第2章机械加工精度资料课件

1第第2章章 机械加工精度机械加工精度丁彰雄丁彰雄武汉理工大学能源与动力工程学院武汉理工大学能源与动力工程学院2016.32第二章第二章 机械加工精度机械加工精度1.1.内容内容加工精度和加工误差的基本概念；加工精度和加工误差的基本概念；影响加工精度的因素及其分析；影响加工精度的因素及其分析；经济精度的基本概念；经济精度的基本概念；加工误差性质、加工误差的统计分析和工艺能力系加工误差性质、加工误差的统计分析和工艺能力系数。数。2.2.重点：重点：l 加工精度、加工误差、经济精度等基本概念，影响加工精度、加工误差、经济精度等基本概念，影响加工精度的因素，加工误差性质。加工精度的因素，加工误差性质。3.3.难点：难点：l 加工误差的统计分析，废品率计算和刀具调整。加工误差的统计分析，废品率计算和刀具调整。u机械加工精度机械加工精度u影响机械加工精度的影响机械加工精度的原始误差及分类原始误差及分类u误差的敏感方向误差的敏感方向u研究加工精度方法研究加工精度方法2.1 2.1 概概 述述3 尺寸精度尺寸精度形状精度形状精度位置精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位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置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度表面粗糙度波度波度纹理方向纹理方向伤痕伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度加工精度表面质量表面质量表面几何形状精度表面几何形状精度表面缺陷层表面缺陷层表层加工硬化表层加工硬化表层金相组织变化表层金相组织变化表层残余应力表层残余应力加工质量内容加工质量内容 4 加工精度：加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度接近程度。符合程度越高，加工精度越高，实际生产中零件不可能与符合程度越高，加工精度越高，实际生产中零件不可能与理想的要求完全符合。理想的要求完全符合。加工误差：加工误差：指加工后的实际几何参数（尺寸，形状和表面间的相指加工后的实际几何参数（尺寸，形状和表面间的相互位置）对理想几何参数的互位置）对理想几何参数的偏离程度偏离程度，从保证产品使用性，从保证产品使用性能分析允许有一定的加工误差。能分析允许有一定的加工误差。l理想几何参数理想几何参数:l对表面形状而言对表面形状而言，就是就是绝对正确绝对正确的圆柱面、平面、锥面等的圆柱面、平面、锥面等；l对于表面位置而言对于表面位置而言，就是绝对平行就是绝对平行、垂直垂直、同轴和一定角同轴和一定角度度。l对尺寸而言对尺寸而言，就是就是零件尺寸的公差带中心零件尺寸的公差带中心。一、机械加工精度一、机械加工精度56加工精度与加工误差两者关系：加工精度与加工误差两者关系：l精度精度是一定是一定尺寸尺寸、形状形状、位置位置的的精确程度精确程度。l误差误差是对一定是对一定尺寸尺寸、形状形状、位置位置的的相差程度相差程度。l误差是精度的度量误差是精度的度量。加工精度高低是通过。加工精度高低是通过加工误差大小加工误差大小来来反映反映。l所谓保证加工精度所谓保证加工精度，实际上就是实际上就是限制与减少加工误差限制与减少加工误差问题问题。加工精度的合理制定：加工精度的合理制定：l 一般加工精度越高则加工成本相对越高，生产效率则相对一般加工精度越高则加工成本相对越高，生产效率则相对越低。因此设计人员应根据零件的使用要求，合理规定零越低。因此设计人员应根据零件的使用要求，合理规定零件的加工精度；件的加工精度；l工艺人员则根据工艺人员则根据设计要求和生产条件设计要求和生产条件采用适当的工艺方法采用适当的工艺方法以以保证加工误差不超过允许范围保证加工误差不超过允许范围，并尽量，并尽量提高生产率提高生产率和和降降低生产成本低生产成本。7l Ideal dimension :25.0105For an example:Diameters of parts are:l IT8:0.033；IT7:0.021.l 偏差偏差 :0.0045 满足精度要求满足精度要求,IT7。