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1、4.2 4.2 影响加工精度的因素影响加工精度的因素Factors Affecting Machining AccuracyFactors Affecting Machining Accuracy内容提要：内容提要：机床误差机床误差工艺系统受力变形引起加工误差工艺系统受力变形引起加工误差工艺系统热变形引起的加工误差工艺系统热变形引起的加工误差工件内应力引起的变形工件内应力引起的变形基本概念基本概念工艺系统：工艺系统：机床机床夹具夹具刀具刀具工件构成的一个完整的系统。工件构成的一个完整的系统。举例：车削加工举例：车削加工 工件夹具车床主轴（旋转运动）工件夹具车床主轴（旋转运动）刀具刀架（横向纵向
2、滑动）刀具刀架（横向纵向滑动）原始误差：原始误差：工艺系统的种种误差，是造成零件加工误差的根源。又工艺系统的种种误差，是造成零件加工误差的根源。又称为称为机械加工误差。机械加工误差。误差分类（按机械加工过程分类）：误差分类（按机械加工过程分类）：加工前的误差加工前的误差 加工中的误差加工中的误差 加工后的误差加工后的误差机械加工误差列表机械加工误差机械加工误差机械加工误差机械加工误差 加工中的误差加工中的误差加工中的误差加工中的误差工工工工艺艺艺艺系系系系统统统统受受受受力力力力变变变变形形形形工工工工艺艺艺艺系系系系统统统统受受受受热热热热变变变变形形形形刀刀刀刀具具具具磨磨磨磨损损损损加工
3、后的误差加工后的误差加工后的误差加工后的误差度度度度量量量量误误误误差差差差内内内内应应应应力力力力引引引引起起起起的的的的变变变变形形形形加工前的误差加工前的误差加工前的误差加工前的误差原原原原理理理理误误误误差差差差机机机机床床床床误误误误差差差差安安安安装装装装误误误误差差差差刀刀刀刀具具具具夹夹夹夹具具具具误误误误差差差差调调调调整整整整误误误误差差差差原理误差原理误差Principle error概念：概念：加工过程中，由于采用了加工过程中，由于采用了近似的加工运动近似的加工运动或或近似的刀具近似的刀具形状形状而产生的加工误差。而产生的加工误差。采用近似加工运动的目的：使机床结构不致
4、太复杂，比较经济。采用近似加工运动的目的：使机床结构不致太复杂，比较经济。采用近似的刀具形状：便于刀具制造或精度保证。采用近似的刀具形状：便于刀具制造或精度保证。实例分析实例分析1 1：在车床上车削蜗杆：在车床上车削蜗杆实例分析实例分析2 2：在铣床上用模数铣刀加工渐开线齿轮：在铣床上用模数铣刀加工渐开线齿轮实例分析实例分析3 3：复杂轮廓曲面的加工，数控插补误差：复杂轮廓曲面的加工，数控插补误差车削蜗杆：车削蜗杆：用阿基米德蜗杆来代替渐开线基本蜗杆，方便制造，但会产生原理误差。用模数铣刀铣齿轮时的齿形误差用模数铣刀铣齿轮时的齿形误差 机床几何误差the geometry error of m
5、achine tool 包含三个方面：包含三个方面：机床制造误差；机床安装误差；机床磨损误差。机床制造误差；机床安装误差；机床磨损误差。机床几何误差中对加工精度影响较大的误差有：机床几何误差中对加工精度影响较大的误差有：1 1、主轴回转误差（主轴轴线对导轮平行度；回转精度）、主轴回转误差（主轴轴线对导轮平行度；回转精度）2 2、导轨误差（平行度；直线度）、导轨误差（平行度；直线度）3 3、传动链误差（主轴到丝杠间传动精度）、传动链误差（主轴到丝杠间传动精度）导轨误差导轨误差Guideway Error导轨：导轨：确定主要部件相对位置的基准，也是尾架、溜板箱等部件移动的基准。导轨误差：导轨误差：
6、形状误差位置误差：c、两导轨间的平行度误差（扭曲）影响分析：影响分析：a使刀尖水平面内产生y位移，影响工件表面圆柱度 b使刀尖水平面内产生z位移，影响？c影响工件圆柱度a、导轨在水平面内的直线度误差b、导轨在垂直面内的直线度误差导轨在水平面内的直线度误差导轨在水平面内的直线度误差linearity error of guideway in horizontal surface 如图示：如图示：1影响：影响：直接反映在被加直接反映在被加工表面的法方向工表面的法方向y上（加上（加工误差的敏感方向），工误差的敏感方向），此误差对加工精度影响此误差对加工精度影响最大。最大。由图：由图：41R11导轨在
