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1、第第2 2章章 机械加工精度及其控制机械加工精度及其控制本章要点影响加工误差的因素影响加工误差的因素工艺系统几何误差工艺系统几何误差工艺系统受力变形工艺系统受力变形工艺系统热变形工艺系统热变形加工误差的统计分析加工误差的统计分析提高加工精度途径提高加工精度途径1机械制造工艺学机械制造工艺学 第第2章章 机械加工精度及其控制机械加工精度及其控制Analysis and Control of Machining Precision2.1 概述概述Introduction to Machining Precision22.1.1 机械加工精度机械加工精度 尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在
2、位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量加工质量加工质量包含的内容32.1.1 机械加工精度机械加工精度 qq 加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数（尺寸、形状和表面间的相互位置）符合程度。qq 加工误差：零件的实际几何参数与理想几何参数的偏差。qq 加工精度内容：尺寸精度尺寸精度形状精度形状精度位置精度位置精度qq 尺寸精度、形状精度和位置精度三者之间关系：通常形状公差限制在位置公差内，而位置误差一般限制在尺寸公差之内。当尺寸精度要求高时，相应的位
3、置精度、形状精度也要求高。但形状精度或位置精度要求高时，相应的尺寸精度不一定要求高，这要根据零件的功能要求来决定。4工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。2.1.2 影响加工精度的原始误差及分类影响加工精度的原始误差及分类 原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具静止状态下的误差原始误差原始误差原始误差分类
4、原始误差分类原始误差构成52.1.2 影响加工精度的原始误差及分类影响加工精度的原始误差及分类 活塞销孔精镗工序中的原始误差定位误差F设计基准定位基准热变形对刀误差夹紧误差菱形销导轨误差62.1.3 误差敏感方向误差敏感方向 qq 图中图中：RYRRR=X显然：qq 工艺系统原始误差方向不同，工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。称为误差敏感方向。qq 误差敏感方向一般为已加工误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。表面过切削点的法线方向。误差敏感方向YR0Xa）YR0Xb
5、）72.1.4 研究加工质量的方法研究加工质量的方法 理论方法：运用物理学和力学原理，分析研究某一个或某几个因素对加工精度或表面质量的影响。试验方法：通过试验或测试，确定影响各因素与加工质量指标之间的关系。统计分析方法：运用数理统计原理和方法，根据被测质量指标的统计性质，对工艺过程进行分析和控制。物理方法物理方法数学方法数学方法X X 实际生产中上述两种方法常常结合起来应用。实际生产中上述两种方法常常结合起来应用。82.1.5 全面质量管理（全面质量管理（TQM）一个组织以质量为中心，以全员参与为基础，通过让顾一个组织以质量为中心，以全员参与为基础，通过让顾客满意和本组织成员及社会受益而达到长
6、期成功的管理客满意和本组织成员及社会受益而达到长期成功的管理途径。途径。质量第一质量第一 一切为用户服务一切为用户服务 质量形成于生产全过程质量形成于生产全过程 质量好坏凭数据说话质量好坏凭数据说话 预防为主，防检结合预防为主，防检结合 以人为本以人为本 动态管理动态管理全面质量管理概念全面质量管理概念全面质量管理基本观点全面质量管理基本观点92.1.5 全面质量管理（全面质量管理（TQM）ISO9000ISO9000质量标准质量标准ISO9000族质量标准相互关系指导性文件认证标准基础性文件名词术语ISO9000ISO9002ISO9001ISO9003ISO9004ISO8402 ISO9
7、000ISO9000是是国国际际标标准准化化组组织织（ISOISO）制制定定的的质质量量标标准准体体系系，它它由由一一系系列列质质量量标标准准组组成成，其其中中最最主主要要和和应应用用最最广广泛的有泛的有6 6项标准，各项质量标准之间的关系如图所示。项标准，各项质量标准之间的关系如图所示。102.1.5 全面质量管理（全面质量管理（TQM）ISO9000ISO9000质质量量体体系系认认证证可可以以对对 ISO9001ISO9001、ISO9002ISO9002和和ISO9003ISO9003中中任任意意一一个个进进行行认认证证。这这3 3个个认认证证标标准准在在内内容容上上是逐次包容的。是逐
