第七章：机械加工精度

第七章：机械加工精度

本章提要

本章讨论的内容有机械加工精度的基本概念、影响加工精度的因素、加工误差的综合分析及提高加工精度的途径四个方面。

具体要点如下：误差敏感方向的概念；原理误差的定义；机床导轨误差相对加工误差的敏感性的判断；给定条件下的工艺系统受力变形分析；误差复映的基本概念；工艺系统均匀和非均匀受热变形的定性分析；加工误差的分类；分布曲线法的作用，工艺能力系数的概念。

7.1.机械加工精度的基本概念

7.1.1.加工精度与加工误差

加工精度：零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数相符和程度。零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度称为加工误差。

7.1.2.研究加工精度的方法

研究加工精度的方法的一般有两种：一是因素分析法(通过分析计算或实验、测试等方法，研究某

一确定因素对加工精度的影响。一般不考虑其它因素的同时作用，主要是分析各项误差单独变化规律)。二是统计分析法(运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数理处理，用以控制工艺过程的正常进行。主要是研究各项误差综合的变化规律，只适用于大批、大量的生产条件)

7.2.影响加工精度的因素

零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统中进行的。工艺系统中凡是直接引起加工误差的因素都称为原始误差。

原始误差的分类归纳如下：

图7.1为活塞销孔精镗工序中的各种原始误差：

图7.2以车削为例说明原始误差与加工误差的关系*图中实线为刀尖正确位置，虑线为误差位置。

P195公式7.1 ? R=?Z2/ 2R (图a R2+?Z2=（R+? R）2)

P195公式7.2 ? R’=?Y(图b)

当?Y=?Z时,法向加工误差大,而切向加工误差极小,以致可以忽略不计。

因此把对加工误差影响最大的那个方向（即加工表面的法线方向）称为误差敏感方向

7.2.1.加工原理误差*

加工原理是指加工表面的形成原理。加工原理误差是由于采用了近似的切削运动或近似的切削刃形状所产生的加工误差。

例如：齿轮滚刀一有近似造形原理误差（为便于制造，用阿基米德或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆）；二有包络造形原理误差（由于滚刀刀刃数有限，因而切削不连续，包络而成的实际齿形不是渐开线，而是一条折线）。

7.2.2.机床误差

机床误差是指在无切削负荷下，来自机床本身的制造误差、安装误差和磨损。

7.2.2.1.主轴回转误差

⑴主轴回转误差的概念

(图7.3 机床主轴回转误差的类型)

纯径向跳动：实际回转轴线始终平行于理想回转轴线，在一个平面内作等幅的跳动。

纯轴向跳动：实际回转轴线始终沿理想回转轴线作等幅的窜动。

纯角度摆动：实际回转轴线与理想回转轴线始终

成一倾角，在一个平面上作幅摆

动，且交点位置不变。

由于主轴回转误差总是上述三者的合成。造成主

轴回转误差的主要因素与主轴部件的制造精度

有关。

(图7.4 滚动轴承的几何误差)

⑵主轴回转误差对加工精度的影响

不同型式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的；而同一类型的回转误差在不同的加工方式中的影响也不相同。如图7.5~图7.8和表7.1所示

图7.5 车削时纯径向跳动图

7.6 镗孔时纯径径向跳动

图7.7 主轴轴向窜动图

7.8 纯角度摆动

表7.1机床主轴回转误差产生的加工误差

7.2.2.2.导轨误差*

⑴导轨在垂直面内的直线度误差

卧式车床或外圆磨床的导轨垂直面内有直线度误差Z

?(图7.9(a))，是误差非敏感方向，可忽略不计。平面磨床、龙门刨床这时是误差敏感方向，所以导轨误差将直接反映到被加工的零件上。

⑵导轨在水平面内的真线度误差

Y

?，见图7.9(b)