7、垂直面内的直线度误差导轨在垂直面内的直线度误差linearity error of guide way in normal surface 如图示：如图示：2 2影响：影响：可引起被加工可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差。工件的形状误差和尺寸误差。但但2对加工精度的影响要比对加工精度的影响要比1小得多。小得多。R222/(2R)推导：推导：obcobc可视为等腰可视为等腰abdabd=90=90o o-(180-(180o o-)/2-)/2=/2,=/2,因因很小，故很小，故R R2 2 2 2 /2/2 222 2/(2R)/(2R)误差敏感方向：误差敏感方向：加工表面法向，原始误差引起
8、的加工误差最大。误差敏感方向误差敏感方向误差非敏感方向误差非敏感方向两两导轨间的平行度误差（扭曲）导轨间的平行度误差（扭曲）the parallelism error between two rail(distortion)影响：刀架运动时产生摆动，刀尖运动是一条空间曲线，使工件产生形状误差。计算：y :H 3:B H车床中心高 B导轨宽度 Note:通常车床的H/B2/3，可见车床前后导轨的平行度 误差对加工精度的影响很大。其他导轨误差其他导轨误差除了导轨本身的制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也使造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。提高导轨直线运动精度的措施
9、提高导轨直线运动精度的措施合理的导轨形状和组合形式合理的导轨形状和组合形式改善制造精度、接触精度和改善制造精度、接触精度和精度保持性精度保持性 采用静压导轨采用静压导轨90o 双三角导轨双三角导轨适当加长工作台适当加长工作台配磨、刮研配磨、刮研 耐耐磨损磨损均化作用均化作用 防防磨损磨损成形运动之间的相互关系精度成形运动之间的相互关系精度圆柱面成圆柱面成为双曲面为双曲面平面成为平面成为内凹或外凸内凹或外凸圆柱面成圆柱面成为圆锥面为圆锥面车削时车削时：刀具直线运动与工件刀具直线运动与工件回转轴线不垂直回转轴线不垂直刀具与工件回转轴线刀具与工件回转轴线在空间交错不平行在空间交错不平行刀具与工件回转
10、轴刀具与工件回转轴线在线在zx面内不平行面内不平行d-d 成形运动间位置关系的影响与控制成形运动间位置关系的影响与控制镗削时镗削时：若工件直线进给运动与镗杆回转轴线不平行若工件直线进给运动与镗杆回转轴线不平行铣削时铣削时：若端铣刀回转轴线与工作台直线进给运动不垂直若端铣刀回转轴线与工作台直线进给运动不垂直移位加工可使误差从移位加工可使误差从 减小至减小至移位方向移位方向圆孔成为椭圆孔圆孔成为椭圆孔平面下凹平面下凹 提高提高成形运动间成形运动间相互位置关系精度的措施相互位置关系精度的措施 使用几何精度高的机床（决定因素）使用几何精度高的机床（决定因素）保证高精度的零部件制造、总装调试和维修保证高
11、精度的零部件制造、总装调试和维修 误差检测与补偿误差检测与补偿 成形运动间速度关系的影响与控制成形运动间速度关系的影响与控制 车、磨螺纹以及滚齿、插齿、磨齿等加工，要求各成形运车、磨螺纹以及滚齿、插齿、磨齿等加工，要求各成形运动之间具有准确的速度关系动之间具有准确的速度关系 滚齿机滚齿机速度关系误差对加工精度的影响速度关系误差对加工精度的影响 各各传传动动件件传传动动误误差差对对工工件精度影响的总和为：件精度影响的总和为：影响影响速度关系精度的因素速度关系精度的因素 机床传动链中各传动元件的机床传动链中各传动元件的制造误差制造误差、装配误差装配误差以及以及磨损磨损等，都会破坏正确的运动关系，造
12、成工件和等，都会破坏正确的运动关系，造成工件和刀具运动相对速度的不准确，从而产生加工误差。刀具运动相对速度的不准确，从而产生加工误差。在在降速链中的低速传动件误差的影响最大。降速链中的低速传动件误差的影响最大。提高成形运动间速度关系精度的措施提高成形运动间速度关系精度的措施 （1 1）尽量减少传动件数目，缩短传动链长度尽量减少传动件数目，缩短传动链长度 （2 2）采用降速传动（）采用降速传动（i1）（3 3）保证高精度的传动零部件制造、总装调试和维修）保证高精度的传动零部件制造、总装调试和维修 （4 4）传动误差检测与补偿）传动误差检测与补偿 主轴回转误差主轴回转误差 the rotary e
13、rror of spindle机床主轴：机床主轴：是装夹工件或刀具的基准，并将运动和动力传给工件或刀具。机床主轴结构：机床主轴结构：一般为多阶梯轴结构，其支承也常为多支承系统。如图：如图：为某机床主轴的三支承系统，受力为P1,P2,力矩m1,设计结构（分七段）。过去多采用经验和直观方法设计，主要考虑“安全寿命可行性”，而现在多采用有限元和优化设计理论进行设计。机床主轴的支承机床主轴的支承The supporting of the machine tool spindle结构分类：结构分类：滑动轴承适合转速高、冲击大和有振动的场合；结构多为剖分式。滚动轴承摩擦损耗小，维护简单。主轴回转误差主轴回
