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1、机械加工精度机械加工精度5.1机械加工表面质量机械加工表面质量5.2【学习目标】1了解机械加工精度和机械加工表面质量的概念2了解影响加工精度的因素及其分析3了解影响表面质量的工艺因素4掌握控制表面质量的工艺途径5了解提高生产效率的方法第第5 5章章 机械加工质量分析与提高生产率的方法机械加工质量分析与提高生产率的方法提高生产率的途径提高生产率的途径5.31加工精度的基本概念加工精度的基本概念加工精度加工精度是指零件加工后的几何参数（尺寸、形状、位置）与是指零件加工后的几何参数（尺寸、形状、位置）与图纸要求的理想几何参数相符合的程度。符合程度越高，加工精图纸要求的理想几何参数相符合的程度。符合程
2、度越高，加工精度也越高。所以说机械加工精度包含尺寸精度、形状精度和位置度也越高。所以说机械加工精度包含尺寸精度、形状精度和位置精度精度3项内容。项内容。零件实际加工过程中不可能把零件制造得绝对精确，不可避免零件实际加工过程中不可能把零件制造得绝对精确，不可避免地会产生与理想几何参数的偏差，这种偏差即为地会产生与理想几何参数的偏差，这种偏差即为加工误差加工误差。实际生产中加工精度的高低是用加工误差的大小来表示。实际生产中加工精度的高低是用加工误差的大小来表示。加工加工精度精度用公差等级衡量，等级值越小，其精度就越高；用公差等级衡量，等级值越小，其精度就越高；加工误差加工误差用用数值表示，加工误差
3、越小，加工精度高，但随之而来的加工成本数值表示，加工误差越小，加工精度高，但随之而来的加工成本也会越高，生产效率相对越低。要保证零件的加工精度，只要保也会越高，生产效率相对越低。要保证零件的加工精度，只要保证加工误差控制在零件图纸允许的偏差范围内即可。证加工误差控制在零件图纸允许的偏差范围内即可。5.1.1机械加工精度概述机械加工精度概述5.15.1 机械加工精度机械加工精度2影响加工精度的因素影响加工精度的因素在机械加工中机床、夹具、刀具和工件构成了一个完整的机械加工在机械加工中机床、夹具、刀具和工件构成了一个完整的机械加工系统，称为工艺系统。工艺系统的各个部分系统，称为工艺系统。工艺系统的
4、各个部分机床、夹具、刀具和工机床、夹具、刀具和工件都存在误差，统称为工艺系统误差。由于它是原始存在的，故也叫原件都存在误差，统称为工艺系统误差。由于它是原始存在的，故也叫原始误差。工艺系统误差在加工过程中必然影响工件和刀具相对运动关系，始误差。工艺系统误差在加工过程中必然影响工件和刀具相对运动关系，使工件产生加工误差。所以说工艺系统的误差是影响工件的加工精度的使工件产生加工误差。所以说工艺系统的误差是影响工件的加工精度的主要因素。工艺系统误差分类如图主要因素。工艺系统误差分类如图5-1所示。所示。5.1.1机械加工精度概述机械加工精度概述5.15.1 机械加工精度机械加工精度3机械加工精度获得
5、的方法机械加工精度获得的方法（1）尺寸精度的获得方法。）尺寸精度的获得方法。试切法。通过试切工件试切法。通过试切工件测量测量比较比较调整刀具调整刀具再试切再试切再调整，直至获得要求的尺寸的方法。再调整，直至获得要求的尺寸的方法。调整法。是用试切好的工件尺寸、标准件或对刀块等调整刀调整法。是用试切好的工件尺寸、标准件或对刀块等调整刀具相对工件定位基准的准确位置，并在保持此准确位置不变的条件下，具相对工件定位基准的准确位置，并在保持此准确位置不变的条件下，对一批工件进行加工的方法。对一批工件进行加工的方法。定尺寸刀具法。在加工过程中采用具有一定尺寸的刀具或组定尺寸刀具法。在加工过程中采用具有一定尺
6、寸的刀具或组合刀具，以保证被加工零件尺寸精度的一种方法。合刀具，以保证被加工零件尺寸精度的一种方法。自动控制法。通过由测量装置、进给装置和切削机构以及控自动控制法。通过由测量装置、进给装置和切削机构以及控制系统组成的控制加工系统，把加工过程中的尺寸测量、刀具调整和制系统组成的控制加工系统，把加工过程中的尺寸测量、刀具调整和切削加工等工作自动完成，从而获得所要求的尺寸精度的一种加工方切削加工等工作自动完成，从而获得所要求的尺寸精度的一种加工方法。法。5.1.1机械加工精度概述机械加工精度概述5.15.1 机械加工精度机械加工精度（2）形状精度的获得方法。）形状精度的获得方法。轨迹法。此法利用刀尖
