量應(yīng)為工藝系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)在此位置受該力作用產(chǎn)生的工藝系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)在此位置受該力作用產(chǎn)生的變形量的代數(shù)和，即變形量的代數(shù)和，即 （4-10）工工件件夾夾具具刀刀具具機機床床系系yyyyy+ + + += =根據(jù)剛度定義知根據(jù)剛度定義知 y機床機床 =Fy /k機床機床， y刀具刀具 =Fy /k刀具刀具， y夾具夾具 =Fy /k夾具夾具， y工件工件 =Fy /k工件工件 。第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制 （4-10）工工

7、件件夾夾具具刀刀具具機機床床系系yyyyy+ + + += =根據(jù)剛度定義知根據(jù)剛度定義知 y機床機床 =Fy /k機床機床， y刀具刀具 =Fy /k刀具刀具， y夾具夾具 =Fy /k夾具夾具， y工件工件 =Fy /k工件工件 。將它們代入式（將它們代入式（4 10）得）得 （411）工工件件夾夾具具刀刀具具機機床床系系kkkkk11111+=第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制 （411）由式（由式（4 11）知，工藝系統(tǒng)剛度的倒數(shù)等于系統(tǒng)）知，工藝系統(tǒng)剛度的倒數(shù)等于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)剛度的倒數(shù)之和。各組成環(huán)節(jié)剛度的倒數(shù)之和。若已知各組成環(huán)節(jié)的剛度，即可由式（若已知各組成

8、環(huán)節(jié)的剛度，即可由式（4 11）求）求得工藝系統(tǒng)剛度。得工藝系統(tǒng)剛度。工藝系統(tǒng)剛度主要取決于薄弱環(huán)節(jié)的剛度。工藝系統(tǒng)剛度主要取決于薄弱環(huán)節(jié)的剛度。 工工件件夾夾具具刀刀具具機機床床系系kkkkk11111+=第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制2. 機床剛度機床剛度機床結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，它由許機床結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，它由許多零、部件組成，其剛度值多零、部件組成，其剛度值迄今尚無合適的簡易計算方迄今尚無合適的簡易計算方法，目前主要還是用實驗方法，目前主要還是用實驗方法進行測定。法進行測定。圖圖 4 22 為采用靜測定法測為采用靜測定法測定機床剛度的示意圖。定機床剛度的示意圖。圖圖4-22

9、 車床部件靜剛度的測定車床部件靜剛度的測定剛性心軸剛性心軸螺旋加力器螺旋加力器方刀架方刀架測力環(huán)測力環(huán)第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制由此可求得主軸箱、尾座和刀架部件的剛度分別由此可求得主軸箱、尾座和刀架部件的剛度分別為：為： 刀架刀架刀架刀架尾座尾座尾座尾座yFkyFkyFkyyy ;2;2主軸主軸主軸測定機床部件剛度測定機床部件剛度k主軸主軸、k尾座尾座、k刀架刀架之后，就可之后，就可以通過計算求得機床剛度。以通過計算求得機床剛度。 第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制當(dāng)?shù)都芴幱趫D當(dāng)?shù)都芴幱趫D422所示位置所示位置時，工藝系統(tǒng)的變形量為時，工藝系統(tǒng)的

10、變形量為)(21尾尾座座主主軸軸刀刀架架系系yyyy+= 尾座尾座主軸主軸刀架刀架系系kFkFkFkFyyyy2221由剛度定義，上式可寫為由剛度定義，上式可寫為 圖圖4-22 車床部件靜剛度的測定車床部件靜剛度的測定第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制在機床剛度測量裝置中，在機床剛度測量裝置中，k夾具夾具、k工件工件、k刀具刀具相對相對較大，由式（較大，由式（411）知，）知， ，代入下式，代入下式機床機床系系kk尾座主軸刀架機床kkkk41+41+11 尾座尾座主軸主軸刀架刀架系系kFkFkFkFyyyy2221即可求得刀架處于圖即可求得刀架處于圖4-22所示中間位置時機

