《机械制造技术基础第5章教学课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械制造技术基础第5章教学课件.ppt（320页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、机械制造技术基础第5章教学课件机械制造技机械制造技术基基础第5章机械制造质量分析与控制 5.1加工精度和加工误差 5.2零件获得加工精度的方法 5.3影响加工精度的因素及其分析 5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响 5.5系统热变形引起的加工误差第5章机械制造质量分析与控制 5.6内应力引起的变形 5.7测量误差对加工精度的影响 5.8保证和提高加工精度的途径 5.9误差的综合分析 5.10机械加工表面质量 机械加工过程中的振动5.11第5章机械制造质量分析与控制制造业是一个国家的立国之本，是一个国家民族兴旺发达的基本。产品质量的高低是反映国家制造实力的重要标志，对企业的生存和发展有着至关
2、重要的作用；而零件是构成机械产品的基本单元，零件的机械加工精度是保证产品质量的基础，决定着产品的使用性能和寿命。本章重点介绍机械加工精度的含义、尺寸精度、形状精度和位置精度，以及获得加工精度的方法；影响加工精度的因素及其分析和提高加工精度的主要方法；机械加工误差的统计分析方法、机械加工过程中的振动等内容。Part5.1加工精度和加工误差第5章机械制造质量分析与控制5.1加工精度和加工误差 1.加工精度（1）零件的尺寸精度。加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸相符的程度。（2）零件的形状精度。加工后零件的实际形状与零件理想形状相符的程度。加工精度是指零件加工后的实际尺寸、形状和位置等几何参数，与理
3、想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度越高。一般机械加工精度是在零件工作图上给定的，其包括以下几方面。（3）零件的位置精度。加工后零件的实际位置与零件理想位置相符的程度。5.1加工精度和加工误差 2.加工误差实际加工后的零件不可能与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。加工误差的大小表示了加工精度的高低。实际生产中用控制加工误差的方法来保证加工精度。5.1加工精度和加工误差 3.误差的敏感方向加工误差对加工精度影响最大的方向为误差的敏感方向。例如，车削外圆柱面，加工误差的敏感方向为外圆的直径方向。Part5.2零件获得加工
4、精度的方法第5章机械制造质量分析与控制5.2零件获得加工精度的方法 1.获得尺寸精度的方法定尺寸刀具法定尺寸刀具法调整法调整法自动控制法自动控制法主动测量法主动测量法试切法试切法(1)(2)(3)(4)(5)5.2零件获得加工精度的方法（1）试切法。通过试切测量调整再试切，直至测量结果达到图纸给定的要求。试切法不需要复杂的装备，加工精度取决于工人的技术水平和量具的精度，常用于单件小批量生产。（2）调整法。调整法是指按零件规定的尺寸预先调整机床、夹具、刀具和工件的相互位置，并且这个位置在零件的加工过程中保持不变，以保证零件加工尺寸精度的加工方法。调整法对调整工的要求高，但对操作工的要求不高，又因
5、其生产效率高，故常用于成批及大批量生产。5.2零件获得加工精度的方法（3）定尺寸刀具法。定尺寸刀具法即加工时利用一定形状和尺寸精度的刀具，使加工表面达到要求的形状和尺寸的加工方法。例如，用钻头、铰刀、键槽铣刀等刀具的加工即为定尺寸刀具法。定尺寸刀具法生产率较高，加工精度较稳定，广泛地应用于各种生产类型。（4）自动控制法。自动控制法是指把测量装置、进给装置和控制机构组成一个自动加工系统，使加工过程中的尺寸测量、刀具的补偿和切削加工一系列工作自动完成，从而自动获得所要求的尺寸精度的加工方法。该方法生产率高，加工精度稳定，劳动强度低，适应于批量生产。5.2零件获得加工精度的方法（5）主动测量法。主动
6、测量法是指在加工过程中，边加工边测量加工尺寸，并将测量结果与设计要求比较后，或使机床工作，或使机床停止工作的加工方法。该方法生产率较高，加工精度较稳定，适应于批量生产。5.2零件获得加工精度的方法 2.获得形状精度的方法轨迹法成形法仿形法展成法5.2零件获得加工精度的方法(1)轨迹法。轨迹法是依靠刀尖运动轨迹来获得形状精度的方法。刀尖的运动轨迹取决于刀具和工件的相对成形运动，因而所获得的形状精度取决于成形运动的精度。普通车削、铣削、刨削和磨削等均为刀尖轨迹法。(2)成形法。成形法是利用成形刀具对工件进行加工的方法。成形法所获得的形状精度取决于成形刀具的形状精度和其他成形运动精度。用成形刀具或砂