7、的运动轨迹形成要求的表面几何形轨迹法。此法利用刀尖的运动轨迹形成要求的表面几何形状。刀尖的运动轨迹取决于刀具与工件的相对运动，即成形运动。状。刀尖的运动轨迹取决于刀具与工件的相对运动，即成形运动。这种方法获得的形状精度取决于机床的成形运动精度。这种方法获得的形状精度取决于机床的成形运动精度。成形法。此法利用成形刀具代替普通刀具来获得要求的几成形法。此法利用成形刀具代替普通刀具来获得要求的几何形状的表面。机床的某些成形运动被成形刀具的刀刃所取代，何形状的表面。机床的某些成形运动被成形刀具的刀刃所取代，从而简化了机床结构，提高了生产效率。用这种方法获得的表面从而简化了机床结构，提高了生产效率。用这
8、种方法获得的表面形状精度既取决于刀刃的形状精度，又有赖于机床成形运动的精形状精度既取决于刀刃的形状精度，又有赖于机床成形运动的精度。度。范成法。零件表面的几何形状是在刀具与工件的啮合运动范成法。零件表面的几何形状是在刀具与工件的啮合运动中，由刀刃的包络面形成的。因而刀刃必须是被加工表面的共轭中，由刀刃的包络面形成的。因而刀刃必须是被加工表面的共轭曲面，成形运动间必须保持确定的速比关系，加工齿轮常用此种曲面，成形运动间必须保持确定的速比关系，加工齿轮常用此种方法。方法。5.1.1机械加工精度概述机械加工精度概述5.15.1 机械加工精度机械加工精度（3）位置精度的获得方法。）位置精度的获得方法。
9、一次装夹法。工件上几个加工表面是在一次装夹中加工一次装夹法。工件上几个加工表面是在一次装夹中加工出来的。出来的。多次装夹法。即零件有关表面间的位置精度是由刀具相多次装夹法。即零件有关表面间的位置精度是由刀具相对工件的成形运动与工件定位基准面（或工件在前几次装夹时对工件的成形运动与工件定位基准面（或工件在前几次装夹时的加工面）之间的位置关系保证的。多次装夹法又可划分为如的加工面）之间的位置关系保证的。多次装夹法又可划分为如下几种。下几种。a直接装夹法。即通过在机床上直接装夹工件的方法。直接装夹法。即通过在机床上直接装夹工件的方法。b找正装夹法。即通过找正工件相对刀具切削成形运动之找正装夹法。即通
10、过找正工件相对刀具切削成形运动之间的准确位置的方法。间的准确位置的方法。c夹具装夹法。即通过夹具确定工件与刀具切削刃成形运夹具装夹法。即通过夹具确定工件与刀具切削刃成形运动之间的准确位置的方法。动之间的准确位置的方法。5.1.1机械加工精度概述机械加工精度概述5.15.1 机械加工精度机械加工精度加工原理误差加工原理误差是由于采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行是由于采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行加工所产生的误差。在实践中，完全精确的加工原理常常很难实现，或加工所产生的误差。在实践中，完全精确的加工原理常常很难实现，或者加工效率低，或者极为复杂，难以制造。有时由于连接环节多，机床
11、者加工效率低，或者极为复杂，难以制造。有时由于连接环节多，机床传动链中的误差增加，或机床刚度和制造精度很难保证。传动链中的误差增加，或机床刚度和制造精度很难保证。如用滚刀切削渐开线齿轮时，滚刀应为一渐开线蜗杆。而实际上为如用滚刀切削渐开线齿轮时，滚刀应为一渐开线蜗杆。而实际上为了使滚刀制造方便，通常采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代了使滚刀制造方便，通常采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线蜗杆，从而在加工原理上产生了误差。另外由于滚刀刀刃数有替渐开线蜗杆，从而在加工原理上产生了误差。另外由于滚刀刀刃数有限，齿形是由于各个刀齿轨迹包络线形成的，所切出的齿形实际上是一限，齿形是由
12、于各个刀齿轨迹包络线形成的，所切出的齿形实际上是一条近似渐开线的折线而不是光滑的渐开线。又如用模数铣刀成形铣削齿条近似渐开线的折线而不是光滑的渐开线。又如用模数铣刀成形铣削齿轮，对于每种模数只用一套（轮，对于每种模数只用一套（826把）铣刀来分别加工一定齿数范围内把）铣刀来分别加工一定齿数范围内的所有齿轮，由于每把铣刀是按照一种模数的一种齿数设计制造的，因的所有齿轮，由于每把铣刀是按照一种模数的一种齿数设计制造的，因而加工其他齿数的齿轮时齿形就有了误差。而加工其他齿数的齿轮时齿形就有了误差。采用近似的成形运动或近似的刀刃轮廓虽然会带来加工原理误差，采用近似的成形运动或近似的刀刃轮廓虽然会带来加