14、转误差the rotary error of spindle主轴回转误差主轴回转误差:指主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。它可分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种基本形式。影响：影响：被加工工件的精度（形状、位置精度）和表面粗糙度。产生主轴径向回转误差的主要原因：产生主轴径向回转误差的主要原因：主轴几段轴颈的同轴度误差轴承本身的各种误差（内、外环和滚动体误差）轴承之间的同轴度误差主轴挠度Note:它们对主轴径向回转精度的影响大小随加工方式的不同而不同。下面将举例说明。滑动轴承结构the structure of sliding bearing分两类分两类讨论：讨论：（1
15、1）工件旋转类机床（车、磨）：）工件旋转类机床（车、磨）：切削力方向基本不变，主轴受力方向基本稳定，主轴轴颈不同部位被压向轴承的表面的某个部位。主轴轴颈误差直接传给工件，造成工件圆度误差轴承孔误差对加工精度影响很小。（2）刀具回转类机床（钻、铣、镗）：）刀具回转类机床（钻、铣、镗）：主轴所受切削力方向随刀具旋转而变化。轴承孔圆度误差传给工件轴颈误差影响不大注意：在设计制造中，应根据具体要求，分别对主轴颈和轴承孔提出相应圆度公差以及二者间配合间隙情况。滚动轴承结构滚动轴承结构the structure of rolling bearing分析：切削过程中，主轴与内环一起转动，主轴回转精度与以下因
16、素相关：（1）内、外环滚道的圆度误差（2）内外环壁厚差（因壁薄易变形）（3）滚动体的尺寸差及圆度差影响主轴回转精度因素：影响主轴回转精度因素：影响主轴回转精度因素：影响主轴回转精度因素：a、滚动轴承精度b、轴承配合件（主轴轴颈、箱体上的孔）的精度采用滑动轴承时的径向圆跳动分析采用滑动轴承时的径向圆跳动分析Radial round pulsate analysis using sliding bearing 举例1：在采用滑动轴承结构为主轴的车床上车削外圆时，切削力F的作用方向可认为大体上时不变的。车、磨、车、磨、工件转工件转 在切削力F的作用下，主轴颈 以不同的部位和轴承内径的某 一固定部位相
17、接触，此时主轴 颈的圆度误差对主轴径向回转 精度影响较大，而轴承内径的 圆度误差对主轴径向回转精度 的影响则不大。采用滑动轴承时的径向圆跳动分析采用滑动轴承时的径向圆跳动分析Radial round pulsate analysis using sliding bearing举例2：在镗床上镗孔时，由于切削力F的作用方向随着主轴的回转而回转。钻、铣、镗钻、铣、镗刀具转刀具转在切削力F的作用下，主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，因此，轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大。图中的d表示径向跳动量。主轴轴向窜动对加工精度的影响主轴轴向窜动
18、对加工精度的影响产生主要原因产生主要原因:是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。影响：影响：（1）对内、外圆加工没影响，但加工的端面则与内、外圆面不垂直(下图a)。（2）加工螺纹时，主轴的轴向窜动将使单个螺距产生周期误差（b）。主轴回转纯角度摆动对加工精度的影响主轴回转纯角度摆动对加工精度的影响主轴回转时的纯角摆动，在车削外圆时仍然可以得到一个圆形工件，但工件是一个圆锥体。在镗床上镗孔时，镗出的孔则为椭圆形。见动画。提高主轴回转精度的途径提高主轴回转精度的途径ways to raise the rotary precision of spindle1 1、设计和制造高回转精度
19、的主轴部件、设计和制造高回转精度的主轴部件 关键：提高轴承精度 用精密滚动轴承并加预载，消除间隙、提高刚度；改进滑动轴承结构（短三瓦自位轴承）；使用液、气静压轴承，刚度高、精度高、工艺性好。举例：滚动轴承支承，工件圆度最高可达0.6m；而采用静压滑动轴承支承，工件圆度最高可达0.5 m 2 2、使回转精度不依赖于机床主轴或者使回转精度不依赖于机床主轴或者隔离主轴回转误差的影响隔离主轴回转误差的影响 举例：在外圆磨床上采用死顶尖磨削外圆，由拨销带动工件转动，只需修磨顶尖孔，以以提高两中心孔质量（形状精度和两孔同轴度）；另外，采用镗模，或者采用无心磨加工。短三瓦自位轴承每一个滑动轴承由三块扇形轴瓦