7、轮进行车、铣、刨、磨、拉等加工的均为成形法。5.2零件获得加工精度的方法(3)仿形法。仿形法是刀具依照仿形装置进给获得工件形状精度的方法。例如，使用仿形装置车手柄、铣凸轮轴等。(4)展成法。展成法又称为范成法，它是依据零件曲面的成形原理，通过刀具和工件的展成切削运动进行加工的方法。展成法所得到的被加工表面是刀刃和工件在展成运动过程中所形成的包络面，刀刃必须是被加工表面的共轭曲线，所获得的精度取决于刀刃的形状和展成运动的精度。滚齿、插齿等均为展成法。5.2零件获得加工精度的方法 3.获得位置精度的方法工件的位置精度取决于工件的安装（定位和夹紧）方式及其精度。获得位置精度的方法有以下几种。5.2零
8、件获得加工精度的方法画线找正安装。画线找正安装即用划针以毛坯或半成品上所画的线为基准，找正它在机床上的正确位置的一种安装方法。（1）找正安装法。找正是用工具和仪表根据工件上的有关基准，找出工件有关几何要素相对于机床的正确位置的过程。用找正法安装工件称为找正安装，找正安装又可分为以下两种类型。直接找正安装。直接找正安装即用划针和百分表或通过目测直接在机床上找正工件正确位置的安装方法。此法的生产率较低，对工人的技术水平要求高，一般只用于单件小批量生产中。5.2零件获得加工精度的方法5.2零件获得加工精度的方法 4.影响加工精度的基本因素及改善措施影响尺寸精度和形状精度的基本因素及改善措施分别见表5
9、-1和5-2。表5-1影响尺寸精度的基本因素及改善措施5.2零件获得加工精度的方法续表5.2零件获得加工精度的方法表5-2影响形状精度的基本因素及改善措施5.2零件获得加工精度的方法续表5.2零件获得加工精度的方法续表Part5.3影响加工精度的因素及其分析第5章机械制造质量分析与控制5.3影响加工精度的因素及其分析研究零件的机械加工精度，就是研究工艺系统原始误差的物理、力学本质，掌握其基本规律，分析原始误差与加工误差之间的定性和定量关系，这是保证和提高零件加工精度的必要理论基础。通常把工艺系统的误差称为原始误差。工件在加工过程中可能出现的原始误差包括原理误差、工件装夹误差、工艺系统静误差（机
10、床误差、夹具误差、刀具误差等）、调整误差、工艺系统动误差（工艺系统受力变形、工艺系统热变形、刀具磨损、工件内应力引起的变形等）和测量误差。5.3.1原理误差 1.采用近似的成形运动所造成的误差（1）用展成法加工渐开线齿轮。理论上，在做零件时，工件与刀具运动轨迹必须有准确的联系，才可保证工件的质量高度合格。例如,加工渐开线齿轮时，理论上加工出来的齿线应该是一个光滑的渐开线表面，但因为在一周之内滚刀或插刀只能由有限个切削刃构成，所以，被加工齿轮的齿形是由刀具上有限条切削刃在一系列顺序位置上所切除的折线包络而成。这样就造成了不可避免的误差。（2）用近似运动传动比加工模数螺纹。在车削或磨削模数螺纹时，
11、理论上要求主轴与丝杆之间的传动比满足一个关系式，但是这个关系式当中有一个圆周率，圆周率本身就不是一个整数，无论怎样都只能得到近似值，所以加工后必有误差。5.3.1原理误差 2.采用近似的刀具轮廓所造成的误差（1）用齿轮滚刀加工渐开线齿轮。加工渐开线齿轮的齿轮滚刀应该采用渐开线蜗杆滚刀，但因制造困难，实际上是采用阿基米德蜗杆滚刀或法向直廓蜗杆滚刀来代替渐开线蜗杆滚刀，这种代替的方法必然会使工件产生误差。（2）用模数铣刀加工渐开线齿轮。渐开线齿轮的齿形完全取决于基圆的半径，要想使精度更高，必须制造很多把铣刀，但是这不仅不经济而且不可行。如此的话，精度的确会越来越高，但是既不经济又难以管理，所以在采
12、用相似的替代法的时候也一定会产生误差。以上就是原理误差的产生原因，虽然知道这些误差的来源，但是并不需要都将误差缩小到最小。在实际生产中，只需要满足产品需求的标准即可。5.3.2机床误差机床误差来自三个方面，即机床本身的制造、磨损和安装。机床的几何误差主要由主轴回转误差、导轨误差及传动链误差组成，所以，本节主要介绍这三个方面。5.3.2机床误差 1.主轴回转误差主轴回转误差是指主轴实际回转轴线对理想回转轴线的变动量，而理想回转轴线是基准主轴的轴线，是直线。主轴的回转误差可分解为端面圆跳动、径向圆跳动和角度摆动三种基本形式，如图5-1所示。图5-1主轴回转运动误差的三种基本形式5.3.2机床误差端
13、面圆跳动是实际回转轴线沿坐标回转轴线方向的轴向运动。径向圆跳动是实际回转轴线始终平行于坐标回转轴线方向的径向运动。角度摆动是实际回转轴线与坐标回转轴线成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动。一系列科学理论分析及实践表明，机床主轴采用滑动轴承时，轴承孔和轴颈表面的圆度误差是影响主轴回转精度的主要因素。如回转类机床，因切削力的方向不变，故主轴回转时在支承上的作用力方向也不变。此时，主轴支承上的圆度误差影响较小，而轴承孔的圆度误差影响较大。5.3.2机床误差主轴回转精度的测量方法，即在生产现场中使用的测量主轴轴线的跳动、窜动和摆动的方法如图5-2所示。图5-2主轴回转精度的传统测量方法5.3.2机