11、床剛所示中間位置時機床剛度與各組成部件的剛度的關(guān)系式為度與各組成部件的剛度的關(guān)系式為第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制由上述公式可知，機床剛度取決于其組成部件的由上述公式可知，機床剛度取決于其組成部件的剛度，并主要取決于薄弱部件的剛度，所以，若剛度，并主要取決于薄弱部件的剛度，所以，若要提高機床剛度則應(yīng)首先提高弱小剛度部件的剛要提高機床剛度則應(yīng)首先提高弱小剛度部件的剛度。度。3. 機床部件剛度機床部件剛度圖圖423是一臺車床刀架部件的實測剛度曲線圖，是一臺車床刀架部件的實測剛度曲線圖，曲線列出了三次加載、卸載過程中的變形情況。曲線列出了三次加載、卸載過程中的變形情況。第第四

12、四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制圖圖4-23 車床刀架部件的剛度曲線車床刀架部件的剛度曲線第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制1）變形與載荷不成線性關(guān)系，說明機床部件的）變形與載荷不成線性關(guān)系，說明機床部件的變形不純粹是彈性變形。變形不純粹是彈性變形。分析上圖所示分析上圖所示刀架剛度試驗刀架剛度試驗曲線可知，機曲線可知，機床部件剛度具床部件剛度具有以下特點：有以下特點：第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制2）卸載曲線不重合且滯后于加載曲線，說明在）卸載曲線不重合且滯后于加載曲線，說明在加載和卸載循環(huán)過程中有能量消耗。加載和卸載循環(huán)過程中有能量

13、消耗。第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制3）多次加載、卸載后，加載曲線起點才與卸載）多次加載、卸載后，加載曲線起點才與卸載曲線終點重合，說明有殘余變形存在，且殘余曲線終點重合，說明有殘余變形存在，且殘余變形隨著加、卸載次數(shù)的增加而減小。變形隨著加、卸載次數(shù)的增加而減小。第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制4）部件實測剛度遠比按實體結(jié)構(gòu)估算值小。）部件實測剛度遠比按實體結(jié)構(gòu)估算值小。 相當(dāng)于一個截面積為相當(dāng)于一個截面積為30mm30mm、懸伸長、懸伸長度為度為 200mm的鑄鐵懸臂的鑄鐵懸臂梁的剛度梁的剛度第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控

14、制 4. 影響機床部件剛度的主要因素影響機床部件剛度的主要因素（1）連接表面間的接觸變形）連接表面間的接觸變形 由于零件表面存在宏觀幾何形狀誤差和微觀幾何由于零件表面存在宏觀幾何形狀誤差和微觀幾何形狀誤差，結(jié)合面的實際接觸面積只是名義接觸形狀誤差，結(jié)合面的實際接觸面積只是名義接觸面積的一小部分。面積的一小部分。在外力的作用下，接觸面上承受的應(yīng)力很大，產(chǎn)在外力的作用下，接觸面上承受的應(yīng)力很大，產(chǎn)生接觸變形。生接觸變形。第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制 （2）摩擦力的影響）摩擦力的影響機床部件在經(jīng)過多次加載和卸載之后，卸載曲線機床部件在經(jīng)過多次加載和卸載之后，卸載曲線才回到加

15、載曲線的起點，殘留變形不再產(chǎn)生，但才回到加載曲線的起點，殘留變形不再產(chǎn)生，但此時加載曲線與卸載曲線仍不重合。此時加載曲線與卸載曲線仍不重合。其原因是機床部件受力變形過程中有摩擦力的作其原因是機床部件受力變形過程中有摩擦力的作用，加載時摩擦力阻止變形的增加，而卸載時摩用，加載時摩擦力阻止變形的增加，而卸載時摩擦力則阻止變形的恢復(fù)。擦力則阻止變形的恢復(fù)。第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制（3）薄弱零件本身的變形）薄弱零件本身的變形機床部件中，個別薄弱零件會使機床部件產(chǎn)生較機床部件中，個別薄弱零件會使機床部件產(chǎn)生較大的變形。大的變形。圖圖4-25 機床部件剛度的薄弱環(huán)節(jié)機床部件剛