20、组成。每块轴瓦都支承在球面支承螺钉的球面上。调节球面支承螺钉的位置，即可调整轴承的间隙（通常间隙为0.0150.025mm）。短三瓦轴承是动压型液体滑动轴承。的回转精度和刚度 较高。采用固定顶尖磨削外圆采用固定顶尖磨削外圆用镗床夹具（镗模）镗孔用镗床夹具（镗模）镗孔一般镗模是由定位元件、夹紧装置、引导元件（镗套）和夹具体（镗模支架和镗模底座）四部分组成。镗车床尾架孔镗模1支架2镗套3、4定位板5、8压板6夹紧螺钉7可调支承钉9镗刀杆10浮动接头镗模的两个支承分别设置在刀具的前方和后方，镗刀杆 9 和主轴浮动联接。工件以底面槽及侧面在定位板 3、4 及可调支承钉 7 上定位，采用联动夹紧机构，拧
21、紧夹紧螺钉 6，压板 5、8 同时将工件夹紧。镗模支架 1 上用回转镗套 2 来支承和引导镗杆。镗模以底面 A 安装在机床工作台上，其位置用 B 面找正。工件不用顶尖来定心和支承，而是直接将工件放在砂轮子和导轮子之间，由托板支承，工件被磨削的外圆面作定位面。刀具的几何误差the geometry error of cutting tool刀具误差刀具误差：含制造和磨损两个方面。制造对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同：制造对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同：采用定尺寸刀具（钻头、铰刀、内孔拉刀等）成形刀具展成刀具加工时，刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度；而对一般刀具（如车刀、刨刀等
22、），其制造误差对工件加工精度无直接影响。定尺寸刀具，刀具精度尺寸直接影响工件尺寸精度展成法刀具（滚、插齿）：切削刃形、安装调制不正确都会影响加工表面形状精度。刀具磨损对加工精度的影响刀具磨损对加工精度的影响 刀具在切削过程中磨损会引起工件尺寸和形状地改变。车削外圆时，刀具的逐渐磨损会使工件产生锥度误差（如图）。夹具的制造误差对加工精度的影响夹具的制造误差对加工精度的影响举例：举例：如右图钻床夹具中，（1）钻套轴心线f至夹具定位平面c间的距离误差，影响工件孔a至底面B尺寸L的精度；（2）钻套轴心线f至夹具定位平面c间的平行度误差，影响工件孔轴心线a至底面B的平行度；夹具的制造误差对加工精度（特别
23、是位置精度）影响很大。（3）夹具定位平面c与夹具体底面d底的垂直度误差，影响工件孔轴心线a与底面B间的尺寸精度和平行度；（4）钻套孔的直径误差亦将影响工件 孔a至底面B的尺寸精度和平行度。工艺系统受力变形引起的加工误差工艺系统受力变形引起的加工误差工艺系统受力变形：工艺系统受力变形：在切削过程中，工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，所产生相应的变形。影响：影响：受力变形破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。加工时工件或夹具变形，加工后产生误差加工时工件或夹具变形，加工后产生误差单爪拨动单爪拨动，使主轴受力方向改变，瞬时回转中，使主轴受力方向改变，瞬时
24、回转中心变动心变动运动部件自重引起结构件变形且随运动而不断运动部件自重引起结构件变形且随运动而不断变化变化高速运动过程中由于质量不均引起有关环高速运动过程中由于质量不均引起有关环节变形节变形接触变形造成测量误差接触变形造成测量误差夹紧力夹紧力传动力传动力重力重力惯性力惯性力测量力测量力切削力切削力力的变化使工艺系统产生复杂变形力的变化使工艺系统产生复杂变形变形及影响举例变形及影响举例图图a:车细长轴时，工件在切削力的作用下会发生变形，使加工出的轴出现中间粗两头细的情况；图图b:在内圆磨床上进行切入式磨孔时,由于内圆磨头轴比较细，磨削时因磨头轴受力变形，而使工件孔呈锥形。基本概念基本概念工艺系统
25、刚度工艺系统刚度k k系系：垂直作用于工件加工表面（加工误差敏感方向）的径向切削分力Fy与工艺系统在该方向上的变形y之间的比值。k系=Fy/yNOTE:NOTE:(1)式中的变形y不只是由径向切削分力Fy所引起，垂直切削分力Fz与走刀方向切削分力Fx也会使工艺系统在y方向产生变形，故 y=yFx+yFy+yFz.(2)本处只研究静刚度。工艺系统刚度组成组成组成工件刚度（可计算）工件刚度（可计算）刀具刚度（可计算）刀具刚度（可计算）机床刚度（实验测定）机床刚度（实验测定）夹具刚度（实验测定）夹具刚度（实验测定）刚度分析刚度分析Stiffness Analysis工件刚度分析工件刚度分析：如果相对