l 如果加工出来的产品尺寸为：如果加工出来的产品尺寸为：l 如果加工出来的产品尺寸为：如果加工出来的产品尺寸为：25.028l 偏差偏差 :0.0175 不满足精度要求，为废品。不满足精度要求，为废品。二、影响机械加工精度的二、影响机械加工精度的 原始误差及分类原始误差及分类分析加工误差产生分析加工误差产生的原因的原因综述可能产生的综述可能产生的原始误差原始误差8 引引起起加加工工误误差差的的根根本本原原因因是是工工艺艺系系统统存存在在着着误误差，将工艺系统的误差称为原始误差。差，将工艺系统的误差称为原始误差。原始原始误差误差与与工工艺艺系系统统原原始始状状态态有有关关的的原原始始误误差差(几何误差几何误差)与与工工艺艺过过程程有有关关的的原始误差原始误差(动误差动误差)原理误差原理误差定位误差定位误差调整误差调整误差刀具误差刀具误差夹具误差夹具误差机床误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形工艺系统受热变形刀具磨损刀具磨损测量误差测量误差工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形工工件件相相对对于于刀刀具具静静止止状状态态下下的误差的误差工工件件相相对对于于刀刀具具运运动动状状态下的误差态下的误差主轴回转误差主轴回转误差导轨导向误差导轨导向误差传动误差传动误差原始误差原始误差原始误差原始误差原始误差分类原始误差分类原始误差分类原始误差分类 在机械加工时，在机械加工时，机床、刀具，夹具和工件机床、刀具，夹具和工件 构成一个完整的系统，为工艺系统。构成一个完整的系统，为工艺系统。工艺系统工艺系统工艺系统工艺系统9RYRRR=x显然：显然：工艺系统原始误差方向不同，工艺系统原始误差方向不同，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，称，称，称为为为为误差敏感方向误差敏感方向误差敏感方向误差敏感方向。误差敏感方向一般为已加工误差敏感方向一般为已加工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表面过切削点的表面过切削点的表面过切削点的法线方向法线方向法线方向法线方向。如图所示车刀加工如图所示车刀加工如图所示车刀加工如图所示车刀加工 机床误差机床误差机床误差机床误差 误差敏感方向误差敏感方向YR0 xa）YR0 xb）三、误差的敏感方向三、误差的敏感方向10四、研究加工精度的方法四、研究加工精度的方法 分析研究某一个或某几个因素对加工精度的影响。分析研究某一个或某几个因素对加工精度的影响。通常分析、计算、测试、实验，得出单因素与加工误差通常分析、计算、测试、实验，得出单因素与加工误差间的关系。间的关系。以生产以生产一批工件的实例结果一批工件的实例结果为基础，为基础，运用数理统计方法运用数理统计方法进行数据处理。用以控制工艺过程的正常进行，当发生质进行数据处理。用以控制工艺过程的正常进行，当发生质量问题时可以从中判断误差性质，找出误差出现的规律。量问题时可以从中判断误差性质，找出误差出现的规律。1 1 1 1、单因素分析法、单因素分析法、单因素分析法、单因素分析法2 2 2 2、统计分析法、统计分析法、统计分析法、统计分析法 实际生产中，两种方法常常结合应用。先用统计分析法实际生产中，两种方法常常结合应用。先用统计分析法寻找误差的出现规律，初步判断加工误差的可能原因，再寻找误差的出现规律，初步判断加工误差的可能原因，再适用单因素法分析，试验，以便迅速有效地找出影响加工适用单因素法分析，试验，以便迅速有效地找出影响加工精度的主要原因。精度的主要原因。11122-2 影响加工精度的因素及其分析影响加工精度的因素及其分析Factors of Influencing Processing Precision and Analysis l加工误差包括加工误差包括:原理误差原理误差、工艺系统静误差工艺系统静误差(机床机床、夹具夹具、刀刀具具)、工艺系统动误差工艺系统动误差(受力受力、高热高热、刀具磨损刀具磨损、内应力变形内应力变形)、度量误差度量误差、调度误差调度误差、工件安装误差工件安装误差。