8、次包容的。设计合同采购管理职责文件培训统计服务质量系统内部产品标记跟踪检测试验检验装置检验记录不合格品处理交货质量记录内部控制改进活动过程控制ISO9001（20项）ISO9001、ISO9002、ISO9003之间的关系ISO9002（18项）ISO9003（12项）11机械制造工艺学机械制造工艺学 2.2 工艺系统几何精度对工艺系统几何精度对加工精度的影响加工精度的影响Geometric Precisions of Technological System and its influence to machining Precision第第2章章 机械加工精度及其控制机械加工精度及其控制A
9、nalysis and Control of Machining Precision12qq 加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。轮廓进行加工而产生的误差。2.2.1 加工原理误差加工原理误差 式中R 球头刀半径；h 允许的残留高度。又如用阿基米德蜗杆滚刀滚切又如用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮渐开线齿轮 例如在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件（见图）例如在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件（见图）SRh空间曲面数控加工加工原理误差加工原理误差 采了近的成型运动或近的刀刃轮廓，常常可以简化机床结构或刀具
10、采了近的成型运动或近的刀刃轮廓，常常可以简化机床结构或刀具形状，或可提高生产率，有时还可得到较高加工精度。故在生产中广形状，或可提高生产率，有时还可得到较高加工精度。故在生产中广泛采用，其前提是原理误差不超过规定精度要求（通常原理误差不超泛采用，其前提是原理误差不超过规定精度要求（通常原理误差不超过过10101515工件公差）。工件公差）。132.2.2 调整误差调整误差 测量误差测量误差试切时与正式切削时切削厚度试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差不同造成的误差机床进给机构的位移误差机床进给机构的位移误差定程机构误差定程机构误差样件或样板误差样件或样板误差测量有限试件造成的误差测量有限试
11、件造成的误差和试切法有关的误差和试切法有关的误差a）b）试切法与调整法试切法试切法（图a）调整法调整法（图b）14 导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差 包包括括：导导轨轨在在水水平平面面内内的的直直线线度度，导导轨轨在在垂垂直直面面内内的的直直线线度度，前前后后导轨平行度（扭曲），导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等导轨平行度（扭曲），导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等qq 导轨导向误差对加工精度的影响 导导轨轨水水平平面面内内直直线线度度误误差差：误误差敏感方向，影响显著差敏感方向，影响显著 导导轨轨垂垂直直面面内内直直线线度度
12、误误差差：误误差非敏感方向，影响小差非敏感方向，影响小 导导轨轨扭扭曲曲：对对加加工工精精度度的的影影响响显著（图）显著（图）导轨扭曲引起的加工误差HRDBXYX2.2.3 机床误差机床误差 导轨导向误差导轨导向误差qq 导轨导向误差概念15 导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响2.2.3 机床误差机床误差 成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响fZzzc）HyR0fXZLfdDdxa）b）16 机机床床坐坐标标系系：O Oi i,j j,k k，床床鞍鞍坐坐标标系系：O O1 1i i1 1,j j1 1,k k11，工工件件坐坐标标系系：O
13、 O2 2i i2 2,j j2 2,k k22，P P 为工件上一点为工件上一点 若无导向误差，床鞍在若无导向误差，床鞍在 x x 处，处，P P点坐标：点坐标：（x x2 2,y y2 2,z z22）（x x1 1,y y1 1,z z11）（x x11+x x,y y1 1,z z11）若存在导向误差若存在导向误差（绕（绕 i i 转角），转角），P P点坐标：点坐标：2.2.3 机床误差机床误差 qq 导轨导向误差理论分析方法也可写成：也可写成：式式中中 为为变变换换矩矩阵阵，同同理理可可得得到到绕绕 i i 转转 角角、绕绕 k k 转转 角角的的变换矩阵，最后有：变换矩阵，最后有
