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(gè)方面。具體要點(diǎn)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(duì)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(lèi)；分布曲線(xiàn)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(shí)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(shí)際幾何參數(shù)對(duì)理想幾何參數(shù)的偏離程度稱(chēng)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(guò)分析計(jì)算或?qū)嶒?yàn)、測(cè)試等方法，研究某一確定因素對(duì)加工精度的影響。一般不考慮其它因素的同時(shí)作用，主要是分析各項(xiàng)誤差單獨(dú)變化規(guī)律)。二是統(tǒng)計(jì)分析法(運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)生產(chǎn)中一批工件的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)理處理，用以控制工藝過(guò)程的正常進(jìn)行。主要是研究各項(xiàng)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(chēng)為原始誤差。原始誤差的分類(lèi)歸納如下：圖7.1為活塞銷(xiāo)孔精鏜工序中的各種原始誤差：圖7.2以車(chē)削為例說(shuō)明原始誤差與

3、加工誤差的關(guān)系*圖中實(shí)線(xiàn)為刀尖正確位置，慮線(xiàn)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(shí),法向加工誤差大,而切向加工誤差極小,以致可以忽略不計(jì)。因此把對(duì)加工誤差影響最大的那個(gè)方向（即加工表面的法線(xiàn)方向）稱(chēng)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(yùn)動(dòng)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(kāi)線(xiàn)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(shí)際齒形不是漸開(kāi)線(xiàn)，而是一條折線(xiàn)）。7.2.2.機(jī)床誤差機(jī)床誤差是指在無(wú)切削負(fù)荷下，來(lái)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(lèi)型)純徑向跳動(dòng)：實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)始終平行于理想回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)，在一個(gè)平面內(nèi)作等幅的跳動(dòng)。純軸向跳動(dòng)：實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)始終沿理想回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)作等幅的竄動(dòng)。純角度擺動(dòng)：實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與理想回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)始終成一傾角，在一個(gè)平面上作幅擺動(dòng)，且交點(diǎn)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(dòng)軸承的幾何誤差)主軸回轉(zhuǎn)誤差對(duì)加工精度的影響不同型式的

5、主軸回轉(zhuǎn)誤差對(duì)加工精度的影響是不同的；而同一類(lèi)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(chē)削時(shí)純徑向跳動(dòng) 圖7.6 鏜孔時(shí)純徑徑向跳動(dòng) 圖7.7 主軸軸向竄動(dòng) 圖7.8 純角度擺動(dòng)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(xiàn)度誤差臥式車(chē)床或外圓磨床的導(dǎo)軌垂直面內(nèi)有直線(xiàn)度誤差(圖7.9(a)，是誤差非敏感方向，可忽略不計(jì)。平面磨床、龍門(mén)刨床這時(shí)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(xiàn)度誤差，見(jiàn)圖7.9(b)圖7.9 導(dǎo)軌的直線(xiàn)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(jiàn)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(chē)床，外圓磨床。因此這項(xiàng)原始誤差對(duì) 加工精度的影響不能忽略導(dǎo)軌與主軸回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的平行度誤差若車(chē)床導(dǎo)軌與主軸回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)在水平面內(nèi)有平行誤差，車(chē)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(xiàn)回轉(zhuǎn)體(圖7.11)，因誤差非敏感方向故可略圖7.11 車(chē)床導(dǎo)軌與主軸回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)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(dòng)鏈誤差 傳動(dòng)鏈誤差是指機(jī)床內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈?zhǔn)寄﹥啥藗鲃?dòng)元件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(chē)細(xì)長(zhǎng)軸，圖7.12(b)車(chē)削粗短工件時(shí)，圖7.12c所示在車(chē)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(shí)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(chēng)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(cè)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(diǎn)，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(jiǎn)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(gè)零件小，一般用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。圖7.15和圖7.16為實(shí)驗(yàn)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(chē)床刀架、頭尾架單向靜剛度測(cè)度）圖7.16 車(chē)床刀架靜剛度曲線(xiàn)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(duì)加工精度的影響*切削過(guò)程中力作用位置的變化