原理误差原理误差调度误差调度误差工件安装误差工件安装误差度量误差度量误差工艺系统静误差工艺系统静误差工艺系统动误差工艺系统动误差影响加工精度的因素影响加工精度的因素 加工原理误差是指采用了加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的近似的成型运动或近似的刀刃轮廓刀刃轮廓代替代替理论的刀刃形状或成型运动理论的刀刃形状或成型运动进行加工而产进行加工而产生的误差。生的误差。1.1.加工原理误差加工原理误差 式中式中 R R 球头刀半径；球头刀半径；h h 允许的残留高度。允许的残留高度。例例1 1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件SRh 空间曲面数控加工空间曲面数控加工加工原理误差加工原理误差加工原理误差加工原理误差（Error of Processing Principle）1314例例2 2:模数铣刀铣齿模数铣刀铣齿lmz=dmz=d ；m m相同相同，d d不同不同，则则齿型不同齿型不同。l每一种模数的齿轮设计一套模数铣刀每一种模数的齿轮设计一套模数铣刀，每把每把铣刀可加工某一点数范围的齿轮铣刀可加工某一点数范围的齿轮(8 82626 )。l只要将只要将加工误差加工误差控制在某一范围内，这种方控制在某一范围内，这种方法都可以认为是可行的。法都可以认为是可行的。15Modulus of two gear groups are same,but their gear numbers are different.reamerspindlegearkey16例4:活塞裙部椭圆弧加工采用偏心法orTurning SpeedTurning PlatePistonCutting Tool172.2.机床的制造误差和磨损机床的制造误差和磨损l一定精度的机床只能加工出相应精度的工件，影响加工一定精度的机床只能加工出相应精度的工件，影响加工精度的机床误差主要有以下几个方面精度的机床误差主要有以下几个方面:机床主轴误差机床主轴误差(error of tool spindle)(error of tool spindle)机床导轨的误差机床导轨的误差(error of guide rail)(error of guide rail)主轴轴线与导轨的平行度误差（主轴轴线与导轨的平行度误差（parallelism errorparallelism error）机床传动误差机床传动误差(transmission error)(transmission error)181)1)机床主轴误差机床主轴误差:l机床主轴是机床主轴是工件、刀具的位置基础和运动基准工件、刀具的位置基础和运动基准。主轴回转主轴回转精度精度与制造精度与制造精度、受力受力、受热等因素有关受热等因素有关.(1)(1)主轴颈圆度误差主轴颈圆度误差(roundness error)(roundness error);(2)(2)轴颈同轴度误差轴颈同轴度误差(axiality erroraxiality error);(3)(3)轴承本身的多种误差轴承本身的多种误差;(4)(4)轴承之间的同轴度误差轴承之间的同轴度误差;(5)(5)主轴磨损主轴磨损(Wear)(Wear);(6)(6)支承端面对轴颈轴线的垂直度误差支承端面对轴颈轴线的垂直度误差(perpendicularity(perpendicularity error)error)。19FORCED DEFORMATION：12351轴承轴承；2 2主轴；主轴；3 3卡盘；卡盘；4 4工件；工件；5 5刀具刀具420纯径向跳动纯径向跳动（radial runout）纯角度摆动纯角度摆动（angle oscillation）例例:主轴存在回转误差表现形式：主轴存在回转误差表现形式：(纯径向跳动、纯角度摆动和轴向窜动纯径向跳动、纯角度摆动和轴向窜动)纯轴向窜动纯轴向窜动（axial drunkenness）r/minr/minr/min21Boring:workpiece not moves,tool turns.