14、：导轨导向误差分析jikk1,k2i1,i2j1,j2OO1,O2Px172.2.3 机床误差机床误差 由于由于、数值很小，有：sin=，sin=，sin=，coscos=coscos =coscos=1 1，=0 0，3 3个旋转坐标矩阵相乘与顺序无关，个旋转坐标矩阵相乘与顺序无关，于是于是可得到：不考虑平移误差，不考虑平移误差，P P点由角位移引起的线性误差：点由角位移引起的线性误差：综合考虑导向误差及进给系统线性位移误差，可得到：综合考虑导向误差及进给系统线性位移误差，可得到：182.2.3 机床误差机床误差 【例】用上述公式求解车床导轨扭曲对加工误差的影响用上述公式求解车床导轨扭曲对加
15、工误差的影响【解】车车床床车车削削外外圆圆表表面面，zz不不产产生生加加工工误误差差，yy产产生生的的加加工工误误差差可可忽忽略略不不计计（误误差差非非敏敏感感方方向向）。仅仅考考虑虑导导轨轨扭扭曲曲，则则xxt t=0=0。于是得到加工误差：于是得到加工误差：RRxxr r-y y1 1zz1 1取刀尖为取刀尖为P P点，有：点，有：导轨扭曲引起的加工误差HRDBXYX又：又：于是可得到：于是可得到：代入上式得到：代入上式得到：RRH H19qq 影响导轨导向精度的主要因素2.2.3 机床误差机床误差 机床制造误差机床制造误差 机床安装误差机床安装误差 导轨磨损导轨磨损202.2.3 机床误
16、差机床误差 主轴回转误差是指主轴实主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线际回转线对其理想回转轴线的漂移。的漂移。为便于研究，可将主轴回为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式。基本型式。主轴回转误差主轴回转误差b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动主轴回转误差基本形式qq 主轴回转误差概念212.2.3 机床误差机床误差 qq 主轴回转误差对加工精度的影响 主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为
17、：e径向跳动对镗孔精度影响式中R刀尖回转半径；主轴转角。显然，上式为一椭圆。22径向跳动对车外圆精度影响123456782.2.3 机床误差机床误差 仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆（图）。vv 思思考考：主主轴轴回回转转中中心心在在X X方方向向上上作作简简谐谐直直线线运运动动，其其频频率率为为主主轴轴转转速速两两倍倍，被被车外圆形状如何？车外圆形状如何？结结论论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差e 主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）232.2.3 机床误差机床误差 主轴端面圆跳动对加工精度的影响 被
18、被加加工工端端面面不不平平，与与圆圆柱柱面面不不垂垂直直（如如主主轴轴回回转转一一周周，端端面面跳跳动动一次，加工出的端面近似螺旋面）一次，加工出的端面近似螺旋面）加工螺纹时，产生螺距周期性误差。加工螺纹时，产生螺距周期性误差。主轴倾角摆动对加工精度的影响与与主主轴轴径径向向跳跳动动影影响响类类似似，不不仅仅影影响响圆圆度度误误差差，而而且且影影响响圆圆柱柱度度误误差。差。2 Sx主轴端面跳动引起螺距加工周期误差24AB2.2.3 机床误差机床误差 qq 影响主轴回转精度的主要因素内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差轴径不圆引起车床主轴径向跳动 滑动轴承 镗床镗床轴承孔不圆引起镗轴承孔不圆引
19、起镗床主轴径向跳动床主轴径向跳动轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动 滚动轴承 车床车床轴径不圆引起车床轴径不圆引起车床主轴向跳动（注意其频率特性）主轴向跳动（注意其频率特性）静静压压轴轴承承 对对轴轴承承孔孔或或轴径圆度误差起轴径圆度误差起均化均化作用作用252.2.3 机床误差机床误差 推力轴承 滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差 其他因素轴承孔、轴径圆度误差；轴承孔同轴度误差；轴肩、隔套端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差；装配质量等a）b）0止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响qq 影响主轴回转精度的主要因素262.2.3 机床误差机床误差 传统测量方法存在问题qq 主轴回转误差的