16、度的薄弱環(huán)節(jié)第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制（4）間隙的影響）間隙的影響圖圖4-26 間隙對機床部件剛度的影響間隙對機床部件剛度的影響如果在正反兩個如果在正反兩個方向?qū)傃b配好方向?qū)傃b配好的一臺機床部件的一臺機床部件加載，即可得到加載，即可得到如圖如圖4-26 所示的所示的曲線。曲線。正向加載的殘留變形正向加載的殘留變形原始間隙原始間隙機床部件的間隙機床部件的間隙反向加載的殘留變形反向加載的殘留變形第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制（二）工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響（二）工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響1. 加工過程中由于工藝系統(tǒng)剛度發(fā)生變化引起的加工過

17、程中由于工藝系統(tǒng)剛度發(fā)生變化引起的誤差誤差 以在車床前后頂尖上車削光軸工件為例說明。假以在車床前后頂尖上車削光軸工件為例說明。假設(shè)工件和刀具的剛度相對較大，其變形可忽略不設(shè)工件和刀具的剛度相對較大，其變形可忽略不計，工藝系統(tǒng)的變形主要取決于機床的變形。計，工藝系統(tǒng)的變形主要取決于機床的變形。第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制 lxyy+yyyyyx主軸尾座主軸- -刀架刀架刀架刀架系系圖圖4-27 車削外圓時工藝系統(tǒng)受力變形車削外圓時工藝系統(tǒng)受力變形yF主軸主軸F尾座尾座第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制設(shè)作用在主軸箱和尾座上的徑向力分別為設(shè)作用在主軸箱

18、和尾座上的徑向力分別為F主軸主軸、F尾架尾架，不難求得：，不難求得：則有則有l(wèi)xlFFy主軸lxFFy尾座 2尾座2主軸刀架刀架系111lxklxlkkFyyyyx(412)F主軸F尾架y第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制分析上式可知，即使切削力分析上式可知，即使切削力Fy保持恒定不變，在保持恒定不變，在車削過程中工藝系統(tǒng)的變形車削過程中工藝系統(tǒng)的變形y系系也隨刀架（車刀）也隨刀架（車刀）位置位置 x 變化而改變，其結(jié)果將使工件產(chǎn)生加工誤變化而改變，其結(jié)果將使工件產(chǎn)生加工誤差。差。 22111lxklxlkkFyy尾座主軸刀架系(412)第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機

19、械加工質(zhì)量及其控制由式（由式（4-12）可求得工藝系統(tǒng)最小變形和最大變）可求得工藝系統(tǒng)最小變形和最大變形分別為：形分別為：尾座主軸刀架kkFkFyyy min系系（4-13）在圖在圖427所示車削條件下，由于工藝系統(tǒng)剛度隨所示車削條件下，由于工藝系統(tǒng)剛度隨刀架位置變化產(chǎn)生的加工誤差為刀架位置變化產(chǎn)生的加工誤差為尾座尾座主軸主軸尾座尾座系系系系kkFkFyyyyy minmax 尾座刀架系kFkFyyy max第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制yyyy第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制y第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制注意：上述公式是

20、在假設(shè)工件、刀具和夾具的剛注意：上述公式是在假設(shè)工件、刀具和夾具的剛度都很大的情況下得到的。如果工件的剛度較小度都很大的情況下得到的。如果工件的剛度較小時，工件本身的變形在工藝系統(tǒng)的總變形中就不時，工件本身的變形在工藝系統(tǒng)的總變形中就不能忽略不計，此時能忽略不計，此時 EIlxxllxklxlkkyFky311112222 尾尾座座主主軸軸刀刀架架系系系系（415） 第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制2. 由于切削力變動引起的加工誤差由于切削力變動引起的加工誤差 加工過程中，由于毛坯加工余量發(fā)生變化或工件加工過程中，由于毛坯加工余量發(fā)生變化或工件材質(zhì)不均等因素引起切削力的變

21、化，會使工藝系材質(zhì)不均等因素引起切削力的變化，會使工藝系統(tǒng)的變形發(fā)生變化，統(tǒng)的變形發(fā)生變化，圖圖4-28 毛坯形狀誤差的復(fù)映毛坯形狀誤差的復(fù)映 從而產(chǎn)生加工誤差。從而產(chǎn)生加工誤差。圖圖428所示為車削一所示為車削一具有橢圓形狀誤差的具有橢圓形狀誤差的毛坯。毛坯。第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制待加工表面上有什么樣的誤差，已加工表面上必待加工表面上有什么樣的誤差，已加工表面上必然也有同樣性質(zhì)的誤差，這就是切削加工中的誤然也有同樣性質(zhì)的誤差，這就是切削加工中的誤差復(fù)映現(xiàn)象。差復(fù)映現(xiàn)象。待加工表面待加工表面理想的已理想的已加工表面加工表面實際的已實際的已加工表面加工表面第第四四