14、床误差首先，在主轴孔中插入一根精密芯棒，在芯棒的表面及端面放置千分表进行测量，测得的径向移动有两种，即主轴回转轴线的径向移动和锥孔相对于回转轴线的偏心所引起的径向移动，因此无法加以区分。其次，测量是在主轴慢速回转下进行的，主轴在工作转速下的回转误差不能反映出来。目前较为先进的测量方法是：通过传感器在主轴以工作速度旋转的情况下进行采样，然后经过一系列分析处理，主轴的各项误差就可以得出。5.3.2机床误差提高主轴回转精度的措施如下：（1）影响主轴精度的关键部件是轴承，对一些机床采用合适的零件，如精密机床适合采用精密滚动轴承、多油楔动压和静压滑动轴承。（2）减少机床主轴回转误差对加工精度的影响。例如
15、,在外圆磨削加工中，采用固定顶尖磨削外圆，由于前、后顶尖都是不转的，因此避免了主轴回转误差对加工精度的影响。（3）对滚动轴承进行预紧，以消除间隙，减小误差。（4）提高主轴箱体支承孔、主轴轴颈与轴承相配合的零件有关表面的加工精度。5.3.2机床误差 2.导轨误差导轨不仅是运动的基准，也是确定主要部件相对位置的基准，它的各项误差直接影响被加工工件的精度。经分析，垂直面和水平面的弯曲程度对加工精度的影响程度相差甚大，以下以图5-3为例，用公式加以分析。图5-3刀具在不同方向上的位移量对工件的影响5.3.2机床误差如图5-3（a）所示，导轨在垂直面的弯曲使刀尖在垂直面内产生位移量z，引起工件上的半径误
16、差R。有 （R+R）2=z2+R2 忽略（R）2项，得即工件的直径误差为5.3.2机床误差如图5-3（b）所示，导轨在水平面内弯曲使刀尖在水平面内位移y，引起工件在半径上的误差R。因R=y，故工件直径上的加工误差为D=2y。现假设y=z=0.1 mm，D=40 mm，则 由上式可知，垂直面的弯曲程度对加工精度的影响可忽略不计，而水平面同样大小的弯曲程度就不能忽略。在具体的实际生产中并不是只需注意水平面的弯曲，而是需要根据具体问题具体分析。5.3.2机床误差如图5-4所示，在转塔车床上加工时往往把刀具垂直安装，在这种情况下，导轨在垂直面内的误差就不能忽略不计。图5-4转塔车床刀具安装5.3.2机
17、床误差根据上述情况就引出了一个重要概念误差的敏感方向。一般情况下，加工表面的法线方向为误差的敏感方向。为了方便起见，在无特殊说明的情况下，使工艺系统的坐标系与切削力的坐标系统一，即加工表面的法线方向为y向，切向为z向，故y向为误差敏感方向，如图5-5所示。图5-5车床和磨床的床身导轨误差5.3.2机床误差Eye-Catching Visual（1）在垂直面内的直线度（弯曲）（2）在水平面内的直线度（弯曲）（3）前后导轨的平行度（扭曲）车床和磨床的床身导轨误差共有三项。5.3.2机床误差上述三项误差对于加工的影响，因加工方法和加工表面不同而异。导轨误差引起的刀具与工件在误差敏感方向的相对位移是讨
18、论导轨误差对加工精度的影响时要考虑的主要内容。机床导轨的几何精度取决于很多方面，如制造精度、使用的磨损情况和机床的安装情况。正因为有这么多的影响因素，无论在新机床出厂检验时，还是在安装后投入生产前，人们所要做的工作都是按照制造厂的机床说明书中的规定，检验安装水平。特别是导轨长度较长的龙门刨床、龙门铣床和导轨磨床等，它们的床身导轨是一种细长的结构，刚性较差，在本身自重的作用下就容易变形。如果安装得不正确，或地基做得不好，一段时间后就会发生下沉，使床身弯曲，形成上述的种种原始误差。5.3.2机床误差（1）垂直平面内的直线度误差。采用与导轨相配合的桥板、水平仪，在导轨纵向上分段检测，记下水平仪的读数
19、，画出曲线图，然后计算其误差大小和判断凹凸程度。（2）前后导轨的平行度误差。也采用桥板和水平仪，在导轨的几个横向上检测，取最大代数差。导轨三项误差的常规检查方法如下：（3）水平面内的直线度误差。采用桥板和准直仪检查较为普遍。5.3.2机床误差以上三种检查方法都较费工时。对于车床而言，只要检测出上述后两项（前后导轨的平行度和水平面内的直线度误差）综合形成的水平方向的原始误差即可。因此，有人就提出以下的检测方法，如图5-6所示。图5-6导轨原始误差的检测方法5.3.2机床误差 3.传动链误差在加工螺纹、齿轮时，需保证工件与刀具间有严格的运动关系。例如，车削丝杠螺纹要求工件转一转，刀具应移动一个导程