20、测量传统测量方法a)b)主轴回转误差测量法1摆动盘2，4传感器3精密测球5放大器6示波器 准确测量方法包含心轴、锥孔误差在内包含心轴、锥孔误差在内非运动状态。非运动状态。272.2.3 机床误差机床误差 提高主轴部件制造精度提高主轴部件制造精度 对滚动轴承进行预紧对滚动轴承进行预紧 使主轴回转精度不反映到工件上使主轴回转精度不反映到工件上qq 提高主轴回转精度的措施磨床采用死顶尖支承用镗模镗孔28qq 机床传动误差对加工精度的影响齿轮机床传动链z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd以齿轮机床传动链为例：式中n传动链末端元件转角
21、误差；kj第j个传动元件的误差传递系数，表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度，其数值等于该元件至末端元件的传动比；n传动链末端元件角速度；j第j个传动元件转角误差的初相角。2.2.3 机床误差机床误差 机床传动误差机床传动误差29 缩短传动链长度缩短传动链长度 提高末端元件的制造精度与安装精度提高末端元件的制造精度与安装精度 采用降速传动采用降速传动 采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节 对传动误差进行补偿对传动误差进行补偿末端元件转角误差末端元件转角误差传动链误差的频谱分析a)nA1A2Aib)（频率）A（幅值）12iqq 提高传动
22、精度措施2.2.3 机床误差机床误差 30末端元件转角误差末端元件转角误差2.2.3 机床误差机床误差 丝扛加工误差补偿装置1工件2螺母3母丝杠4杠杆5校正尺6触头7校正曲线附加位移螺母附加转动312.2.4 夹具制造误差与磨损夹具制造误差与磨损 L0.056F710F7k620H 7g 6YZ钻孔夹具误差分析qq 夹具误差影响加工位置精度。夹具误差影响加工位置精度。qq 与夹具有关的影响位置误差因与夹具有关的影响位置误差因素包括：素包括：qq 通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。1）定位误差；2）刀具导向（对刀）误差；3）夹紧误差；4）夹具制造误差；5）夹具安装误差；3
23、22.2.5 刀具制造误差与磨损刀具制造误差与磨损 qq 定尺寸刀具（钻头、绞刀、键槽铣刀、浮动镗刀块、拉定尺寸刀具（钻头、绞刀、键槽铣刀、浮动镗刀块、拉刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差qq 成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差qq 刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差车刀后刀面磨损对加工尺寸影响刀具磨损过程33机械制造工艺学机械制造工艺学 2.3 工艺系统受力变形对工艺系统受力变形对加工精度的影响加工精度的影响Static Stiffness of Technological Syst
24、em and its influence to machining Precision第第2章章 机械加工精度及其控制机械加工精度及其控制Analysis and Control of Machining Precision34在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比2.3.1 基本概念基本概念 qq 工艺系统刚度定义式中k工艺系统刚度；Fp吃刀抗力；x 工艺系统位移（切削合力作用下的位移）。qq 工艺系统受力变形工艺系统受力变形引起加工误差352.3.2 工艺系统刚度计算工艺系统刚度计算 式中k 工艺系统刚度；kjc 机床刚度；kjj夹具刚度；kd刀具刚度；kg工件刚度。工艺系统受力
25、变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加。由工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加。由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：qq 工艺系统刚度计算公式qq 工艺系统刚度计算说明 工件、刀具形状简单时，其刚度可用材料力学公式计算工件、刀具形状简单时，其刚度可用材料力学公式计算 对机床部件、夹具等，其刚度多采用实验方法确定对机床部件、夹具等，其刚度多采用实验方法确定 计算时可适当简化（忽略变形小的部分）计算时可适当简化（忽略变形小的部分）36qq 机床变形引起的加工误差2.3.3 工艺系统刚度对加工精度的影响工