13、工原理误差，但往往因可简化机床或刀具的结构，反而能得到较高的加工精度。因此，但往往因可简化机床或刀具的结构，反而能得到较高的加工精度。因此，只要其误差不超过规定的精度要求，在生产中仍能得到广泛的应用。只要其误差不超过规定的精度要求，在生产中仍能得到广泛的应用。5.1.2加工原理误差加工原理误差5.15.1 机械加工精度机械加工精度机床误差机床误差是由机床的制造误差、安装误差和磨损等引起的。机床误差的项目是由机床的制造误差、安装误差和磨损等引起的。机床误差的项目很多，下面着重分析对工件加工精度影响较大的误差，如导轨导向误差、主轴回很多，下面着重分析对工件加工精度影响较大的误差，如导轨导向误差、主
14、轴回转误差和传动链误差。转误差和传动链误差。1导轨误差导轨误差机床导轨机床导轨是机床各主要部件相对位置和运动的基准，它的精度直接影响机床是机床各主要部件相对位置和运动的基准，它的精度直接影响机床成形运动之间的相互位置关系，因此它是产生工件形状误差和位置误差的主要因成形运动之间的相互位置关系，因此它是产生工件形状误差和位置误差的主要因素之一。素之一。导轨误差导轨误差可分为直线度误差、扭曲误差、相互位置误差可分为直线度误差、扭曲误差、相互位置误差3种形式。种形式。（1）机床导轨在水平面内的直线度误差。如图）机床导轨在水平面内的直线度误差。如图5-2所示，导轨在所示，导轨在y方向产生方向产生了直线度
15、误差，使车刀在被加工表面的法线方向产生了位移了直线度误差，使车刀在被加工表面的法线方向产生了位移y，从而造成工件半，从而造成工件半径上的误差径上的误差R=y。当车削长外圆时，则产生圆柱度误差。当车削长外圆时，则产生圆柱度误差。5.1.3机床的几何误差机床的几何误差5.15.1 机械加工精度机械加工精度（2）机床导轨在垂直面内的直线度误差。如图）机床导轨在垂直面内的直线度误差。如图5-3所示，导轨在垂直方向存所示，导轨在垂直方向存在误差在误差，使车刀在被加工表面的切线方向产生位移，造成半径上的误差，使车刀在被加工表面的切线方向产生位移，造成半径上的误差R，该，该误差影响不大。但对平面磨床、龙门刨
16、床、铣床等将引起工件相对砂轮或刀具的误差影响不大。但对平面磨床、龙门刨床、铣床等将引起工件相对砂轮或刀具的法向位移，其误差将直接反映到被加工表面，造成形状误差。法向位移，其误差将直接反映到被加工表面，造成形状误差。（3）导轨面间的平行度误差。如图）导轨面间的平行度误差。如图5-4所示，车床两导轨的平行度误差（扭所示，车床两导轨的平行度误差（扭曲）使床鞍产生横向倾斜，刀具产生位移，因而引起工件形状误差。由图示几何曲）使床鞍产生横向倾斜，刀具产生位移，因而引起工件形状误差。由图示几何关系可求出关系可求出Ry=(HB)。一般车床的。一般车床的H/B2/3，外圆磨床，外圆磨床HB，故，故对加工对加工精
17、度影响不容忽视。由于沿导轨全长上精度影响不容忽视。由于沿导轨全长上的不同，将使工件产生圆柱度误差。的不同，将使工件产生圆柱度误差。5.1.3机床的几何误差机床的几何误差5.15.1 机械加工精度机械加工精度（4）机床导轨对主轴轴心线平行度误差的影响。在车床或磨床上加工，如）机床导轨对主轴轴心线平行度误差的影响。在车床或磨床上加工，如导轨与主轴轴心线不平行，会引起工件的几何形状误差。以数控车床为例，当床导轨与主轴轴心线不平行，会引起工件的几何形状误差。以数控车床为例，当床身导轨在水平面内出现弯曲（前凸）时，工件可能形成腰鼓形的圆柱度，如图身导轨在水平面内出现弯曲（前凸）时，工件可能形成腰鼓形的圆
18、柱度，如图5-5（a）所示。当床身导轨与主轴轴心在水平面内不平行时，工件可能产生锥形的）所示。当床身导轨与主轴轴心在水平面内不平行时，工件可能产生锥形的圆柱度误差，如图圆柱度误差，如图5-5（b）所示。当床身导轨与主轴轴线在垂直面内不平行时，）所示。当床身导轨与主轴轴线在垂直面内不平行时，工件可能产生马鞍形的圆柱度误差，如图工件可能产生马鞍形的圆柱度误差，如图5-5（c）所示。）所示。机床的安装对导轨精度影响较大，尤其是床身较长的机床，因床身刚度较差，机床的安装对导轨精度影响较大，尤其是床身较长的机床，因床身刚度较差，经常由于自重引起基础下沉而造成导轨变形。因此，机床在安装时应有良好的基经常由