20、；这种相连的运动关系是由机床的传动系统即传动链来保证的，因此有必要对此进行分析，如图5-7所示。图5-7传动链误差5.3.2机床误差5.3.2机床误差在加工中传动链误差会有诸多影响，所以要尽量减小这种误差带来的影响。为了提高传动链的传动精度，可采取以下措施：最大可能缩短传动链，传动件的件数越少，传动精度越高。（1）传动件的制造和安装精度需要提高，尤其是末端零件的精度。因为它的原始误差对加工精度的影响要比传动链中其他零件的影响大。（2）尽可能采用降速运动。在同样误差的情况下，采用降速运动时，其对加工误差的影响较小。速度降得越多，对加工误差的影响越小。（3）消除传动链中齿轮副的间隙，减小误差。（4
21、）采用一系列误差校正机构对传动误差进行补偿。5.3.3调整误差调整误差在这里指的是工艺系统尺寸的调整误差，即在加工时机床夹具工件刀具调整产生的误差。误差产生的原因有很多，如调整中所用标准件、样件本身的加工误差，调整过程中测量工件时所产生的测量误差，以及机床某些机构的制造精度、动作的灵敏度。工艺系统的调整有两种基本方式，即试切法调整和调整法调整。5.3.3调整误差 1.试切法调整试切法调整需调整以下两个方面的误差。（1）测量误差。测量结果与实际值之间的差值称为误差。真实值（真值）是客观存在的，是在一定时间及空间条件下体现事物的真实数值，但很难确切表达。测得值是测量所得的结果。这两者之间总是或多或
22、少地存在一定的差异，就是测量误差。5.3.3调整误差（2）机床进给机构的位移误差。当试切最后一刀时，往往要按刻度盘的显示值来微量调整刀架的进给量，这时常会出现进给机构的“爬行”现象，使刀具的实际位移与刻度盘显示值不一致，造成加工误差。试切厚度与正式切削层厚度不一致：精加工时，试切的最后一刀往往很薄，切削刃只起挤压作用而不起切削作用；但正式切削时的背吃刀量较大，切削刃不打滑，就会多切工件。因此，工作尺寸就与试切时不同，形成工件的尺寸误差。5.3.3调整误差 2.调整法调整影响调整精度的因素有以下三个方面。（1）用定程机构调整时，调整精度取决于行程挡块、靠模及凸轮等机构的制造精度和刚度。（2）用样
23、件或样板调整时，调整精度取决于样件或样板的制造、安装和对刀精度。（3）工艺系统初调好以后，般要试切几个工件，并以其平均尺寸作为判断调整是否准确的依据。由于试切加工的工件数（抽样件数）不可能太多，不能完全反映整批工件切削过程中的各种随机误差，因此，试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合，也会造成加工误差。Part5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响第5章机械制造质量分析与控制5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响 1.基本概念由机床、夹具、工件和刀具所组成的工艺系统是一个弹性系统，在加工过程中，由于切削力、传动力、惯性力、夹紧力及重力的作用，会产生弹性变形，从而破坏了刀具与工件之
24、间的准确位置，产生加工误差。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响例如，在车床上用卡盘装夹加工轴的外圆，可能会产生带有锥度的圆柱度误差，如图5-8（a）所示；在内圆磨床上磨孔时，由于内圆磨头的主轴完全变形，磨出的孔可能会产生带有锥度的圆柱度误差，如图5-8（b）所示。图5-8工艺系统受力引起的误差5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响（1）工艺系统受力变形对加工精度的影响。切削过程中受力点位置变化引起的加工误差。在切削过程中，工艺系统的刚度随切削力着力点位置的变化而变化，进而引起系统变形的差异，使零件产生加工误差。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响在两顶尖间车削粗而短的光轴时，由于工
25、件刚度较大，在切削力作用下的变形相对于机床、夹具和刀具的变形要小得多，因此可忽略不计。此时，工艺系统的总变形完全取决于机床床头、尾架（包括顶尖）和刀架（包括刀具）的变形，工件产生的误差为双曲线圆柱度误差。在两顶尖间车削细长轴时，由于工件细长，刚度小，在切削力作用下，其变形大大超过了机床夹具和刀具的受力变形。因此，机床、夹具和刀具的受力变形可略去不计，此时，工艺系统的变形完全取决于工件的变形，工件产生腰鼓形圆柱度误差。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响毛坯加工余量不均、材料硬度变化导致切削力大小变化引起的加工误差误差复映。工件的毛坯外形虽然具有粗略的零件形状，但它在尺寸、形状及表面层材料硬