26、艺系统刚度对加工精度的影响 式中xjc 机床总变形；Fp 吃刀抗力；ktj机床前顶尖处刚度；kwz机床后顶尖处刚度；kdj 机床刀架刚度；L工件全长；z刀尖至工件左端距离。变形随受力点变化规律xtjxwzxdjxFpAABBCCzLFAFBxz切削力作用点位置变化引起工件形状误差切削力作用点位置变化引起工件形状误差372.3.3 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 机床误差使工件加工后成鞍形机床误差使工件加工后成鞍形机床受力变形引起的加工误差qq 工件变形引起的加工误差式中xg 工件变形；E工件材料弹性模量；I工件截面惯性矩；Fp，L，z含义同前。由于工件变形，使工件加工
27、后由于工件变形，使工件加工后成鼓形成鼓形工件受力变形引起的加工误差38qq 机床变形和工件变形共同引起的加工误差qq 工艺系统刚度2.3.3 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 根根据据上上式式，测测得得了了车车床床前前顶顶尖尖、尾尾顶顶尖尖、刀刀架架三三个个部部件件的的刚刚度度，以以及及确确定定了了工工件件的的材材料料和和尺尺寸寸，就就可可按按 z z 值值，估估算算车车削削圆圆轴轴时时工工艺系统的刚度及不同处工件半径的变化。艺系统的刚度及不同处工件半径的变化。立立式式车车床床、龙龙门门刨刨床床、龙龙门门铣铣床床等等的的横横梁梁及及刀刀架架，大大型型镗镗铣铣床床滑滑枕枕
28、内内的的主主轴轴等等，其其刚刚度度均均随随刀刀架架位位置置或或滑滑枕枕伸伸出出长长度度不不同同而而异异，可参照上例方法分析进行。可参照上例方法分析进行。39式中g 工件圆度误差；m 毛坯圆度误差；k工艺系统刚度；误差复映系数。qq 以椭圆截面车削为例说明以椭圆截面车削为例说明误差复映现象ap11ap22毛坯外形工件外形由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”2.3.3 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 切削力大小变化引起的加工误差切削力大小变化引起的加工误差qq 误差复映误差复映40qq 误差复映系数误差复映系数 机机械械加加工工中中，
29、误误差差复复映映系系数数通通常常小小于于1 1。可可通通过过多多次次走走刀刀，消消除除误差复映的影响。误差复映的影响。2.3.3 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 误误差差复复映映程程度度可可用用误误差差复复映映系系数数来来表表示示，误误差差复复映映系系数数与与系系统统刚度成反比。由前面公式可得：刚度成反比。由前面公式可得：以以上上分分析析可可知知，工工件件毛毛坯坯有有形形状状误误差差或或相相互互位位置置误误差差时时，加加工工后后会会有有同同类类加加工工误误差差出出现现。在在成成批批生生产产中中用用调调整整法法加加工工一一批批工工件件时时，如毛坯直径大小不一或硬度不均匀
30、，同样会有类似情况发生。如毛坯直径大小不一或硬度不均匀，同样会有类似情况发生。以以上上分分析析仅仅考考虑虑静静刚刚度度，实实际际上上加加工工过过程程受受多多种种因因素素影影响响，例例如如毛毛坯坯的的椭椭圆圆形形及及相相应应切切深深变变化化，使使均均值值切切削削力力迭迭加加有有频频率率为为2 2倍倍于于工工件件转转速速的的简简谐谐激激振振力力，并并使使系系统统产产生生强强迫迫振振动动。因因而而实实际际结结果果会与上述分析有所不同。会与上述分析有所不同。41qq 夹紧力影响a）b）薄壁套夹紧变形薄壁工件磨削例：薄壁套夹紧变形解决：加开口套又例：薄壁工件磨削解决：加橡皮垫2.3.3 工艺系统刚度对加
31、工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 夹紧力、重力引起的加工误差夹紧力、重力引起的加工误差42龙门铣横梁变形例：龙门铣横梁龙门铣横梁变形转移龙门铣横梁变形补偿qq 重力影响2.3.3 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 解决1：重量转移解决2：变形补偿43qq 传动力影响 理论上不会产生理论上不会产生圆度误差（但会产圆度误差（但会产生圆柱度误差）生圆柱度误差）易会引起强迫振易会引起强迫振动动 解决：双销传动解决：双销传动2.3.3 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 传动力对加工精度的影响zlRXYFpFcFcdFcdxra）OOr0XYFpAF