26、于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚度不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大，其最大变形量可按材料力学有关公式估算。刀具刚度分析：刀具刚度分析：外圆车刀在加工表面法线（y）方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。刀杆变形也可以按材料力学有关公式估算。刚度分析刚度分析机床部件刚度曲线具有以下特点机床部件刚度曲线具有以下特点 （1）变形与载荷不成线性关系；（2）加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线。两曲线线间所包容的面积就是载加载和卸载循环中所损耗的能量，它消耗于摩擦力所作的功和接触变形功 （3
27、）第一次卸载后，变形恢复不到第一次加载的起点，这说明有残余变形存在，经多次加载卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零；（4）机床部件的实际刚度远比我们按实体估算的要小。图4-27车床刀架的静刚度特性曲线(a)一次加载(b)二次加载(c)三次加载2、影响机床部件刚度的因素、影响机床部件刚度的因素（1）连接表面间的接触变形 （2）薄弱零件本身的变形（图429）（3）结合面间隙的影响（图428）（4）零件间摩擦力的影响（1 1）连接表面间的接触变形）连接表面间的接触变形:零件表面都有一定的形状误差和表面粗糙度，故零件间的实际接触面积，仅是名义接触面积的一小部分。而真正接触的
28、又只是这部分面积中表面粗糙度形成的若干凸峰。在外力作用下，这些接触点产生了较大的应力和变形。这种接触变形中不仅有表面层的弹性变形，还有局部的塑性变形，故造成部件的刚度曲线不呈直线，也是部件刚度远比实体零件刚度低的原因之一。接触表面的塑性变形还导致残余变形。经多次加载、卸载后才趋于稳定。出现残余变形的另一原因是接触面之间存在油膜，经过几次加载后才能逐渐排除，这种现象在滑动轴承副中较为明显。影响机床部件刚度的因素影响机床部件刚度的因素影响机床部件刚度的因素影响机床部件刚度的因素（2 2）薄弱零件本身的变形薄弱零件本身的变形:如刀架及车床溜板中常用的楔铁，结构薄而长，刚度很差，不易加工得很平直，装配
29、后接触面积小，在外力作用下易产生较大的变形（图4-29（a），使部件刚度降低。图4-29（b）所示为轴承套和轴颈及箱体孔的接触情况，轴承衬套形状误差造成的局部接触使轴承套受力后产生较大变形，因而降低了轴承的刚度。图4-29 机床部件中的薄弱环节(a)锲铁与导轨面；（b)轴承衬套与壳体间隙的影响间隙的影响:图4-28为在正、反两个方向上交替加载、卸载所实测的刚度曲线，图中yc为残留变形。在实际加工中，若仅是单向受力（如车削），零件间的间隙对部件刚度没有什么影响。若用镗刀加工孔时，刀杆受力方向经常改变，则间隙引起的变形对加工精度有着较大的影响。不过，机床在运转过程中，随着零件的温升，连接面间的间隙
30、逐渐减小会使刚度增大。图4-28 间隙对刚度曲线的影响摩擦力的影响摩擦力的影响:在加载时零件接触面间的摩擦力阻止变形的增加，卸载时摩擦力阻止变形的回复。这也是图4-27中加载、卸载曲线不一致的原因之一。图4-27车床刀架的静刚度特性曲线(a)一次加载；(b)二次加载；(c)三次加载1.1.切削力大小变化对加工精度的影响切削力大小变化对加工精度的影响毛坯加工余量和材料硬度的不均匀，会引起切削力的变化。工艺系统由于受力大小的不同，变形的大小也相应发生变化，从而导致工件尺寸和几何形状的误差。图4-20为车削一个截面呈椭圆形状的毛坯。把刀具调整到加工要求的尺寸（图中的虚线位置），在工件转一转过程中，背
31、吃刀量在最大值ap1到最小值ap2中变化，切削力也相应地在Fymax到Fymin之间变化，工艺系统的变形也在最大值y1到最小值y2之间变化。由于y1 y2，故车出工件的截面仍是椭圆形的。（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响 图4-20车削时的毛坯误差复映由于毛坯存在圆度误差毛ap1-ap2，因而引起了工件的圆度误差工y1-y2=毛，且毛愈大，工愈大。误差复映系数，是小于1的正数。图4-20车削时的毛坯误差复映毛坯误差复映现象：毛坯误差复映现象：由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯的形状误差复映到加工后工件表面的现象。由于变形量y总是小于背吃刀量ap，复映系