26、度均匀性上都有较大的误差。毛坯的这些误差在加工时使切削深度不断发生变化，从而导致切削力的变化，引起工艺系统产生相应的变形，使得零件在加工后还保留与毛坯表面类似的形状或尺寸误差。当然，工件表面残留的误差比毛坯表面误差要小得多，这种现象称为误差复映规律，所引起的加工误差称为复映误差。可以通过提高工艺系统的刚度和多次走刀来减少复映误差。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响（2）减小工艺系统受力变形的主要措施。提高机床部件的刚度。提高工件安装时的夹紧刚度。提高工件加工时的刚度。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响 2.工艺系统刚度的计算工艺系统的刚度是指整个系统在外力作用下抵抗使其变形的能力。
27、它是由组成工艺系统各部件的刚度决定的。工艺系统的总变形量为 xt=jc+dj+jj+gj而工艺系统各部件的刚度为5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响式中，Fp为切削力，N;xt为工艺系统总变形，mm；xt为工艺系统总刚度，N/mm；jc为机床变形量，mm；jc为机床刚度，N/mm；jj为夹具的变形量，mm；jj为夹具的刚度，N/mm；dj为刀架的变形量，mm；dj为刀架的刚度，N/mm；gj为工件的变形量，mm；gj为工件的刚度，N/mm。工艺系统刚度的一般式为若已知工艺系统各组成部分的刚度，就可以求出工艺系统的刚度。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响 3.工艺系统受力变形引起的误差
28、分析切削力作用点位置变化引起了工件形状误差。在切削过程中，工件系统的刚度会随切削力作用点位置的变化而变化，因而使工艺系统受力变形也随之变化，引起工件误差。（1）机床的变形。在机床两顶尖间加工一短而粗的工件，同时车刀悬伸长度很短，即工件和刀具的刚度好，忽略其受力变形来讨论机床的变形。假定工件的加工余量很均匀，车刀进给过程中切削力保持不变。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响设当车刀处于图5-9所示的x位置时，车床前顶尖受作用力FA，其变形ytj=AA；尾座顶尖受力FB,其变形ywz=BB；刀架受力Fy，其变形ydj=CC。图5-9切削力作用点位置变化引起的工件形状误差5.4工艺系统的受力变形
29、对加工精度的影响这时工件轴心线AB位移到AB,因而刀具切削点C处工作轴线的位移yx为式中，L为工件长度，mm；x为车刀至主轴箱的距离，mm。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响考虑到刀架的变形方向与工件轴线的变形方向相反，所以，机床的总变形为 yjc=yx+ydj 由刚度定义可知 式中，ktj、kwz、kdj为主轴箱、尾座、刀架的刚度,N/mm。代入机床总变形公式中，最后可得机床的总变形为 5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响这说明，随着切削力作用点位置的变化，工艺系统的变形是变化的。显然，这是工艺系统的刚度随切削力作用点变化而变化所致的。将x=0（前顶尖处）、x=L（后顶尖处）、x=
30、L/2（中间）分别代入，并比较它们的结果可知，刀尖处于工件中间时系统的变形最小，刀尖处于工件两端时系统的变形较大。加工后，工件呈马鞍形的轴向形状误差。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响（2）工件的变形。若在两顶尖间车削刚性很差的细长轴，则工艺系统中的工件变形必须考虑。假设此时不考虑机床和刀具的变形，即可由材料力学公式计算工件在切削点的变形量为将x=0（前顶尖处）、x=L（后顶尖处）、x=L/2（中间）分别代入，并比较它们的结果可知，刀尖处于工件中间时系统的变形最大，刀尖处于工件两端时系统变形最小。加工后，工件呈腰鼓形的轴向形状误差。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响（3）工艺系统的
31、总变形。当同时考虑机床和工件的变形时，工艺系统的总变形为两者的叠加（对于本例，车刀的变形可以忽略），即 工艺系统的刚度为可以看出，当工艺系统的位移沿工件长度方向是不同加工时，如果毛坯形状误差较大或材料硬度很不均匀，也会引起切削力的变化，造成工件加工误差。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响例如，车削一椭圆形横截面毛坯，加工时，刀具调整好位置。在工件每转一转中，背吃刀量发生变化，假设毛坯材料的硬度是均匀的，那么背吃刀量最大处的切削力最大，相应的变形也最大；背吃刀量最小处的切削力最小，相应的变形也最小。由此可知，当车削具有圆度误差的毛坯时，由于工艺系统受力变形的变化而使工件产生相应的圆度误差,