主轴在主轴在y y方向有径向跳动，假定为方向有径向跳动，假定为简谐跳动简谐跳动:y=Acos+Rcos z=Rsin y2/(A+R)2+z2/R2=1zAAAcos(A+R)cosRsinryR22 车削时主轴径向跳动车削时主轴径向跳动(circular runout)(circular runout)对工件圆度对工件圆度(roundness)(roundness)影响很小。影响很小。ZYRAA23轴向窜动对于轴向窜动对于孔与外圆孔与外圆无影响无影响，对对加工端面加工端面有影有影响响。向前窜动向前窜动，右旋面右旋面；向后窜动向后窜动，左旋面左旋面。BA右旋面右旋面左旋面左旋面24toolspindlepartbearingsjig车床主轴与轴承安装示意图车床主轴与轴承安装示意图AA车床切削加工车床切削加工:force25主轴部件制造误差对加工精度的影响主轴部件制造误差对加工精度的影响.（1 1）滑动轴承滑动轴承（sliding bearing）a)a)车削车削 lP-cutting forcelW-spindle weight(including part weight)PContacting point APWWA Atoolspindlepartbearingsjig车床主轴与轴承安装示意图车床主轴与轴承安装示意图AA车床切削加工时车床切削加工时force26车削车削时：时：l轴承孔误差轴承孔误差对加工精度影响较小对加工精度影响较小；l工作时工作时误差敏感方向误差敏感方向固定不变固定不变，主轴上的主轴上的载荷大小与载荷大小与方向方向可看作不变可看作不变，轴承上轴承上承载区承载区 位置也固定不变位置也固定不变；l主轴颈误差主轴颈误差对加工精度影响较大。对加工精度影响较大。27toolspindlepartbearings镗床主轴与轴承安装示意图镗床主轴与轴承安装示意图AA镗床镗削加工镗床镗削加工:feedforce28b b)镗孔镗孔 考虑到刀具进给考虑到刀具进给，轴承上的轴承上的支反力支反力大小大小，方向方向也有所变化也有所变化，承载承载区区也有变化也有变化。镗孔镗孔WPContacting point APWContacting point APW29轴承孔形状对主轴回转精度仍有一定影响轴承孔形状对主轴回转精度仍有一定影响；镗镗孔时孔时，切削力的切削力的方向方向是变化的是变化的，也就是说轴颈也就是说轴颈与滑动轴承的接触点与滑动轴承的接触点A A是变化的是变化的。轴承孔误差轴承孔误差对加工精度影响对加工精度影响较大较大；主轴颈误差主轴颈误差对加工精度影响对加工精度影响较小较小。30（2 2）滚动轴承（）滚动轴承（R Rolling B Bearing)l内外环滚道圆度误差内外环滚道圆度误差，内环的壁厚以及滚动体的尺寸内环的壁厚以及滚动体的尺寸误差和圆度误差误差和圆度误差。l这些误差综合造成主轴线的这些误差综合造成主轴线的跳动跳动和和漂移漂移，并传给工件并传给工件，形成工件加工表面的形成工件加工表面的圆度误差和波度圆度误差和波度。31Outside ringballKeep frameinside ring32l漂移漂移(excursion)excursion):主轴每一转的主轴每一转的跳动方位和跳动量跳动方位和跳动量都都是变化的一种现象是变化的一种现象。l滚锥滚锥、向心推力轴承的内外滚道的倾斜向心推力轴承的内外滚道的倾斜轴向窜动轴向窜动+径径向跳动向跳动。l推力轴承滚道端面跳动推力轴承滚道端面跳动轴向窜动轴向窜动。332 2)机床导轨误差机床导轨误差l 导轨是机床确定主要部件相对位置的基准导轨是机床确定主要部件相对位置的基准，也是运动的基准。也是运动的基准。（1 1）水平内误差）水平内误差 床身导轨床身导轨水平面内弯曲水平面内弯曲，在纵向切削过程内在纵向切削过程内，刀尖的运动轨刀尖的运动轨迹相对于工件轴线之间就不能保持平行迹相对于工件轴线之间就不能保持平行。34velocitySaddle shapevelocityProtruding shape导轨导轨前凸前凸(相对工人而相对工人而言言)，工件出现工件出现“鼓形鼓形”。导轨导轨后凸后凸(相对工人而相对工人而言言)，工件出现鞍形工件出现鞍形35(2 2)垂直面误差垂直面误差oRRZY法向方向法向方向Z(R+R)2=z2+R2 R2+2RR+R2=z2+R2 R=z2/2Rl导轨在导轨在垂直平面垂直平面内的内的弯曲对加工精度弯曲对加工精度的影响小的影响小。