19、于自重引起基础下沉而造成导轨变形。因此，机床在安装时应有良好的基础，并严格进行测量和校正，而且在使用期还应定期复校和调整。础，并严格进行测量和校正，而且在使用期还应定期复校和调整。5.1.3机床的几何误差机床的几何误差5.15.1 机械加工精度机械加工精度图5-5机床导轨误差对工件精度的影响2主轴的回转运动误差主轴的回转运动误差（1）主轴回转误差定义。当主）主轴回转误差定义。当主轴工作时，理论上其回转轴心线在轴工作时，理论上其回转轴心线在空间的位置应该稳定不变，实际上空间的位置应该稳定不变，实际上其位置总有些变动。所谓主轴的回其位置总有些变动。所谓主轴的回转运动误差是指主轴的实际回转轴转运动误
20、差是指主轴的实际回转轴线相对于其理论回转轴线的偏移值。线相对于其理论回转轴线的偏移值。偏移值越小，主轴回转精度越高，偏移值越小，主轴回转精度越高，反之越低。反之越低。机床主轴的回转运动误差可分机床主轴的回转运动误差可分为为3种基本形式：径向跳动、轴向窜种基本形式：径向跳动、轴向窜动和角度摆动，分别如图动和角度摆动，分别如图5-6（a）、）、（b）、（）、（c）所示。实际上主轴回）所示。实际上主轴回转误差的转误差的3种基本形式是同时存在的，种基本形式是同时存在的，如图如图5-6（d）所示。）所示。5.1.3机床的几何误差机床的几何误差5.15.1 机械加工精度机械加工精度图5-6主轴回转误差的基
21、本形式（2）产生主轴回转误差的因素及主轴回转误差对工件加工误差的影响。影）产生主轴回转误差的因素及主轴回转误差对工件加工误差的影响。影响主轴回转精度的主要因素是主轴的制造误差、轴承间隙、与轴承相配合的零件响主轴回转精度的主要因素是主轴的制造误差、轴承间隙、与轴承相配合的零件（主轴、箱体孔等）的精度及主轴系统的径向不等刚度和热变形等。主轴转速对（主轴、箱体孔等）的精度及主轴系统的径向不等刚度和热变形等。主轴转速对主轴回转误差也有一定影响。主轴回转误差也有一定影响。产生主轴回转误差的因素产生主轴回转误差的因素集中在主轴的轴承部位，应从主轴轴径的精度、轴集中在主轴的轴承部位，应从主轴轴径的精度、轴承
22、的精度及安装轴承所用箱体孔的精度等方面寻找原因。承的精度及安装轴承所用箱体孔的精度等方面寻找原因。产生主轴径向跳动的主要原因产生主轴径向跳动的主要原因有轴径与箱体孔圆度误差，轴承间隙、轴承滚有轴径与箱体孔圆度误差，轴承间隙、轴承滚道和滚动体的形状误差，轴与孔安装后同轴度误差等。加工时，主轴的径向跳动道和滚动体的形状误差，轴与孔安装后同轴度误差等。加工时，主轴的径向跳动影响工件的圆度误差。影响工件的圆度误差。产生主轴轴向窜动的主要原因产生主轴轴向窜动的主要原因有推力轴承端面滚道的跳动及轴承间隙等。加有推力轴承端面滚道的跳动及轴承间隙等。加工时主轴轴向窜动影响工件的端面平面度误差。加工螺纹时影响螺
23、距误差。工时主轴轴向窜动影响工件的端面平面度误差。加工螺纹时影响螺距误差。产生主轴摆动的主要原因产生主轴摆动的主要原因有前后轴承、前后轴承孔和前后轴径的同轴度误差。有前后轴承、前后轴承孔和前后轴径的同轴度误差。主轴的角度摆动会使工件产生圆度误差和圆柱度误差。镗孔加工时，主轴摆动使主轴的角度摆动会使工件产生圆度误差和圆柱度误差。镗孔加工时，主轴摆动使工件产生椭圆形圆度误差。工件产生椭圆形圆度误差。综上所述，主轴回转精度影响工件加工表面的形状误差，尤其是在精加工时，综上所述，主轴回转精度影响工件加工表面的形状误差，尤其是在精加工时，机床主轴的回转误差是影响工件圆度的主要因素。机床主轴的回转误差是影
24、响工件圆度的主要因素。5.1.3机床的几何误差机床的几何误差5.15.1 机械加工精度机械加工精度（3）提高主轴回转精度的措施。）提高主轴回转精度的措施。提高机床主轴回转精度。主要通过提高机床主轴组件提高机床主轴回转精度。主要通过提高机床主轴组件的设计、制造和安装精度，采用高精度的轴承等方法以提高的设计、制造和安装精度，采用高精度的轴承等方法以提高机床的精度。机床的精度。避开主轴回转精度对加工的影响。采用工件的定位基避开主轴回转精度对加工的影响。采用工件的定位基准或被加工面本身与夹具定位元件之间组成的回转副来实现准或被加工面本身与夹具定位元件之间组成的回转副来实现工件相对于刀具的转动，避开主轴
25、回转精度对加工的影响。工件相对于刀具的转动，避开主轴回转精度对加工的影响。如磨削外圆时，在磨床上采用死顶尖定位，回转运动的基准如磨削外圆时，在磨床上采用死顶尖定位，回转运动的基准是两个顶尖孔，避免了机床主轴回转误差对工件的加工的影是两个顶尖孔，避免了机床主轴回转误差对工件的加工的影响。响。5.1.3机床的几何误差机床的几何误差5.15.1 机械加工精度机械加工精度3传动链误差传动链误差机床的切削运动是通过某些传动机构实现的。这些传动机构由于本机床的切削运动是通过某些传动机构实现的。这些传动机构由于本身的制造误差、安装误差和工作中的磨损，必将引起传动链两端件之间身的制造误差、安装误差和工作中的磨