32、这种现象称为误差复映。若工艺系统的刚度为k，则工件的圆度误差为5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响称为误差复映系数。由于其总是小于1，因此是一个小于1的正数。它定量地反映了毛坯误差经加工后减小的程度，减小C或增大k都能使误差减小。例如，减小进给量f，即减小C，既使误差减小，又可提高加工精度，但切削时间增长。如果设法增大工艺系统刚度k，不但能减少加工误差，而且可以在保证加工精度的前提下相应增大进给量，提高生产率。当工件的加工精度要求高时，可增加走刀次数来减少工件的复映误差。设1、2、3分别为第一、第二、第三次走刀时的误差复映系数，则有 g1=1m g2
33、=2g1=12m g3=3g2=123m 总的误差复映系数为 总=1235.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响由于它是一个小于1的正数，因此在多次走刀后，毛坯的误差就可以减小到满足精度要求的理想值。这就是精度要求高的零件安排加工次数多的原因。由以上分析可知，当工件毛坯有形状误差（如圆度、圆柱度、直线度等误差）或相互位置误差（如偏心、径向圆跳动等误差）时，都会以一定的复映系数复映成工件的加工误差。在成批大量生产中用调整法加工一批工件时，如毛坯尺寸不一或材质不均匀，都会使切削力发生变化，加工后造成一批工件的尺寸分散。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响由以上分析可知，可以把误差复映的概念推广
34、到以下几点。（1）每件毛坯的形状误差，圆度、圆柱度、同轴度（偏心、径向跳动等）、平直度等误差都以一定的复映系数复映成工件的加工误差，这是切削余量不均匀引起的。（2）在车削的一般情况下，由于工艺系统刚度比较高，复映系数远小于1，在23次走刀以后，毛坯误差下降很快。尤其是第二次、第三次走刀时的进给量f2和f3常常是递减的（半精车、精车），复映系数和也就递减，加工误差的下降更快。所以在一般车削时，只有在粗加工时用误差复映的规律估算加工误差才有实际意义。但在工艺系统刚度较低的场合下，误差复映现象较明显，有时需要从实际反映的复映系数着手分析提高加工精度的途径。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响（3
35、）在大批量生产中，都是采用定尺寸调整法加工的，即在刀具调整到一定的背吃刀量后，工件就一件件连续加工下去，不再逐次试切，逐次调整背吃刀量。这样对于一批尺寸大小不同的毛坯而言，每件毛坯的加工余量受误差复映的影响，造成了一批工件的“尺寸分散”。为了保持尺寸分散不超出允许的公差范围，就有必要查明误差复映的大小。这也是在分析和解决加工精度问题时常常遇到的一项工作。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响夹紧力引起的加工误差。在机床加工过程中，如在压筋机的压筋过程中，难免会遇到误差的问题。根据以往经验总结，一般工件在装夹时，由于工件刚度较低或夹紧力着力点不当，会使工件产生相应的变形，造成加工误差。如用三爪
36、卡盘夹持薄壁套筒的夹紧变形误差，假定坯件是正圆形，夹紧后坯件呈三棱形，虽加工出的孔为正圆形，但松开后，套筒弹性恢复使孔又变成三棱形。为了减少加工误差，应使夹紧力均匀分布，可采用开口过渡环或专用卡爪夹紧。如一些加工发动机连杆大头孔的装夹中，由于夹紧力作用点不当，造成加工后两孔中心线不平行及其与定位端面不垂直。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响机床部件和工件本身重量引起的加工误差。工艺系统有关零件自身重力所引起的变形，也会造成加工误差。例如，大型立车在刀架的自重下引起了横梁变形，造成了工件端面的平面度误差和外圆上的锥度误差。工件的直径越大，加工误差也越大。大型工件自重引起的变形有时成为产生加
37、工形状误差的主要原因。在实际生产中，装夹大型工件时，恰当地布置支承可以减小自重引起的变形。传动力和惯性力引起的加工误差。当在车床上用单爪拨盘带动工件回转时,传动力在拨盘的每转中不断改变其方向;对于高速回转的工件,如果其重量不平衡,将会产生离心力,它和传动力一样在工件的转动中不断地改变方向。这样,工件在回转中因受到不断变化方向的力的作用而产生加工误差。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响 4.减少工艺系统受力变形的主要措施减少工艺系统受力变形是保证加工精度的有效途径之一。在生产实际中常采取如下措施:（1）提高接触刚度。所谓接触刚度就是互相接触的两表面抵抗变形的能力，提高接触刚度是提高工艺系统