32、cdrcd=Fcd/kcOFcFc/kcFp/kcb）传动力和惯性力引起的加工误差传动力和惯性力引起的加工误差qq 惯性力影响 与传动力类似与传动力类似 解决：静动平衡解决：静动平衡44车床刀架变形曲线X（m）10203040500123F（KN）2.3.4 机床部件刚度机床部件刚度 非非线线形形关关系系，不不完完全全是是弹弹性变形性变形 加加载载和和卸卸载载曲曲线线不不重重合合，所所围围面面积积表表示示克克服服摩摩擦擦和和接接触塑性变形所作功触塑性变形所作功 存存在在残残余余变变形形，反反复复加加载载卸载后残余变形卸载后残余变形00 机机床床部部件件刚刚度度比比按按实实体体估估算算值值小小许
33、许多多，表表明明其其变变形形受受多种因素影响多种因素影响机床部件变形曲线机床部件变形曲线qq 刀架部件变形曲线特点qq 刀架部件平均刚度 由由于于刚刚度度曲曲线线非非线线形形，取取刚刚度度曲曲线线两两端端点点连连线线的的斜斜率率表表示示平平均刚度均刚度452.3.4 机床部件刚度机床部件刚度式中c,m与接触面材料、表面状况有关的系数和指数；p表面压强。组成件的实体刚度组成件的实体刚度受力产生拉伸、压缩、弯曲变形；特别是薄受力产生拉伸、压缩、弯曲变形；特别是薄弱件（楔条、轴套等）影响较大弱件（楔条、轴套等）影响较大 连接表面接触变形连接表面接触变形其大小与接触面压强有关其大小与接触面压强有关 结
34、合面间隙结合面间隙 零件表面摩擦力的影响零件表面摩擦力的影响影响机床部件刚度因素影响机床部件刚度因素接触变形曲线xOpppxx接触刚度：接触刚度：462.3.5 减小受力变形对加工精度影响措施减小受力变形对加工精度影响措施 合理设计零部件结构和截面形状合理设计零部件结构和截面形状提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度封闭整体箱形结构472.3.5 减小受力变形对加工精度影响措施减小受力变形对加工精度影响措施 提提高高连连接接表表面面接接触触刚刚度度（表表面面粗粗糙糙度度，改改进进接接触触质质量量，予予加加载荷）载荷）支座零件不同安装方法转塔车床导向杆提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度减小载荷及其变化减
35、小载荷及其变化变形转移、补偿和校正变形转移、补偿和校正 采采用用辅辅助助支支承承（中中心心架架，跟跟刀刀架，镗杆支承等）架，镗杆支承等）采用合理装夹和加工方式采用合理装夹和加工方式482.3.6 工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形铸件残余应力引起变形冷校直引起的残余应力压拉加载压压拉拉卸载 设计合理零件结构设计合理零件结构 粗、精加工分开粗、精加工分开 避免冷校直避免冷校直 时效处理时效处理残余应力来源残余应力来源 毛毛坯坯制制造造和和热热处处理理产产生生的的残残余余应力应力减小残余应力措施减小残余应力措施 冷校直带来的残余应力冷校直带来的残余应力 切削加工带来的残余应力切削加工带来
36、的残余应力49机械制造工艺学机械制造工艺学 2.4 工艺系统热变形及其对加工艺系统热变形及其对加工精度的影响工精度的影响Heat Deformation of Technological System and its Effect to machining Precision第第2章章 机械加工精度及其控制机械加工精度及其控制Analysis and Control of Machining Precision502.4.1 概述概述 在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约4070%温度场温度场工艺系统各部分温度分布工艺系统各部分温度分布 热热平平衡衡单单位位时时间间
37、内内，系系统统传传入入的的热热量量与与传传出出的的热热量量相相等等，系系统统各部分温度保持在一相对稳定的数值上各部分温度保持在一相对稳定的数值上 温度场与热平衡研究温度场与热平衡研究目前以实验研究为主目前以实验研究为主工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热源辐射热工艺系统热变形工艺系统热变形工艺系统热源工艺系统热源温度场与工艺系统热平衡温度场与工艺系统热平衡51qq 圆柱类工件热变形5 5级丝杠累积误差全长级丝杠累积误差全长55 mm，可见热变形的严重性，可见热变形的严重性式中L，D长度和直径热变形量；L，D工件原有长度和直径；工件材料线膨胀系数；t温升。长度：长度：直径：直径：例：长