26、损，必将引起传动链两端件之间的相对运动误差，这种误差称为传动链误差。的相对运动误差，这种误差称为传动链误差。机床的传动误差严重地影响着切削运动的准确性。尤其在切削运动机床的传动误差严重地影响着切削运动的准确性。尤其在切削运动需要有严格内在联系的情况下，它是影响加工精度的主要因素。例如，需要有严格内在联系的情况下，它是影响加工精度的主要因素。例如，在滚齿机上滚齿、车床上车螺纹等。图在滚齿机上滚齿、车床上车螺纹等。图5-7所示为车削螺纹传动链示意图。所示为车削螺纹传动链示意图。当车螺纹时，要求工件旋转一周刀具必须直线移动一个导程，传动时必当车螺纹时，要求工件旋转一周刀具必须直线移动一个导程，传动时
27、必须保持须保持S=iT（S为工件导程，为工件导程，T为丝杠导程，为丝杠导程，i为齿轮传动比）为恒定值为齿轮传动比）为恒定值不变。但实际车削中车床丝杠导程和各齿轮的制造误差都必将引起工件不变。但实际车削中车床丝杠导程和各齿轮的制造误差都必将引起工件螺纹导程的误差。螺纹导程的误差。5.1.3机床的几何误差机床的几何误差5.15.1 机械加工精度机械加工精度传动链误差传动链误差是由于机床传动链中各传动元件是由于机床传动链中各传动元件（齿轮、分度蜗轮副、丝杠螺母副等）存在制造误（齿轮、分度蜗轮副、丝杠螺母副等）存在制造误差和装配误差引起的，使用过程中的磨损也会产生差和装配误差引起的，使用过程中的磨损也
28、会产生传动链误差。各传动元件在传动链中的位置不同，传动链误差。各传动元件在传动链中的位置不同，其影响程度不同。通过传动误差的谐波分析，可以其影响程度不同。通过传动误差的谐波分析，可以判断误差来自传动链中的哪一个传动元件，并可根判断误差来自传动链中的哪一个传动元件，并可根据其大小找出影响传动链误差的主要环节。据其大小找出影响传动链误差的主要环节。减少传动链误差的措施减少传动链误差的措施主要有：减少传动链中主要有：减少传动链中的元件数目，缩短传动链；提高传动元件中制造、的元件数目，缩短传动链；提高传动元件中制造、装配精度；消除间隙；采用误差校正系统等。装配精度；消除间隙；采用误差校正系统等。5.1
29、.3机床的几何误差机床的几何误差5.15.1 机械加工精度机械加工精度切削加工时，由机床、刀具、夹具和工件组成的工艺系统，在切削切削加工时，由机床、刀具、夹具和工件组成的工艺系统，在切削力、夹紧力以及重力等的作用下，将产生相应的变形，使刀具和工件在力、夹紧力以及重力等的作用下，将产生相应的变形，使刀具和工件在静态下调整好的相互位置和切削时成形运动的正确几何关系发生变化，静态下调整好的相互位置和切削时成形运动的正确几何关系发生变化，从而造成加工误差。从而造成加工误差。1现场加工中工艺系统受力变形的现象现场加工中工艺系统受力变形的现象在车床上加工一根细长轴时，在纵向走刀过程中切屑的厚度起了变在车床
30、上加工一根细长轴时，在纵向走刀过程中切屑的厚度起了变化，越到中间切屑层越薄，加工出来的工件出现了两头细中间粗的腰鼓化，越到中间切屑层越薄，加工出来的工件出现了两头细中间粗的腰鼓形误差。根据力学知识很容易判断，这是由于工件的刚性太差，因而一形误差。根据力学知识很容易判断，这是由于工件的刚性太差，因而一旦受到切削力就会朝着与刀具相反的方向变形，越到中间变形越大，实旦受到切削力就会朝着与刀具相反的方向变形，越到中间变形越大，实际背吃刀量也就越小，所以产生际背吃刀量也就越小，所以产生腰鼓形的加工误差腰鼓形的加工误差。在另外一些场合下，。在另外一些场合下，工件的刚性很好，在切削力的作用下工件并没有变形，
31、却也产生了工件的刚性很好，在切削力的作用下工件并没有变形，却也产生了“让让刀刀”的现象。例如在旧车床上加工刚性很好的工件时，经过粗车一刀后，的现象。例如在旧车床上加工刚性很好的工件时，经过粗车一刀后，再要精车的话，有时候不但不把刀架横向进给一点，反而要把它反向退再要精车的话，有时候不但不把刀架横向进给一点，反而要把它反向退回一点，才能保证精车时切去极薄的一层以满足加工精度和表面粗糙度回一点，才能保证精车时切去极薄的一层以满足加工精度和表面粗糙度的要求，否则可能使实际背吃刀量过多。如图的要求，否则可能使实际背吃刀量过多。如图5-8所示。所示。5.1.4工艺系统受力变形引起的误差及改善措施工艺系统