38、刚度的关键。常用的方法是改善工艺系统主要零件接触面的配合质量，提高配合面的表面粗糙度和形状精度，增加实际接触面积、微观表面和局部区域的弹性，使塑性变形减少，从而有效地提高接触刚度。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响（2）提高工件定位基面的精度和表面质量。工件的定位基面若存在较大的尺寸、形位误差和表面质量差，在承受切削力和夹紧力时可能产生较大的接触变形，因此，精密零件加工用的基准面需要随着工艺过程的进行逐步提高精度。（3）设置辅助支承，提高工件刚度，减小受力变形。切削力引起的加工误差往往是因为工件本身刚度不足或工件各个部位刚度不均匀而产生的。当工件材料和直径一定时，工件长度和切削分力是影响
39、变形的决定性因素。为了减少工件的受力变形，常采用中心架或跟刀架，以提高工件的刚度，减小受力变形。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响（4）合理装夹工件，减少夹紧变形。当工件本身薄弱、刚性差时，夹紧时应特别注意选择适当的夹紧方法。尤其是在加工薄壁零件时，为了减少加工误差，应使夹紧力均匀分布，缩短切削力作用点和支承点的距离，提高工件刚度。（5）对相关部件预加载荷。例如，机床主轴部件在装配时通过预紧主轴后端面的螺母给主轴滚动轴承以预加载荷，这样不仅能消除轴承的配合间隙，而且在加工开始阶段就使主轴与轴承有较大的实际接触面积，从而提高了配合面间的接触刚度。5.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响（6
40、）合理设计系统结构。在设计机床夹具时，应尽量减少组成零件数，以减少总的接触变形量；选择合理的结构和截面形状；并注意刚度的匹配，防止出现局部环节刚度低的现象。（7）提高夹具、刀具刚度，改善材料性能。（8）控制负载及其变化。适当减少进给量和背吃刀量，可减少总切削力对零件加工精度的影响；此外，改善工件材料性能及改变刀具几何参数（如增大前角等）都可减少受力变形；将毛坯合理分组，使每次调整中加工的毛坯余量比较均匀，能减小切削力的变化，减小误差复映。Part5.5系统热变形引起的加工误差第5章机械制造质量分析与控制5.5.1热变形及其热源加工时，工艺系统受到热变形的影响。工件、刀具及机床的许多部分都会因温
41、度的升高而产生复杂的变形，从而改变它们之间的相互位置，破坏工件与刀具之间相对运动的正确性，改变已调整好的加工尺寸，引起背吃刀量和切削力的改变，破坏传动链的精度，等等。所以，工艺系统的热变形对加工精度具有显著的影响，特别是在精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%70%。5.5.1热变形及其热源5.5.2热变形及其对加工精度的影响由于各类机床的结构和工作条件相差很大，因此引起机床热变形的热源和变形形式也是多种多样的。根据热变形对加工精度影响的不同，可以把机床分为三类。（1）加工精度要求很高或较高的精密机床，如坐标镗床和磨床类机床。（2）半自动和自动机床。在整个工作时
42、间（一班或一昼夜）内，都要求这些机床在一次调整后加工精度稳定。但机床的热变形会导致加工精度（尺寸、形状、位置等）不断地变化，以至于超差。（3）床身较长的机床。由于床身与地基的温差使导轨弯曲变形，破坏加工精度（如导轨磨床和龙门刨床）。5.5.2热变形及其对加工精度的影响图5-10所示为几种机床在工作状态下热变形的大概趋势。由于机床本身产生了热变形，引起了刀具和工件相对位置的变化，从而产生不同的加工误差。图5-10几种机床在工作状态下热变形的大概趋势5.5.3减少机床热变形对加工精度影响的基本措施 1.结构措施（1）采用热对称结构。在变速箱中，将轴、轴承、传动齿轮等对称布置，可使箱壁温升均匀，箱体
43、变形减小。机床大件结构和布局对机床的热态特性有很大的影响，近年来，国内外都进行了系统的研究，提出了“热对称结构”的设计思想。5.5.3减少机床热变形对加工精度影响的基本措施【例5-1】立柱热对称结构式加工中心（见图5-11）在受热影响下，单立柱结构产生相当大的扭曲变形；而双立柱结构由于左右对称，仅产生垂直方向的平移（这种单向的原始误差，很容易用垂直坐标移动的修正量来补偿掉）。因此，双立柱结构的机床主轴相对于工作台的热变形比单立柱结构要小得多。图5-11立柱热对称结构式加工中心5.5.3减少机床热变形对加工精度影响的基本措施【例5-2】机床大件结构和布局对机床热态特性有很大影响这一论断，在国内某