38、例：长400mm400mm丝杠，加工过程温升丝杠，加工过程温升1 1，热伸长量为：，热伸长量为：2.4.2 工件热变形对加工精度影响工件热变形对加工精度影响 工件均匀受热工件均匀受热52式中X变形挠度；L，S工件原有长度和厚度；工件材料线膨胀系数；t温升。qq 板类工件单面加工时的热变形平面加工热变形X/4LS此值已大于精密导轨平直度要求结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：2.4.2 工件热变形对加工精度影响工件热变形对加工精度影响 工件不均匀受热工件不均匀受热532.4.3 刀具热变
39、形对加工精度影响刀具热变形对加工精度影响 体体积积小小，热热容容量量小小，达达到到热平衡时间较短热平衡时间较短 温温升升高高，变变形形不不容容忽忽视视（达（达0.030.030.05mm0.05mm）qq 特点qq 变形曲线式中热伸长量；max达到热平衡热伸长量；切削时间；c时间常数（热伸长量为热平衡热伸长量约63%的时间，常取34分钟）。(min)车刀热变形曲线连续切削升温曲线冷却曲线间断切削升温曲线（m）maxb0c0.63max刀具热变形刀具热变形542.4.4 机床热变形对加工精度影响机床热变形对加工精度影响 体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长体积大，热容量大，温升不高，达到
40、热平衡时间长 结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著运转时间/h0123450150100200位移/m20406080温升/YX前轴承温升车床受热变形a）车床受热变形形态b）温升与变形曲线机床热变形特点机床热变形特点车床热变形车床热变形552.4.4 机床热变形对加工精度影响机床热变形对加工精度影响 立铣立铣立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形a）铣床受热变形形态b）外圆磨床受热变形形态c）导轨磨床受热变形形态 外圆磨外圆磨 导轨磨导轨磨其他机床热变形其他机床热变形562.4.5 减小热变形对加工精度影响的措施减小热变形对加工精度影响
41、的措施 例例：磨床油箱置于床身内，其发热使导轨中凹解决解决：导轨下加回油槽平面磨床补偿油沟又又例例：立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾。解决解决：采用热空气加热立柱后壁均衡立柱前后壁温度场 减减少少切切削削热热和和磨磨削削热热，粗粗、精精加加工工分开。分开。充分冷却和强制冷却。充分冷却和强制冷却。隔离热源。隔离热源。减少热源发热和隔离热源减少热源发热和隔离热源均衡温度场均衡温度场57 热对称结构热对称结构双端面磨床主轴热补偿1主轴2壳体3过渡套筒热伸长方向采用合理结构采用合理结构4.4.4 减小热变形对加工精度影响的措施减小热变形对加工精度影响的措施 热补偿结构（例主轴热补偿）热补偿结构（例
42、主轴热补偿）加工中心热对称结构立柱58支承距影响热变形L1L2 合理选择装配基准合理选择装配基准 高速空运转高速空运转 人为加热人为加热 恒温恒温 人体隔离人体隔离采用合理结构采用合理结构4.4.4 减小热变形对加工精度影响的措施减小热变形对加工精度影响的措施 加速达到热平衡加速达到热平衡控制环境温度控制环境温度车床主轴箱定位面位置选择x-yxyy59机械制造工艺学机械制造工艺学 2.5 加工误差统计分析加工误差统计分析Statistic Analysis of Machining Errors第第2章章 机械加工精度及其控制机械加工精度及其控制Analysis and Control of
43、Machining Precision602.5.1 加工误差的性质加工误差的性质 系统误差系统误差在顺序加工一批工件中，其大小和方向均不改变，或按一定规律变化的加工误差。常值系统误差其大小和方向在一次加工中均不改变。如加工原理误差，机床、夹具、刀具的制造误差，工艺系统在均匀切削力作用下的受力变形，调整误差，机床、夹具、量具的磨损等因素引起的加工误差。变值系统误差误差大小和方向按一定规律变化。如机床、夹具、刀具在热平衡前的热变形，刀具磨损等因素引起的加工误差。加工误差系统误差随机误差常值系统误差变值系统误差加工误差统计特性加工误差统计特性612.5.1 加工误差的性质加工误差的性质 在顺序加工
44、一批工件中，其大小和方向随机变化的加工误差在顺序加工一批工件中，其大小和方向随机变化的加工误差 随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的 随机误差服从统计学规律随机误差服从统计学规律 如如毛毛坯坯余余量量或或硬硬度度不不均均，引引起起切切削削力力的的随随机机变变化化而而造造成成的的加加工工误误差差；定位误差；夹紧误差；残余应力引起的变形等定位误差；夹紧误差；残余应力引起的变形等随机误差随机误差加工误差的统计分析加工误差的统计分析运用数理统计原理和方法，根据被测质量指标的统计性质，对工艺过程进行分析和控制。622.5.2 分布图分析法分布图