图7.9 导轨的直线度误差

⑶前后导轨的平行度误差

图7.10 前后寻轨平行度误

差

见图7.10，若前后导轨的平行度误差为Z ?，则零件的半径误差为：

B

H Z Y R ?=?≈? 一般车床2≈B H ，外圆磨床1≈B H 。因此这项原始误差对 加工精度的影响不能忽略

⑷导轨与主轴回转轴线的平行度误差

若车床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行误差，车出的内外圆柱面就产生锥度；若在垂直面内有平行误差，则圆柱面成双曲线回转体(图

7.11)，因误差非敏感方向故可略

图7.11 车床导轨与主轴回转轴线在垂直面内的平行度误差产生的加工误差

7.2.2.3.传动链误差

传动链误差是指机床内联系传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差。

7.2.3.工艺系统受力变形

7.2.3.1.工艺系统刚度

工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、重

力和惯性力等外力作用下，使零件产生加工误差。例如图7.12(a)车细长轴，图7.12(b)车削粗短工件时，图7.12〔c 〕所示在车床加工薄壁零件的内孔。

图7.12 工艺系统受力变形的产生加工误

差 工艺系统刚度是指切削力在加工表面法的分力x F 与y F 、y F 、z F 同时作用下产生的沿法向的变形系统Y 之间的比值： 系统系统Y F K y

式中 系统Y ：工艺系统刚度，N/mm

y F :法向切削力，N ；

系统K ：工艺系统法向变形，mm

刚度的倒数称为柔度C(mm/N)

Y F Y 1

系统系统==K C

由于力与变形一般都是在静态条件下进行考虑

和测量的，故上述刚度、柔度分别

为静刚度和静柔度

为分析工艺系统各组成部分的变形规律及其特

点，现介绍工艺系统各组成部分

⑴零件的刚度

形状规则、简单的零件的刚度可用有关力学公式推算。

⑵机床部件的刚度

机床部件的受力变形主要影响是间隙、油膜层和薄弱零件变形。其刚度远比单个零件小，一般用实验方法测定。图7.15和图7.16为实验原理和分析图。

（图7.13机床部件刚度的薄弱环节）

图7.14部件受力变形和各组成零件受力变形间的关系）

（图7.15车床刀架、头尾架单向静刚度

测度）

图7.16 车床刀架静刚度曲线

⑶工艺系统的刚度

工件刀具夹具机床系统Y Y Y Y +++=Y

式中 机床Y ：机床变形量，mm

夹具Y ：夹具变形量，mm

刀具Y ：刀具变形量，mm

工件Y ：工件变形量，mm

而工艺系统各部件的刚度为：

系统系统K F Y Y =，机床

机床K F Y Y =，夹具

夹具K F Y Y = 刀具刀具K F Y Y =，工件

工件K F Y Y = 式中 机床K ：机床刚度，N/mm

夹具K ：夹具刚度,N/mm

刀具K ：刀具刚度，N/mm

工件K ：工件刚度，N/mm

工艺系统刚度为：

工件刀具夹具机床系统K 1K 1K 1K 11

+++=K

即：工件刀具机床系统夹具K 1K 1K 1K 11

K +++=

7.2.3.2.工艺系统受力对加工精度的影响* ⑴切削过程中力作用位置的变化对加工精度

的影响(见图

7.18)

图7.18 车床受力变形的组成

工艺系统刚度在沿工件轴向的各个位置是不同的。所以加工后工件各个横截面上的直径尺寸也不相同，造成加工后的形状误差。零件细长时，产生如图7.12(a)呈鼓形的加工误差。工件粗

而短时，产生如图7.12(b)呈鞍形的加工误差。图

7.19表示内圆磨床、卧式镗床上加工时工艺系统受力变形随受力点位置变化而变化的情况。

图7.19工艺系统受力位置变化时的变

形 ⑵切削过程中受力大小变化对加工精度的影响

图7.20为车削有椭圆形圆度误差的短圆柱毛坯外圆，刀尖调整到要求尺寸(图中虚线位置)，在工件的每一转中切深由毛坯长半径的最大值1p a 变化到短半径的最小值2p a 时，切削力也

就是由最大的1Y F 变化到最小的2Y F ，由K

F Y Y 可知切削力变化引起对应的让刀变形1Y 、2Y 。