9、對(duì)加工精度的影響(見(jiàn)圖7.18)圖7.18 車(chē)床受力變形的組成工藝系統(tǒng)剛度在沿工件軸向的各個(gè)位置是不同的。所以加工后工件各個(gè)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(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生如圖7.12(a)呈鼓形的加工誤差。工件粗而短時(shí)，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(shí)工藝系統(tǒng)受力變形隨受力點(diǎn)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(shí)的變形切削過(guò)程中受力大小變化對(duì)加工精度的影響圖7.20為車(chē)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(xiàn)位置)，在工件的每一轉(zhuǎn)中切深由毛坯長(zhǎng)半徑的最大值變化到短半徑的最小值時(shí)，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(duì)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(duì)加工精度的影響 圖7.21(a)是車(chē)床的熱變形趨勢(shì)，圖7.21(b)萬(wàn)能銑床的熱變形趨勢(shì)。 圖7.21 幾種機(jī)床的勢(shì)變形趨勢(shì)7.2.4.2.刀具的熱變形對(duì)加工精度的影響 刀具熱變形的熱源是切削熱，圖7.22，車(chē)刀的熱伸長(zhǎng)中連續(xù)工作曲線(xiàn)A 7.2.4.3.工件的熱變形對(duì)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(shí)，由于走刀行程短，可忽略軸向熱變形引起的誤差；當(dāng)車(chē)削較長(zhǎng)零

11、件時(shí)，在沿零件軸向位置上切削時(shí)間有先后，開(kāi)始切削時(shí)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(shí)零件直徑增量最大，因此車(chē)刀的切深隨走刀而逐漸增大，零件冷卻之后會(huì)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(jì)分析7.3.1.加工誤差的分類(lèi)*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(chēng)偶然誤差)。7.3.1.1.系統(tǒng)誤差在連續(xù)加工一批零件時(shí)，加工誤差的大小和方向基本上保持不變，稱(chēng)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(chēng)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(huì)引起常值

12、系統(tǒng)誤差。刀具的正常磨損是隨著加工過(guò)程(或加工時(shí)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(guò)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(chēng)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(xiàn)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(chēng)作樣本)，進(jìn)行加工尺寸X的測(cè)量、記錄，并作圖即實(shí)際分布曲線(xiàn)，如圖7.25(a)。樣表及分組數(shù)見(jiàn)表7.2圖7.25 分布曲線(xiàn) 表7.2

13、 分組數(shù)的推薦值7.3.2.1.正態(tài)分布曲線(xiàn)方程實(shí)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(méi)有任何優(yōu)勢(shì)的傾向時(shí)，其分布是服從正態(tài)分布曲線(xiàn)(又稱(chēng)高斯曲線(xiàn))的，如圖7.25(b)。正態(tài)分布曲線(xiàn)方程式為；式中 ：正態(tài)分布的概率密度。：正態(tài)分布曲線(xiàn)的均值 ：正態(tài)分布曲線(xiàn)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(jì)值。7.3.2.2.正態(tài)分布曲線(xiàn)的特性由圖7.25(b)可見(jiàn)，在處達(dá)到極大值；在時(shí)，曲線(xiàn)以軸為其漸近線(xiàn)，曲線(xiàn)成鐘形。正態(tài)分布曲線(xiàn)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(xiàn)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(shí)，則曲線(xiàn)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(xiàn)下面C、D兩點(diǎn)之間的面積代表加工零件的合格率。曲線(xiàn)下面其余部分面積(圖上無(wú)陰影線(xiàn)的部分)則為廢品率(在加工外圓時(shí)，圖上左邊無(wú)陰影線(xiàn)部分相當(dāng)不可修復(fù)的廢品，右邊的無(wú)陰影線(xiàn)部分則為可修復(fù)的廢品；在加工內(nèi)孔時(shí)，則恰好相反)。我們采用表7.3的積分表(在實(shí)際應(yīng)用時(shí)表中的可用代替)來(lái)求合格率等。從表中可以查出時(shí)，即工件尺寸在以外的頻率只占，可以忽略不計(jì)。因此，一般都取正態(tài)分布曲線(xiàn)的分散范圍為。 表7.3正態(tài)分布曲線(xiàn)下的面積函數(shù)(或)在研究加工誤差時(shí)是一

