第三篇 过程装备制造工艺——10机械加工精度.

k k jc k jj kd kg
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 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）
第Ⅲ篇 过程机械制造的质量
要求
10 机械加工精度
10 机械加工精度
10.1 概述 10.2 工艺系统的几何误差 10.3 工艺系统的受力变形 10.4 工艺系统的热变形
10.5 工件残余应力引起的变形
10.1 概述——机械加工精度
加工质量
尺寸精度 加工精度
形状精度
位置精度
（通常形状误差限制在位置公差内 ，位置公差限制在尺寸公差内） 表面粗糙度
加工精度
1)尺寸精度 限制加工表面与其基准间尺寸
误差不超过一定的范围；
2)wk.baidu.com何形状精度 限制加工表面宏观几何形状
误差，如圆度、圆柱度、平面度、直线度等；
3)相互位置精度 限制加工表面与其基准面的
相互位置误差，如平行度、垂直度、同轴度、
位置度等。
几何形状精度和尺寸精度有关系吗？
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 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。
工艺系统:
在机械加工时，机床、刀具，夹具和工件构成一个完整 的系统，为工艺系统。
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：
X ( R e) cos Y R sin
式中 R —— 刀尖回转半径； φ—— 主轴转角。 显然，上式为一椭圆。
e
径向跳动对镗孔精度影响
主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）
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）。
思考：主轴回转中心在X 方向上作简谐直线运动， 其频率为主轴转速两倍，
1 3
被车外圆形状如何？ 结论：主轴径向跳动影
响加工表面的圆度误差
e
径向跳动对车外圆精度影响
主轴端面圆跳动对加工精度的影响(2~3微米）
对圆柱面加工没有影响； 被加工端面不平，与圆柱面不垂直（如主轴回转一周 ，端面跳动一次，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。
一般加工原理误差应≤10%--15%工件公差
10.2.2 调整误差
调整误差——由于调整不准确而产生的误差 工艺系统的调整有两种基本形式： (1)试切法调整——试切、测量、调整，直至符合规定的尺寸要 求 影响调整误差的因素：1）测量误差 2）机床进给机构位移误 差 3）试切厚度与正式切削厚度不同而产生的误差 试切法调整加工特点：生产效率低，只适于单件小批生产 ⑵调整法——加工前调整好刀具与工件之间的相对位置
切削力作用点位置变化引起工件形状误差
机床变形引起的加工误差
影响调整误差的因素： 1）影响试切法的所有因素 2）定程 机构误差 3）样件或样板误差 4）测量有限试件造成的误差
调整法加工特点：生产效率高 , 广泛采用行程挡块、行程开 关、夹具
10.2.3 机床的几何误差
机床的几何误差来自三方面：机床本身的制造、磨 损、安装、调整。 • 1）主轴回转误差
• 2）导轨误差
刀具磨损过程
10.3 工艺系统的受力变形
工艺系统刚度定义
在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比
k Fp y
式中 k——工艺系统刚度； Fp——吃刀抗力； Δy ——工艺系统位移（切削合力作用下的位移）。
工艺系统受力变形
工艺系统受力变形引起加工误差
工艺系统刚度计算公式
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： 1 1 1 1 1
表面几何形状精度 表面质量
波度 纹理方向
伤痕（划痕、裂纹、砂眼等） 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。 加工误差：零件的实际几何参数与理想几何参数的偏差 两者关系 ： 两者从不同角度来评定加工零件的几何参数。加工精 度的高低是由加工误差的小大来表示的，保证和提高加工 精度问题，实际上是限制和降低加工误差问题。
差环节
对传动误差进行补偿
螺母附加转 动
附加位移 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
10.2.4 机床的几何误差——夹具误差
夹具误差影响加工位置精度。
与夹具有关的影响位置误差因素包括
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； …… 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。
静压轴承 —— 对轴承孔或 轴径圆度误差起均化作用
轴径不圆引起车床主轴径向 跳动
滚动轴承
内外滚道圆度误差、滚动 体形状及尺寸误差
轴承孔不圆引起镗床主轴径向 跳动
影响主轴回转精度的主要因素
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
Δ≈0 Δ
轴承间隙的影响
轴承间隙过大，使主轴工 作时油膜厚度增大．油膜 承载能力降低，当工作条 件(载荷、转速等)变化时， 油楔厚度变化较大，主轴 轴线漂移量增大。
•前后导轨之间的平行度误差（扭曲）
•两导轨不平行对加工精 度的影响较大，引起工 件的形状误差（鞍形、 鼓形、锥形等）
成形运动间相对位置误差的影响
• 车床纵向导轨与主轴在水平面内有平行度误差
△L 俯视图上导轨 与主轴不平行 主轴
工件产生圆柱度误差
导轨与主轴平行度误差：
例：
n 圆锥形
Hx
导轨
工件直径差：
简单几何形状表面的加工，如圆柱面、圆锥面、平面等。