44、厂生产的B665型出口牛头刨床上也得到了验证。按该厂设计的滑枕截面结构，如图5-12（a）所示，“滑枕移动对上工作台面的平行度”这项指标一直不稳定，夏天生产的合格品，到了冬天又不合格了。经过试验：高速运动滑枕，停车后立即观察夹在刀柱上、支在工作台前端的百分表读数，得出滑枕热变形曲线，如图5-12（c）所示，最大变形可达0.25 mm以上。其原因就是运动下的导轨部分摩擦生热，而该部分的质量较大、热量多，所以，滑枕截面底部的热膨胀比上部大，迫使整个滑枕弯曲变形。后来就更改了结构设计，将导轨布置在滑枕截面中间，用在BA6063型牛头刨床上，滑枕的翘曲变形下降到 0.010.015 mm，达到规定要求
45、。5.5.3减少机床热变形对加工精度影响的基本措施图5-12牛头刨床滑枕结构热变形及其改进5.5.3减少机床热变形对加工精度影响的基本措施（2）在设计上使关键件的热变形避开加工误差的敏感方向。【例5-3】在图5-13所示的车床主轴箱和床身连接的结构中，图5-13（a）比图5-13（b）有利。前者的主轴轴心线对于安装基准而言，只有Z方向的热变形不在加工误差的敏感方向上，因此它对加工精度的影响很小；而后者除了Z方向的热变形外还产生Y方向的热变形，它对加工精度有直接影响。图5-13主轴箱的两种装配结构的热变形的示意图5.5.3减少机床热变形对加工精度影响的基本措施（3）合理安排支承的位置，使产生热变
46、形（对加工精度有直接影响）的有效部分缩短。【例5-4】图5-14（a）的结构就比图5-14（b）的结构好。因为控制砂轮架Y方向位置的丝杠的有效长度，在图5-14（a）中为L1，比图5-14（b）中的L短，所以热变形所产生的加工误差较小。图5-14支承距离对砂轮架热变形的影响5.5.3减少机床热变形对加工精度影响的基本措施（4）减小热源的发热和隔离热源。可分离出的热源（如电动机、变速箱、液压系统、冷却系统等）均应移除。不可分离的热源（如主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等）可以从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热。对于发热大的热源，采用足够冷却的措施，扩大散热表面，保证良好的自然冷却条
47、件，使用强制式的空气冷却、水冷却、循环润滑等措施。隔离热源。隔离热源可从根本上减少机床的热变形，不少实验证明，将油池（连同油泵、阀等）、冷却液箱等作为独立的单元从机床中移到外面以后，机床的热变形可显著下降。5.5.3减少机床热变形对加工精度影响的基本措施（5）采用热补偿法，均衡关键件的温升，避免弯曲变形。【例5-5】如图5-15所示，平面磨床采用热空气来加热温升较低的立柱后壁，以均衡立柱前后壁的温升，这样可以显著地降低立柱的弯曲变形。实心黑圆表示测量位置。热空气从电动机风扇排出，通过特设的管道导向防护罩和立柱后壁的空间，然后排到外面。在这种情况下，被加工工件的端面的平面度可以降低到未采取措施之
48、前的1/31/4。图5-15在平面磨床上用热空气5.5.3减少机床热变形对加工精度影响的基本措施 2.工艺措施（1）在安装机床的区域内保持恒定的环境温度，如均匀安排车间内加热器、取暖系统等的位置，使热流的方向不朝向机床，以及建立车间门斗或帘幕，等等。此外，精密机床还不应受到阳光的直接照射，以免引起不均匀的热变形。5.5.3减少机床热变形对加工精度影响的基本措施（2）将精密机床中的坐标镗床、螺纹机床和齿轮机床等安装在恒温室中使用。恒温精度应严格控制（一般精度为1，精密级为0.5，超精密级为0.01）。恒温温度可按季节适当地加以变动。经我国有关设计院、研究所和工厂的实验研究结果可知，试行按季节调温
49、的措施（例如，春、秋季取20，夏季取23，冬季取17），既不影响制造质量，又可节省投资和水电消耗，还有利于工人的健康。（3）让机床在开车后空转一段时间，在到达或接近热平衡后进行加工。在加工有些精密零件时，尽管有不切削的间断时间，但仍让机床空转，以保持机床的热平衡。5.5.4刀具的热变形对加工精度的影响刀具的热变形主要是由切削热引起的。通常，传入刀具的热量并不是很多，但因热量集中在切削部分，而刀体的热容量小，故刀具仍会有很高的温度。例如，车削时，高速钢车刀的工作表面温度可达700800，而硬质合金车刀的工作表面温度可达1 000 以上。5.5.4刀具的热变形对加工精度的影响如图5-16所示，连续
50、切削时，车刀的热变形在切削初始阶段增加得很快，随后变得较缓慢，经过1020 min后车刀便趋于热平衡状态。此后，车刀的热变形的变化量就非常小。刀具总的热变形量可达0.030.05 mm。图5-16车刀的热伸长5.5.4刀具的热变形对加工精度的影响间断切削时，因刀具有短暂的冷却时间，故其热变形曲线具有热胀冷缩的双重特性，且总的变形量比连续切削时要小一些，最后稳定在范围内变动。在切削停止后，刀具的工作表面温度立即下降，开始时冷却得较快，以后逐渐减慢。加工大型零件时，刀具的热变形往往会造成几何形状误差。例如，车削长轴时，可能由于刀具热伸长而产生锥度，即尾座处的直径比头架附近的直径长。为了减小刀具的热