32、受力变形引起的误差及改善措施5.15.1 机械加工精度机械加工精度从上面细长轴的弹性变形思路出发，可以想象，产生这种现象的原从上面细长轴的弹性变形思路出发，可以想象，产生这种现象的原因是：由于使用日久，工艺系统中的机床的某些与加工尺寸有关的部分因是：由于使用日久，工艺系统中的机床的某些与加工尺寸有关的部分（如头架、尾架或刀架），在切削力作用下产生了受力变形。粗车时的（如头架、尾架或刀架），在切削力作用下产生了受力变形。粗车时的切削力大，则受力变形也大，引起了刀具相对于工件的退让切削力大，则受力变形也大，引起了刀具相对于工件的退让让刀。粗让刀。粗车完毕后，受力变形恢复，这时候即使不进刀，甚至把刀
33、架稍稍后退一车完毕后，受力变形恢复，这时候即使不进刀，甚至把刀架稍稍后退一点再走刀的话，刀尖仍然可以切到金属。因此，在这种情况下控制加工点再走刀的话，刀尖仍然可以切到金属。因此，在这种情况下控制加工精度的问题，实际上主要就是控制工艺系统受力变形的问题。精度的问题，实际上主要就是控制工艺系统受力变形的问题。5.1.4工艺系统受力变形引起的误差及改善措施工艺系统受力变形引起的误差及改善措施5.15.1 机械加工精度机械加工精度2工艺系统的刚度工艺系统的刚度工艺系统变形通常是弹性变形。工艺系统反抗变形的能力越大，工工艺系统变形通常是弹性变形。工艺系统反抗变形的能力越大，工件的加工精度越高。工艺系统抵
34、抗变形的能力用刚度来描述。所谓工艺件的加工精度越高。工艺系统抵抗变形的能力用刚度来描述。所谓工艺系统刚度是指作用于工件加工表面法线方向上的切削分力系统刚度是指作用于工件加工表面法线方向上的切削分力Fn，与刀具在，与刀具在切削力作用下相对于工件在该方向上的位移之比，即切削力作用下相对于工件在该方向上的位移之比，即k=Fn/y式中：式中：k静刚度（静刚度（N/mm）；）；Fn法向作用力（法向作用力（N）；）；y法向位移（法向位移（mm）。）。工艺系统刚度应包括机床刚度、刀具刚度、夹具刚度和工件刚度。工艺系统刚度应包括机床刚度、刀具刚度、夹具刚度和工件刚度。因此，必须先分别求出机床、刀具、夹具和工件
35、的刚度，才能求出工艺因此，必须先分别求出机床、刀具、夹具和工件的刚度，才能求出工艺系统的刚度。但部件刚度问题比较复杂，迄今没有合适的计算方法，只系统的刚度。但部件刚度问题比较复杂，迄今没有合适的计算方法，只能用实验的方法加以测定。能用实验的方法加以测定。5.1.4工艺系统受力变形引起的误差及改善措施工艺系统受力变形引起的误差及改善措施5.15.1 机械加工精度机械加工精度3工艺系统受力变形对加工精度的影响工艺系统受力变形对加工精度的影响（1）切削力作用点位置的变化引起的加工误差。切削过程）切削力作用点位置的变化引起的加工误差。切削过程中工艺系统的刚度会随切削力作用点位置的变化而变化，这将中工艺
36、系统的刚度会随切削力作用点位置的变化而变化，这将直接影响工件的几何形状误差。例如，在车床上用两顶尖夹持直接影响工件的几何形状误差。例如，在车床上用两顶尖夹持刚性好的工件，此时主要考虑工件和夹具的变形，加工出来的刚性好的工件，此时主要考虑工件和夹具的变形，加工出来的工件呈两端粗、中间细的菱形，而用两顶尖夹持细长轴时，工工件呈两端粗、中间细的菱形，而用两顶尖夹持细长轴时，工件刚度最小、变形最大，加工后的工件呈鼓形。件刚度最小、变形最大，加工后的工件呈鼓形。（2）切削力变化引起的加工误差。在切削加工中，由于工）切削力变化引起的加工误差。在切削加工中，由于工件毛坯加工余量或材料的硬度不均匀引起切削力变
37、化，从而引件毛坯加工余量或材料的硬度不均匀引起切削力变化，从而引起切削和工艺系统受力变形的变化，造成工件尺寸误差和形状起切削和工艺系统受力变形的变化，造成工件尺寸误差和形状误差。当毛坯误差较大，一次进给不能满足加工精度要求时，误差。当毛坯误差较大，一次进给不能满足加工精度要求时，需要多次进给来消除误差，使误差减小到公差允许的范围内。需要多次进给来消除误差，使误差减小到公差允许的范围内。5.1.4工艺系统受力变形引起的误差及改善措施工艺系统受力变形引起的误差及改善措施5.15.1 机械加工精度机械加工精度（3）其他作用力引起工艺系统受力变形的变化所产生的加工误差。）其他作用力引起工艺系统受力变形