32、数总是远小于1的正数，相乘以后则更小。因此，一般精度的工件经23次走刀后，可以使加工误差降低到允许的范围内。在批量生产中，如用调整法确定一批零件的加工尺寸，当毛坯尺寸不一致而导致加工余量不均匀，或毛坯材料的硬度差别很大时，由于误差复映的结果，会使这批零件加工后的尺寸分散，甚至尺寸超差而产生废品。2 2、切削力作用点位置变化对加工精度的影响、切削力作用点位置变化对加工精度的影响以在车床顶尖间加工光轴为例，并假定工件粗而短，其受力变形量可以略而不计，车刀悬伸也很短，受力后的弯曲变形在法向的分量也可忽略不计，即工艺系统的变形完全取决于机床的变形。又假定工件的加工余量均匀，加工过程中的切削力保持不变，
33、即刀架的变形也保持不变。（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响 当车刀进给到图4-18所示的位置时，工件中心线变到新的位置O1O2。车床头架受法向力F1，相应的法向变形y头=O1O1；尾座受力F2，相应的变形y尾=O2O2。刀架受力Fy，相应的变形y刀（图中未示出）因此可得y头=F1k头=(xL)Fyky尾=F2k尾=(1-xL)Fyk尾 y刀=Fyk刀 式中，k头、k尾、k刀分别为头架、尾架、刀架的刚度（N/mm）。L工件长度（mm）；x车刀到尾座的距离（mm）。可见，由头架和尾架变形所造成的工件和刀具的法向相对位移为 yx=y头+(1-x/L)(y尾
34、y头)=(x/L)y头+(1-x/L)y尾=(x/L)2 Fyk头+(1-x/L)2 Fyk尾 如果再考虑刀架的变形y刀，则系统的变形 y系统=yx+y刀=Fy(1/k头)(x/L)2+(1/k尾)(1-x/L)2 +1/k刀(mm)(*)工艺系统的刚度为K系统=Fyy系统=1/(1/k头)(x/L)2+(1/k尾)(1-x/L)2+1/k刀(N/mm)由式(*)可见，工艺系统的总变形y系统是一个二次抛物线方程，车出的工件沿轴向呈抛物线形状(图4-19)。如果车削刚度很差的细长轴，并忽略机床的变形，则工艺系统的变形主要是工件的变形。当刀具切削到x处时，工件的变形为 y工=Fy/(3EI)x2(
35、L-x)2/L(mm)式中，E工件材料的弹性模量 I工件断面的惯性矩 当x=0时和x=L时，y工=0；当x=L/2时，y工最大，y工=FyL3/（48EI）。此时工件呈腰鼓形。若考虑机床头架、尾座、刀架和工件的变形同时存在，则系统的总变形量为 y系统=Fy(1/k头)(x/L)2+(1/k尾)(1-x/L)2+1/k刀+x2(L-x)2/(3EIL)(mm)系统的刚度为 在测出车床头架、尾座和刀架的平均刚度，并确定了工件的材料与尺寸时，即可按x值估算车削圆轴时工艺系统的刚度。当已知刀具的几何角度、切削用量等参数，可确定切削力Fy时，即可估算不同x值处工件半径尺寸的变化，求出工件加工后的圆柱度误
36、差。3、工艺系统中其他作用力对加工精度的影响、工艺系统中其他作用力对加工精度的影响impact of other force on machining accuracy主要包括：主要包括：（1）夹紧力的影响：对刚性较差的工件，夹紧力常引起工件形状的改变。举例：薄壁环装在三爪上镗孔。动画演示。其他作用力对加工精度的影响其他作用力对加工精度的影响impact of other force on machining accuracy（2）重力的影响：大型机床部件在加工中位置移动，改变自重对床身、横梁、立柱的作用点位置，引起加工误差。图4-23。（3）惯性力的影响：高速切削时，工艺系统中高速旋转零件不
37、平衡产生较大的离心力。当离心力切削力时，车床主轴轴颈和轴承内孔表面的接触点就会不断变化。改进措施：对重平衡方法。即在不平衡质量的反向加装重块，使两者的离心力相互抵消。必要时亦可适当降低转速，以减少离心力的影响。减少工艺系统受力变形的措施减少工艺系统受力变形的措施两个方面两个方面（1 1）减少载荷及其变化）减少载荷及其变化 a、选择合适切削用量及刀具几何参数 b、减少不平衡引起的惯性力 c、减少切削力的变化（2 2）提高工艺系统刚度）提高工艺系统刚度 a、增大机床和夹具的刚度 b、采用合适的装夹方式，提高工件刚度 c、采用合适进给方式，使工艺系统刚度不随 切削位置变化而变化。选择合适切削用量及刀