45、分析法 1）采集数据样本容量通常取n=502002）确定分组数、组距、组界、组中值按下表初选分组数k取整，dd确定分组数k：确定各组组界、组中值统计各组频数直方图直方图确定组距d：n2540406060100100100160160250k678101112分组数k的选定632.5.2 分布图分析法分布图分析法 直方图-14.5-8.55-3.5xy（频数）（偏差值）（平均偏差）-15-10-5（公差带中心）（公差带下限）（公差带上限）3）计算样本平均值和标准差:4）画直方图64 正态分布 式中式中 和和 分别为分别为 正态分布随机变量总体平均值和标准差。正态分布随机变量总体平均值和标准差。平
46、均值平均值=0=0，标准差，标准差=1=1的正态分布称为标准正态分布，记为的正态分布称为标准正态分布，记为：x xN N(0,1)(0,1)概概率率论论已已经经证证明明，相相互互独独立立的的大大量量微微小小随随机机变变量量，其其总总和和的的分分布布符符合合正正态态分分布布。大大量量实实验验表表明明，在在机机械械加加工工中中，用用调调整整法法加加工工一一批批零零件件，当当不不存存在在明明显显的的变变值值系系统统误误差差因因素素时时，则则加加工工后后零零件件的的尺寸近似于正态分布。尺寸近似于正态分布。概率密度函数概率密度函数yF（z）正态分布曲线(z=0)x(z)0z-+2.5.2 分布图分析法分
47、布图分析法 分布曲线分布曲线65 分布函数：分布函数：令：利用上式，可将非标准正态分布转换成标准正态分布进行计算，称z为标准化变量，将z 代入上式，有：2.5.2 分布图分析法分布图分析法 特征值：特征值：、xy0231xy0a）=0.5=1=2b）、对正态分布曲线的影响 66 非正态分布 xy0a）双峰分布 双峰分布：两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起xy0b）平顶分布xy0c）偏向分布 平顶分布：工件瞬时尺寸分布呈正态，其算术平均值近似成线性变化（如刀具和砂轮均匀磨损 偏向分布：如工艺系统存在显著的热变形，或试切法加工孔时宁小勿大，加工外圆时宁大勿小几种非正态分布2.5.2
48、分布图分析法分布图分析法 67 形位误差的分布 差数模分布：正态分布大于零的部分与小于零的部分对零轴线映射后的迭加如对称度、直线与平面的平行度、相邻周节误差等 瑞利分布：二维正态分布，在只考虑平面向量模情况下转换成为一维分布,如同轴度、直线与直线平行度、端面圆跳动误差等（不考虑系统误差）xy0差数模分布 瑞利综合分布：上述误差在考虑系统误差的情况下，其误差分布接近瑞利综合分布瑞利分布xzy02.5.2 分布图分析法分布图分析法 68e000-0.280.26-0.26k11.221.731.141.171.1733eT/2eT/2eT/2分布特征正态分布三角分布均匀分布瑞利分布偏态分布外尺寸内
49、尺寸分布曲线几种常见误差分布曲线e、k 值2.5.2 分布图分析法分布图分析法 q非正态分布的分散范围 分布系数k：或式中W 表示分散范围（按概率99.73计）不对称系数e：或式中e 表示分布中心与分散范围中心偏差69 判断加工性质 判断是否存在明显变值系统误差；判断是否存在明显变值系统误差；判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小。判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小。确定工序能力2.5.2 分布图分析法分布图分析法 分布图应用分布图应用 工序能力 工序能力系数式中式中TUTU,TLTL公差带上、下限公差带上、下限；公差带中心与误差分布中心偏移距离；公差带中心与误差分布中心偏
50、移距离；误差分布的标准差。误差分布的标准差。702.5.2 分布图分析法分布图分析法 y工艺能力系数符号含义x033公差带TTUTL71 工序能力等级工序能力等级工序能力系数工序等级说明CP1.67特级工序能力过高1.67CP 1.33一级工序能力足够1.33CP 1.00二级工序能力勉强1.00CP 0.67三级工序能力不足0.67CP 四级工序能力很差工序能力等级2.5.2 分布图分析法分布图分析法 CP 表示工艺过程本身的能力，而工艺能力系数CPK 则表示过程满足技术要求的能力，实际上是“过程能力”与“管理能力”的综合 72【例】2.5.2 分布图分析法分布图分析法 无心磨销轴外圆，要求