15、個(gè)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(lái)衡量工藝能力： 將工藝分五級(jí)：為特級(jí)，說(shuō)明工藝能力過(guò)高，不一定經(jīng)濟(jì)；為一級(jí)，說(shuō)明工藝能力足夠，可以允許一定的波動(dòng)； 為二級(jí)，說(shuō)明工藝能力勉強(qiáng)，必須密切注意；為三級(jí)，說(shuō)明工藝能力不足，可能出少量不合格；為四級(jí)，說(shuō)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(xiāo)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(cè)量尺寸、分組間隔、頻率見(jiàn)表7.4。求實(shí)際分布曲線(xiàn)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(jiàn)。 圖7.29 活塞銷(xiāo)孔直徑尺寸實(shí)際分布圖 表7.4 活

16、塞銷(xiāo)孔直徑測(cè)量結(jié)果解：以組中值代替組內(nèi)零際值，繪制圖7.29為實(shí)際分布曲線(xiàn)。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(chēng)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(jí)工藝能力廢品率：由；查表7.3可得；實(shí)測(cè)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(shí)際分布曲線(xiàn)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(shuō)實(shí)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(diǎn)圖法(簡(jiǎn)介)分布曲線(xiàn)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(lái)；而且分布曲線(xiàn)只有在一批零件加工完后才能繪出來(lái)，因此不能在加工進(jìn)行過(guò)程中為控制工藝過(guò)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(diǎn)圖法可以彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)。點(diǎn)圖法的要點(diǎn)：以零件加工的先后順序作出尺寸的變化圖，揭示整個(gè)加工過(guò)程誤差變化的全貌。以加工零件順序號(hào)為橫坐標(biāo)，零件加工后測(cè)量所得的尺寸為縱坐標(biāo)，畫(huà)成點(diǎn)圖(如圖7.30所示)。點(diǎn)位圖可以在加工過(guò)程中用來(lái)估計(jì)工件尺寸的變化趨勢(shì)，并決定機(jī)床重新調(diào)整的時(shí)間(圖7.30例中50號(hào)工件時(shí)) 圖7.3

18、0 自動(dòng)車(chē)床加工的點(diǎn)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(duì)其直接進(jìn)行削除或減弱(例如細(xì)長(zhǎng)軸的車(chē)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(pán)加工中用了后頂尖支承。采用圖7.33(b)裝夾法，整個(gè)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(shí)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。或用一種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(mén)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(shí)故意使導(dǎo)軌面產(chǎn)生向上的幾何形狀誤差。)圖7.34 龍門(mén)刨床橫梁導(dǎo)軌變形7.4.3.誤差分組法毛坯誤差對(duì)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(lái)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(chǎng)加工齒輪，產(chǎn)生了剃齒時(shí)心軸與工件定位孔的配合間隙問(wèn)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(dòng)

20、超差。同時(shí)剃齒時(shí)也容易產(chǎn)生振動(dòng)，引起齒面波度，使齒輪工作時(shí)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(jí)精度，不宜提高。為此，夾具采用了多檔尺寸的心軸，對(duì)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(shí)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(shí)經(jīng)常采用，當(dāng)鏜床主軸線(xiàn)與導(dǎo)軌有平行度誤差時(shí)，鏜桿與主軸之間采用浮動(dòng)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(mén)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(lái)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(chē)床制造中，轉(zhuǎn)塔六個(gè)安裝刀架的大孔及端面(