38、具几何参数选择合适切削用量及刀具几何参数selecting proper machining data and geometric parameter具体措施：具体措施：（1）当切屑面积（ap*f)一定时，增大f，减少ap，有利减小Fz。（2）当刀尖强度足够时，应增大前角o；（3）增加主偏角，可以减小Fy.减少切削力的变化具体措施：具体措施：（1）提高毛坯精度（2）保证材质均匀（3）选精度较高的孔/面为粗基准 举例：举例：车主轴箱，加工面为孔系和平面，选主轴孔为粗基准。增大机床和夹具的刚度增大机床和夹具的刚度increase the stiffness of machine tool and
39、fixture主要措施：主要措施：（1）选择合适的零部件结构和断面形状。（2）改善工艺系统中零件连接面的表面质量，提高接触质量（3）给机床部件以预载荷，消除配合间隙，增大接触面积。（4）提高工件定位基面的加工质量。如：随着工艺过程的进程，修研精密零件中心孔多次。采用合适的装夹方式采用合适的装夹方式adopt proper clamping mode常见措施：常见措施：（1）增加辅助支承，减少悬伸量。（2）采用合理夹紧作用点。以车细长轴为例：以车细长轴为例：双顶尖增加中心架，工件刚度提高8倍增加跟刀架PABCPABCPABC采用合适的装夹方式采用合适的装夹方式在铣削角铁零件时，图4-30（b）所
40、示的装夹、加工方式，比图4-30（a）的方式，刀杆、工件的刚度都好。采用合适进给方式采用合适进给方式Use proper feed mode举例：在镗床上镗孔举例：在镗床上镗孔方式方式方式方式3 3：工作台进给：工作台进给：工作台进给：工作台进给方式方式方式方式1 1：镗杆送进，无后支承：镗杆送进，无后支承：镗杆送进，无后支承：镗杆送进，无后支承方式方式方式方式2 2：镗杆送进，有后支承：镗杆送进，有后支承：镗杆送进，有后支承：镗杆送进，有后支承方式方式方式方式4 4：在镗模上加工：在镗模上加工：在镗模上加工：在镗模上加工五、工艺系统热变形引起的加工误差五、工艺系统热变形引起的加工误差Mach
41、ining error caused by thermal deformation of process system工艺系统热变形对加工精度的影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%70%。机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。工艺系统的热源工艺系统的热源heat source of process system工艺系统热源工艺系统热源内部热源外部热源环境温度热辐射切削热（主要）：两个方面机械运动部件摩擦
42、热热变形对加工精度的影响热变形对加工精度的影响impact of heat deformation on machining accuracy工件热变形对加工精度的影响：工件受切削热变影响而变形。两种情况：（1）均匀受热（车、磨外圆等）只影响尺寸精度。可由材料力学公式计算 （2）不均匀受热（铣、磨平面等）影响尺寸和形状误差。刀具热变形对加工精度的影响：主要由切削热引起。如：刀具热伸长，车削长轴时，会产生工件锥度误差。机床热变形对加工精度的影响：热源较多，主要有两种，（1）机床动力源能量耗损。（2）传动部分产生摩擦热（轴承副、齿轮副、导轨副），并通过润滑油散开。减少和防止热变形的措施减少和防止热
43、变形的措施measures taken to reduce and avoid heat deformation1、减少发热和隔热。、减少发热和隔热。如电动机置机床外部；改善润滑，减少发热；发热部件与机床大件间隔热。2、热补偿方法减少热变形。、热补偿方法减少热变形。目的是使机床温度场比较均匀，从而使热变形均匀。如平面磨床M7140，油池在床身底部，同时在导轨下配置了油沟，将热油导入，使之循环，减少了床身上下温差，从而大大减少了导轨的弯曲变形。3、从结构设计上采取措施，减少热变形。、从结构设计上采取措施，减少热变形。如：变速箱内部结构中，使传动元件（轴、轴承及传动齿轮）安放对称性，可以均衡箱壁温
44、升，从而减小热变形。4、加快升温，保持热平衡。、加快升温，保持热平衡。开车后，高速空转，使其迅速达到热平衡。加工精密零件时，在不切削的间断时间，仍让机床空转以保持热平衡。5、控制环境温度。、控制环境温度。精密机床安装在恒温室中使用。六、工件内应力引起的变形六、工件内应力引起的变形Deformation caused by inner stress of workpiece内应力（内应力（Inner Stress)Inner Stress)：也叫残余应力，指在外部载荷去除以后仍残存在工件内部的应力。产生内应力的微观原因：产生内应力的微观原因：金属内部相邻的宏观或微观组织发生了不均匀的体积变化而产