22、章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制加工后與加工前的誤差之比值加工后與加工前的誤差之比值 ，稱為誤差復(fù)映，稱為誤差復(fù)映系數(shù)，它代表誤差復(fù)映的程度。即系數(shù)，它代表誤差復(fù)映的程度。即)(p21p21p2p121aakFFaayyyy 系系待加工面待加工面已加工面已加工面 （416） 如進給運動方向與機床主軸平行，則如進給運動方向與機床主軸平行，則 PPcPPFnyxFyKfaCFFPFPFPF 第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制在一次走刀中，工件材料的力學(xué)特性、進給量及在一次走刀中，工件材料的力學(xué)特性、進給量及其它切削條件基本不變，令其它切削條件基本不變，令 ，在車削

23、加工中，在車削加工中，xFp1，故故CKfCFncyFPFPF PP 系系系系kCaakaaC )()(p2p1p2p1 （417） PcPPPPCaKfaCFFFnyxFyPFPFPF 經(jīng)整理經(jīng)整理第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制分析式分析式 可知，可知， 與與k系系成反比。這表明工成反比。這表明工藝系統(tǒng)剛度愈大，誤差復(fù)映系數(shù)愈小，加工后復(fù)藝系統(tǒng)剛度愈大，誤差復(fù)映系數(shù)愈小，加工后復(fù)映到工件上的誤差值就愈小。映到工件上的誤差值就愈小。尺寸誤差和形位誤差都存在復(fù)映現(xiàn)象。如果我們尺寸誤差和形位誤差都存在復(fù)映現(xiàn)象。如果我們知道某加工工序的復(fù)映系數(shù)，就可以通過測量待知道某加工工序

24、的復(fù)映系數(shù)，就可以通過測量待加工表面的誤差統(tǒng)計值來估算加工后工件的誤差加工表面的誤差統(tǒng)計值來估算加工后工件的誤差統(tǒng)計值。統(tǒng)計值。系系kC 第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制當(dāng)工件表面加工精度要求高時，須經(jīng)多次切削才當(dāng)工件表面加工精度要求高時，須經(jīng)多次切削才能達到加工要求。能達到加工要求。第一次切削的復(fù)映系數(shù)為第一次切削的復(fù)映系數(shù)為第二次切削的復(fù)映系數(shù)為第二次切削的復(fù)映系數(shù)為第三次切削的復(fù)映系數(shù)為第三次切削的復(fù)映系數(shù)為待待加加工工表表面面加加工工表表面面 11 122加加工工表表面面加加工工表表面面 233加加工工表表面面加加工工表表面面 第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機

25、械加工質(zhì)量及其控制則該加工表面總的復(fù)映系數(shù)則該加工表面總的復(fù)映系數(shù)n321總總因每個復(fù)映系數(shù)均小于因每個復(fù)映系數(shù)均小于1，故總的誤差復(fù)映系數(shù)，故總的誤差復(fù)映系數(shù)將是一個很小的數(shù)值。將是一個很小的數(shù)值。綜上所述可知：走刀次數(shù)（或工序數(shù)）愈多，總綜上所述可知：走刀次數(shù)（或工序數(shù)）愈多，總誤差復(fù)映系數(shù)誤差復(fù)映系數(shù)愈小，零件的形狀精度愈高。愈小，零件的形狀精度愈高。（4-18）第第四四章章 機械加工質(zhì)量及其控制機械加工質(zhì)量及其控制但走刀次數(shù)的增多會使切削時間增加，導(dǎo)致生產(chǎn)但走刀次數(shù)的增多會使切削時間增加，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低和加工成本上升。效率降低和加工成本上升。可根據(jù)零件所要求的形狀精度和毛坯的實際情況可根據(jù)零件所要求的形狀精度和毛坯的實際情況來選擇工藝系統(tǒng)剛度及走刀次數(shù)，也可以根據(jù)現(xiàn)來選擇工藝系統(tǒng)剛度及走