38、的变化所产生的加工误差。如夹紧力、工件的质量、机床移动部件的质量、传动力以及惯性力等，如夹紧力、工件的质量、机床移动部件的质量、传动力以及惯性力等，这些力也能使工艺系统中某些环节的受力变形变化，会产生加工误差。这些力也能使工艺系统中某些环节的受力变形变化，会产生加工误差。如夹紧力引起的影响。对刚性较差的工件，若是夹紧时施力不当，如夹紧力引起的影响。对刚性较差的工件，若是夹紧时施力不当，也常引起工件的形状误差。最常见的是用三爪自定心卡盘夹持薄壁套筒也常引起工件的形状误差。最常见的是用三爪自定心卡盘夹持薄壁套筒进行镗孔，如图进行镗孔，如图5-9（a）所示，夹紧后套筒成为棱圆状；虽然镗出的孔）所示，
39、夹紧后套筒成为棱圆状；虽然镗出的孔成正圆形，如图成正圆形，如图5-9（b）所示；但松夹后，套筒的弹性恢复使孔产生了）所示；但松夹后，套筒的弹性恢复使孔产生了三角棱圆形，如图三角棱圆形，如图5-9（c）所示。所以在生产中采用在套筒外加上一个）所示。所以在生产中采用在套筒外加上一个厚壁的开口过渡环，如图厚壁的开口过渡环，如图5-9（d）所示，使夹紧力均匀地分布在薄壁套）所示，使夹紧力均匀地分布在薄壁套筒上，从而减少了变形。筒上，从而减少了变形。5.1.4工艺系统受力变形引起的误差及改善措施工艺系统受力变形引起的误差及改善措施5.15.1 机械加工精度机械加工精度4减小工艺系统受力变形的主要措施减小
40、工艺系统受力变形的主要措施减少工艺系统的受力变形是机械加工中保证产品质量和提高生产效率的主要减少工艺系统的受力变形是机械加工中保证产品质量和提高生产效率的主要途径之一。根据生产的实际，可采取以下措施。途径之一。根据生产的实际，可采取以下措施。（1）提高接触刚度。）提高接触刚度。提高接触刚度常用的方法提高接触刚度常用的方法是改善机床部件主要零件接是改善机床部件主要零件接触面的配合质量。如对机床导轨及装配基面进行刮研，提高顶尖锥体同主轴和触面的配合质量。如对机床导轨及装配基面进行刮研，提高顶尖锥体同主轴和尾座套筒锥孔的接触质量，多次修研加工精密零件用中心孔等。通过刮研可改尾座套筒锥孔的接触质量，多
41、次修研加工精密零件用中心孔等。通过刮研可改善配合表面粗糙度和形状精度，使实际接触面积增加，而有效提高接触刚度。善配合表面粗糙度和形状精度，使实际接触面积增加，而有效提高接触刚度。提高接触刚度的另一措施提高接触刚度的另一措施是在接触面预加载荷，这样可消除配合面间的间隙，是在接触面预加载荷，这样可消除配合面间的间隙，增加接触面积，减少受力后的变形量。如轴承的调整中就采用此项措施。增加接触面积，减少受力后的变形量。如轴承的调整中就采用此项措施。（2）提高工件、部件刚度，减少受力变形。对刚度较低的叉架类、细长轴）提高工件、部件刚度，减少受力变形。对刚度较低的叉架类、细长轴等工件，其主要措施是减小支承间
42、的长度，如设置辅助支承、安装跟刀架或中等工件，其主要措施是减小支承间的长度，如设置辅助支承、安装跟刀架或中心架。加工中还常采用一些辅助装置提高机床部件刚度。心架。加工中还常采用一些辅助装置提高机床部件刚度。（3）采用合理的装夹方法。在夹具设计或工件装夹时都必须尽量减少弯曲）采用合理的装夹方法。在夹具设计或工件装夹时都必须尽量减少弯曲力矩。夹紧时必须特别注意选择适当的夹紧方法，否则会引起很大形状误差，力矩。夹紧时必须特别注意选择适当的夹紧方法，否则会引起很大形状误差，如图如图5-9所示。所示。5.1.4工艺系统受力变形引起的误差及改善措施工艺系统受力变形引起的误差及改善措施5.15.1 机械加工
43、精度机械加工精度在机床上进行加工时，工艺系统因受热而引起的变形称为工艺系统在机床上进行加工时，工艺系统因受热而引起的变形称为工艺系统热变形。工艺系统的热变形破坏了工件与刀具相对运动的正确性，改变热变形。工艺系统的热变形破坏了工件与刀具相对运动的正确性，改变已调整好的加工尺寸，引起了背吃刀量和切削力的改变等而产生加工误已调整好的加工尺寸，引起了背吃刀量和切削力的改变等而产生加工误差。特别是在精密加工中，热变形引起的加工误差会占总加工误差的差。特别是在精密加工中，热变形引起的加工误差会占总加工误差的40%70%。1工艺系统的热源工艺系统的热源引起热变形的根源是工艺系统在加工过程中出现的各种引起热变
44、形的根源是工艺系统在加工过程中出现的各种“热源热源”。（1）切削和磨削加工时产生的切削热。）切削和磨削加工时产生的切削热。（2）机床运动副。例如轴与轴承、齿轮副、摩擦离合器、工作台与导轨、）机床运动副。例如轴与轴承、齿轮副、摩擦离合器、工作台与导轨、丝杠与螺母等所产生的摩擦热和动力源（如电动机、油马达、液压系统、冷却系丝杠与螺母等所产生的摩擦热和动力源（如电动机、油马达、液压系统、冷却系统）工作时所发出的热。统）工作时所发出的热。（3）周围环境通过空气对流而传来的热。例如气温变化、局部室温差、热）周围环境通过空气对流而传来的热。例如气温变化、局部室温差、热风、冷风、空气流动、地基温度变化等。风