45、生的。内应力影响精度的原因：内应力影响精度的原因：不稳定状态 稳定状态 （存在内应力）（内应力消失）转化形状变化，原加工精度消失热加工中内应力的产生热加工中内应力的产生generation of inner stress in heat processing 毛坯制造中（热加工：铸、锻、焊、热处理、粉末冶金等），由于各部分厚度不均匀而造成冷却速度和收缩程度的不一致；以及金相组织转变的体积变化。影响内应力大小的因素：a、毛坯结构复杂程度b、各部分的壁厚均匀性c、散热条件的差别举例：热加工中内应力的产生举例：热加工中内应力的产生 图示为一个内外壁厚相差较大的铸件。浇铸后，铸件将逐渐冷却至室温。由于
46、壁1和壁2比较薄，散热较易，冷却比较快。壁3比较厚，所以冷却比较慢。当壁1和壁2从塑性状态冷到弹性状态时，壁3的温度还比较高，尚处于塑性状态。所以壁1和壁2收缩时壁3不起阻挡变形的作用，铸件内部不产生内应力。但当壁3也冷却到弹性状态时，壁1和壁2的温度已经降低很多，收缩速度变得很慢。但这时壁3收缩较快，就受到了壁1和壁2的阻碍。因此，壁3受拉应力的作用，壁1和2受压应力作用，形成了相互平衡的状态。举例：热加工中内应力的产生举例：热加工中内应力的产生 example:generation of inner stress in heat 如果在这个铸件的壁1上开一个口，则壁1的压应力消失，铸件在壁
47、3和2的内应力作用下，壁3收缩，壁2伸长，铸件就发生弯曲变形，直至内应力重新分布达到新的平衡为止。举例：热加工中内应力的产生举例：热加工中内应力的产生example:generation of inner stress in heat 推广到一般情况，各种铸件都难免产生冷却不均匀而形成的内应力，铸件的外表面总比中心部分冷却得快。特别是有些铸件（如机床床身），为了提高导轨面的耐磨性，采用局部激冷的工艺使它冷却更快一些，以获得较高的硬度，这样在铸件内部形成的内应力也就更大些。若导轨表面经过粗加工剥去一些金属，这就象在图中的铸件壁1上开口一样，必将引起内应力的重新分布并朝着建立新的应力平衡的方向产生
48、弯曲变形。为了克服这种内应力重新分布而引起的变形，特别是对大型和精度要求高的零件，一般在铸件粗加工后安排进行时效处理，然后再作精加工，如下图。铸件因内应力而引起的变形铸件因内应力而引起的变形cast deformation caused by inner stress切削加工中引起的内应力切削加工中引起的内应力inner stress caused by machining process原因：原因：工件表面层在切削力及切削热作用下，工件各部分工件表面层在切削力及切削热作用下，工件各部分不同程度塑性变形及金属组织变化。不同程度塑性变形及金属组织变化。冷校直工艺引起的内应力冷校直工艺引起的内应力
49、inner stress caused by cold alignment 冷校直：冷校直：弯曲的工件校直时，在原有变形的相反方向加力弯曲的工件校直时，在原有变形的相反方向加力F F，使，使工件向反方向弯曲，产生塑性变形。工件向反方向弯曲，产生塑性变形。校直结果：校直结果：弯曲减少，但是内部组织却处于不稳定的状态。弯曲减少，但是内部组织却处于不稳定的状态。分析分析:丝杠一类的细长轴经过车削以后，棒料在轧制中产生的内应丝杠一类的细长轴经过车削以后，棒料在轧制中产生的内应力要重新分布，产生弯曲，如下图示。力要重新分布，产生弯曲，如下图示。减少或消除内应力的措施减少或消除内应力的措施measures
50、 to reduce or eliminate inner stress粗、精加工分开；加工大型工件时，应在粗加工后松开粗、精加工分开；加工大型工件时，应在粗加工后松开工件，让工件自由变形，再用较小夹紧力夹紧工件进行工件，让工件自由变形，再用较小夹紧力夹紧工件进行精加工；焊接时，先预热，以减少温差，并合理安排精加工；焊接时，先预热，以减少温差，并合理安排焊接顺序。焊接顺序。合理设计零件结构合理设计零件结构时效处理时效处理自然时效自然时效大件在室外搁置数天、月大件在室外搁置数天、月小件在车间搁置数小时（粗、精加工之间）小件在车间搁置数小时（粗、精加工之间）结构对称，壁厚均匀，减小尺寸差结构对称，