l误差敏感误差敏感方向方向是是工件的工件的法线法线(normal)normal)方向方向,在在切线切线(tangent)tangent)方方向上产生的误差可以忽略向上产生的误差可以忽略。l例例:六角车床经常将刀具六角车床经常将刀具垂直安装垂直安装，导轨水平面产生误差时导轨水平面产生误差时，其误差发生在工件切线方向其误差发生在工件切线方向，可以略去可以略去。36(3)(3)前后导轨的平行误差前后导轨的平行误差(扭曲扭曲)l导轨产生扭曲后导轨产生扭曲后，刀架和工件之间相对位置也就发生刀架和工件之间相对位置也就发生了变化了变化。HAy37 3)3)主轴轴线与床身导轨的平行度误差主轴轴线与床身导轨的平行度误差(Parallel Error)(1)(1)主轴回转轴线与导轨在水平面内不平行，圆柱主轴回转轴线与导轨在水平面内不平行，圆柱工件加工成工件加工成锥面锥面。guildvelocity38(2)主轴回转轴线与导轨在垂直平面内不平行时主轴回转轴线与导轨在垂直平面内不平行时，工件工件成曲面。成曲面。lACAC为刀尖运动轨迹为刀尖运动轨迹。设设 x x=0;=0;r r0 0半径半径；c c处半径为处半径为r rx x：l tg=bx/x=b/l,bx=xtglrx2=bx2+r02lrx2/r02 -x2 b2/(r02l2)=1 (双曲线双曲线)YXYCCrxbxr0ABBlxb394）传动链误差）传动链误差(Error of Driving Chain)(1)传动链误差概念传动链误差概念l工件的螺旋面导程：工件的螺旋面导程：S=V/n工工V刀具移动速度；刀具移动速度；l滚齿时：滚齿时：n工工/n刀刀=Z刀刀/Z工工 lZ工工工件齿数；工件齿数；Z工工滚刀齿数滚刀齿数l机床传动链中多个传动元件机床传动链中多个传动元件(如如齿轮齿轮、分度蜗轮副及螺分度蜗轮副及螺杆螺母副杆螺母副等等)的的制造误差制造误差，装配误差装配误差以及使用中的以及使用中的磨损磨损，对成形运动间速度关系有影响对成形运动间速度关系有影响。l各元件在传动中的位置不同各元件在传动中的位置不同，其影响程度也不同其影响程度也不同。40 i1-2=z2/z1=1/2齿轮齿轮1 1有转角误差有转角误差 1 时时 1-2 1/i1-2 Driving gear Z1 对于减速传动：对于减速传动：i1-2 1，i1-n=i1-2 i2-3 i3-4 in-1-n 1-n 1/i1-2 i2-3 i3-4 in-1-n 因此对传动链精度影响最大的是因此对传动链精度影响最大的是末端传动元件。末端传动元件。（2 2）传动链误差计算传动链误差计算Z1Z2Z3 齿轮机床传动链齿轮机床传动链z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd以齿轮机床传动链为例：以齿轮机床传动链为例：式中式中 传动链末端元传动链末端元件转角误差；件转角误差；k kj j 第第j j 个传动元件的误差传个传动元件的误差传递系数，表明第递系数，表明第j j个传动元件个传动元件对末端元件转角误差影响程对末端元件转角误差影响程度，其数值等于该元件至末度，其数值等于该元件至末端元件的传动比；端元件的传动比；n n 传动链末端元件角速；传动链末端元件角速；j j 第第j j 个传动元件转角误差个传动元件转角误差的初相角。的初相角。41 缩短传动链长度缩短传动链长度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传动链误差的频谱分析a)nA1A2Aib)（频率）A（幅值）12i(3)(3)提高传动精度的方法提高传动精度的方法42433.3.夹具的制造误差和磨损夹具的制造误差和磨损(Manufacturing Error and Wear of Jigs)l定位元件、刀具导向装置、对刀装置定位元件、刀具导向装置、对刀装置，分度机构以及夹分度机构以及夹具体等零件制造误差会影响零件的加工精度具体等零件制造误差会影响零件的加工精度。l例例:刀具导向间距误差刀具导向间距误差(钻套钻套)，钻钻2 2孔孔。LSworkpiecejigL0.056F710F7k620H 7g 6Y YZ Z 钻径向孔的夹具钻径向孔的夹具l l 夹具误差：夹具误差：夹具误差：夹具误差：夹具误差影响加工位置精度。