成形法——由成形刀具刀刃形状取得所要求的表面形状。
成形车刀（砂轮）加工回转曲面、成形铣刀加工曲面、
车磨螺纹时其牙形由刀具形状所决定。
展成法——依靠刀具与工件的相对啮合运动，被加工表面
由刀刃在啮合运动中的包络面所形成。 齿轮的滚、插、磨及剃齿加工；加工螺纹的螺旋面成形。
为便于研究，可将主轴回 转误差分解为径向圆跳动、
c）倾角摆动
端面圆跳动和倾角摆动三种
基本型式。
主轴回转误差基本形式
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）≦5微米
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：
a） b）
止推轴承端面误差对主轴轴向窜动 的影响
提高主轴回转精度的措施
提高主轴部件制造精度
对滚动轴承进行预紧
使主轴回转精度不反映到工件上
磨床采用死顶尖支承
用镗模镗孔
10.2.3 机床的几何误差——导轨误差
机床导轨误差 •水平面内的直线度误差（弯曲） •垂直面内的直线度误差（弯曲） •前后导轨之间的平行度误差（扭曲）
•水平面内的直线度误差（弯曲）
•车削、磨削时， 为误差敏感方向；
引起圆柱度误差
•垂直平面内的直线度误差（弯曲）
•车削、磨削时，为 误差非敏感方向；
对加工精度影响很小
•垂直平面内的直线度误差（弯曲）
•车削、磨削时，为 误差非敏感方向； •刨削、平面磨削时， 为误差敏感方向。
造成平面度或直线度误差
f
△D=2L*Hx
成形运动间相对位置误差的影响
• 车床纵向导轨与主轴在垂直面内有平行度误差
正视图上导轨与主轴 不平行 A f
主轴 导轨 n B O
O
A
B
鞍形（轴剖面内为双曲线） 例：导轨与主轴平行度误差：Hy
工件直径差：△D=Hy2/Ro
成形运动间相对位置误差的影响
• 车床横向导轨与主轴轴线有垂直度误差
调整法——预先调整好刀具与工件的相对位置，并在一批
零件的加工过程中保持这个相对位置的不变，取得尺寸 精度的加工方法。
定尺寸刀具法——依靠刀具的尺寸以保证加工面的尺寸。 自动控制法——将测量、调整和切削机构组成自动控制系
统，以自动控制被加工面的尺寸要求。
获得表面形状的基本方法 轨迹法——依靠刀尖运动轨迹取得所要求的表面几何形状。
10.2 工艺系统的误差
原始误差—— 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。
原始误差分类
与工艺系统原始状 态有关的原始误差 (几何误差)
原始 误差
与工艺过程有关的 原始误差(动误差)
主轴回转误差 工件相对于 机床误差 导轨导向误差 刀具运动状 态下的误差 传动误差 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
•传动元件如齿轮、蜗轮、蜗杆、丝杠、螺母等有制 造误差（主要是影响运动精度的误差） •传动元件的装配误差（主要是装配偏心）和磨损时， 就会破坏正确的运动关系，使工件产生误差。
提高传动精度措施
缩短传动链长度 提高末端元件的制造精度与安装精度 采用降速传动
采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误
若频率和主轴回转频率一致，沿与平均回转轴线垂 直的各个截面看，车削表面是一个圆，整体为一圆柱，
镗孔时，在垂直于主轴平均轴线的各个截面内都形成椭
圆，整体加工出椭圆柱。
影响主轴回转精度的主要因素
滑动轴承（注意切削力的方向）
车床—— 轴径不圆引起车床 主轴向跳动（注意其频率特性）
B A
镗床—— 轴承孔不圆引起镗 床主轴径向跳动
原理误差 定位误差 调整误差 刀具误差 夹具误差
工件相对于刀具静止状态下 的误差
10.2.1 原理误差
一、加工原理误差——采用原理上近似的成形运动或近 似的刀具轮廓进行加工所引起的误差。 ⑴ 加工原理误差多出现于螺纹、齿轮、复杂曲面加工中 ⑵ 应用近似加工，在理论误差可以满足加工精度要求的 前提下(≤10%--15%尺寸公差)，是提高生产率和经济性的 有效工艺方法。
• 3）机床的传动误差 “误差的敏感方向”
“误差的敏感方向”
“误差的敏感方向”
10.2.3 机床的几何误差——主轴误差
主轴回转误差
主轴回转误差概念
主轴回转误差是指主轴实 际回转线对其理想回转轴线
的漂移。
用平均回转轴线（主轴各 瞬时回转轴线的平均位置）
a）径向圆跳动
b）端面圆跳动
代替。
α
工件端面产生内凹或外凸 例： △
n
f
的平面度误差
横向导轨与主轴夹角：α
平面度误差：△=(d/2)*tan(α)
10.2.3 机床的几何误差——传动键误差
传动键误差 传动链的传动误差是指内联系的传动链中首末 两端传动元件之间相对运动的误差。
•是螺纹、齿轮、蜗轮以及其它按展成原理加工时， 影响加工精度的主要因素。
附：获得零件加工几何参数的方法
• 获得尺寸精度方法：
试切法 调整法 定尺寸刀具法 自动控制法
• 获得形状精度方法：
轨迹法 成形法 展成法
• 表面相互位置精度的获得：
由工件的定位安装精度决定
获得尺寸精度的基本方法
试切法——以试切—测量—调整—再试切的循环方法，得
到刀具与工件的正确位置，以获得加工表面的尺寸精度。
Δx S
π
2π φ
主轴端面跳动引起螺距加工周期误差
主轴倾角摆动对加工精度的影响
（1）几何轴线相对与平均轴线在空间成一定锥角的圆 锥运动
若沿与平均轴线垂直的各个截面来看，相当于几何轴 线绕平均轴心做偏心运动，只是各截面的偏心量不同。因 此，无论车削还是镗削都能获得一个正圆柱。
（2）几何轴线在某一平面内作角度摆动
Z L±0.05
φ10 F7 k6 φ6F 7 g6
H7
Y
钻孔夹具误差分析
10.2.5 机床的几何误差——刀具误差
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 成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差 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