45、、冷风、空气流动、地基温度变化等。（4）日光、灯光、加热器等产生的辐射热。例如靠近窗口受日光照射的机）日光、灯光、加热器等产生的辐射热。例如靠近窗口受日光照射的机床，上、下午照射的情况不同变形不同。床，上、下午照射的情况不同变形不同。5.1.5工艺系统热变形及改善措施工艺系统热变形及改善措施5.15.1 机械加工精度机械加工精度2工艺系统热变形产生的误差及工艺系统热变形产生的误差及改善措施改善措施（1）机床的热变形。机床受各种）机床的热变形。机床受各种热源的影响，各部件将产生不同程度的热源的影响，各部件将产生不同程度的热变形，不仅破坏了机床的几何关系，热变形，不仅破坏了机床的几何关系，而且还影
46、响各成形运动的位置关系和速而且还影响各成形运动的位置关系和速度关系，从而降低了机床的加工精度。度关系，从而降低了机床的加工精度。由于各类机床的结构和工作条件相差很由于各类机床的结构和工作条件相差很大，所以引起机床热变形的热源和变形大，所以引起机床热变形的热源和变形形式也是多种多样的。图形式也是多种多样的。图5-10所示为几所示为几种机床在工作状态下热变形的趋势。种机床在工作状态下热变形的趋势。5.1.5工艺系统热变形及改善措施工艺系统热变形及改善措施5.15.1 机械加工精度机械加工精度从图中可以看出，机床床身、主轴、工作台、导轨等部件是易发生热变形的部位。对于车、铣、镗床类机床，其主要热源是
47、主轴箱和主轴轴承和齿轮的摩擦热与主轴箱中油池的发热，使箱体和床身产生变形和翘曲，从而造成主轴的位移和倾斜；磨床类机床的主要热源为砂轮主轴轴承和液压系统的发热，引起砂轮架位移、工件头架位移和导轨的变形。为了减小机床热变形对加工精度的影响，通常在机床为了减小机床热变形对加工精度的影响，通常在机床大件的结构设大件的结构设计上计上采取对称结构或采用主动控制方式均衡关键件温度，以减少其因受采取对称结构或采用主动控制方式均衡关键件温度，以减少其因受热出现的弯曲或扭曲变形对加工的影响；热出现的弯曲或扭曲变形对加工的影响；在结构连接设计上在结构连接设计上，其布局应，其布局应使关键部件的热变形位于对加工精度影响
48、较小的方向上；对发热量较大使关键部件的热变形位于对加工精度影响较小的方向上；对发热量较大的部件，应采取足够的冷却措施或采取隔离热源的方法。的部件，应采取足够的冷却措施或采取隔离热源的方法。在工艺措施方面在工艺措施方面，机床开机后可让机床空运转一段时间，使其达到，机床开机后可让机床空运转一段时间，使其达到或接近热平衡（传入热与散出热相等）时再进行加工，精密机床应安装或接近热平衡（传入热与散出热相等）时再进行加工，精密机床应安装在恒温室中使用。在恒温室中使用。（2）工件的热变形。工件在加工过程中）工件的热变形。工件在加工过程中产生热变形产生热变形主要来自于切削主要来自于切削热的作用，因其热膨胀影响
49、了尺寸精度和形状精度。由于加工方式的不热的作用，因其热膨胀影响了尺寸精度和形状精度。由于加工方式的不同，传给工件热量就不等，加上工件受热的体积不同，工件的受热均匀同，传给工件热量就不等，加上工件受热的体积不同，工件的受热均匀与否，对热变形的影响也很大。如轴类零件，在切削加工过程中均匀受与否，对热变形的影响也很大。如轴类零件，在切削加工过程中均匀受热，当精加工时热变形影响很大，主要影响尺寸精度；当细长工件在顶热，当精加工时热变形影响很大，主要影响尺寸精度；当细长工件在顶尖间加工时，切削热引起的工件热伸长会导致轴向力不断增加，致使工尖间加工时，切削热引起的工件热伸长会导致轴向力不断增加，致使工件弯
50、曲变形，加工后的工件呈鼓形，形成圆柱度和直径尺寸的误差。件弯曲变形，加工后的工件呈鼓形，形成圆柱度和直径尺寸的误差。5.1.5工艺系统热变形及改善措施工艺系统热变形及改善措施5.15.1 机械加工精度机械加工精度零件在单面加工时，由于工件单面受热，上下表面之间形成温差，零件在单面加工时，由于工件单面受热，上下表面之间形成温差，平板翘曲，产生弯曲变形，形成平板翘曲，产生弯曲变形，形成平面度误差平面度误差。为了减小热变形对加工精度影响，为了减小热变形对加工精度影响，措施：措施：在切削区施加充足的切削在切削区施加充足的切削液；提高切削速度或进给量，减少传入工件的热量；粗、精加工分开，液；提高切削速度