夹具误差影响加工位置精度。夹具误差影响加工位置精度。夹具误差影响加工位置精度。与夹具有关的影响位置误与夹具有关的影响位置误与夹具有关的影响位置误与夹具有关的影响位置误差因素包括：差因素包括：差因素包括：差因素包括：1 1）定位误差；）定位误差；2 2）刀具导向（对刀）误差；）刀具导向（对刀）误差；3 3）夹紧误差；）夹紧误差；4 4）夹具制造误差；）夹具制造误差；5 5）夹具安装误差；）夹具安装误差；通常要求定位误差和夹具制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造误差不大于工件相应公差的1/31/3。4445措施措施:精加工时精加工时，尺寸精度规定为工件上相应尺寸公差的尺寸精度规定为工件上相应尺寸公差的1/21/21/31/3;粗加工时粗加工时,则可取则可取1/51/51/101/10。l L精精=100 0.02 L粗粗=100 0.5l S精精=100 0.01 S粗粗=100 0.1LSworkpiecejig4.4.刀具的制造误差和磨损刀具的制造误差和磨损 定尺寸刀具定尺寸刀具定尺寸刀具定尺寸刀具（钻头、（钻头、（钻头、（钻头、拉刀等）尺寸误差影拉刀等）尺寸误差影拉刀等）尺寸误差影拉刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差。响加工尺寸误差。响加工尺寸误差。响加工尺寸误差。成形刀具和展成刀成形刀具和展成刀成形刀具和展成刀成形刀具和展成刀具具具具形状误差影响加工形状误差影响加工形状误差影响加工形状误差影响加工形状误差。形状误差。形状误差。形状误差。一般刀具一般刀具,分普通分普通车刀、镗刀、铣刀、车刀、镗刀、铣刀、砂轮等。砂轮等。刀具本身的刀具本身的制造误差制造误差对工件的加对工件的加工精度工精度没有直接影响没有直接影响,但刀具但刀具磨损磨损对工件对工件加工精度有影响。加工精度有影响。4647l刀具开始磨损快刀具开始磨损快,到正常磨损时到正常磨损时，磨损量与切削路程成磨损量与切削路程成正比正比，最后再增加最后再增加。l砂轮磨损大砂轮磨损大，尤其在尤其在磨孔时磨孔时，砂轮小，影响大砂轮小，影响大，应修应修正正；磨外圆磨外圆，砂轮大砂轮大，影响小影响小。磨损量路程ff0(m)485.工件安装误差工件安装误差(Fitting Error of Workpiece)l工件安装包括工件安装包括定位定位与与夹紧夹紧整个过程整个过程。ABC496.6.工艺系统受力变形所引起的误差工艺系统受力变形所引起的误差 The Error Resulted from Deformation in Technology Systeml工艺系统工艺系统:由由机床机床、夹具夹具、工件工件(刀架刀架)所组成的系统所组成的系统。l它是一个它是一个弹性系统弹性系统，变形由外力作用引起变形由外力作用引起(切削刀切削刀、夹紧力夹紧力、传动力、传动力、重力和惯性力重力和惯性力)。501)工艺系统刚度概念工艺系统刚度概念l工艺系统静刚度工艺系统静刚度：工艺系统在工艺系统在静载荷静载荷作用下作用下，会产生会产生静变形静变形，静力与静力作用下产生变形的比值静力与静力作用下产生变形的比值:l Jj=Fj/yj(N/mm)51Jj=Fy/yj(N/mm)F52l工艺系统刚度工艺系统刚度 (Rigidity of Process System)Rigidity of Process System):l工艺系统工艺系统在在切削力切削力综合综合作用作用下，下，Y Y方向的方向的切削分力切削分力F Fy y与与Y Y方向的变形方向的变形的的比值：比值：J=Fy/Y53ly值是值是Fx、Fy、Fz共同作用下共同作用下，产生的变形产生的变形。l总变形有可能等于总变形有可能等于”0 0”或负值或负值，所以刚度所以刚度”无穷大无穷大”或或”负刚度负刚度”。yFyyFzyFxZXYO542)2)工艺系统的刚度及其对加工精度的影响工艺系统的刚度及其对加工精度的影响(Stiffness)(Stiffness)（1 1）机床刚度对加工精度的影响）机床刚度对加工精度的影响l工艺系统刚度由多个环节工艺系统刚度由多个环节(机床机床、刀具刀具、工件工件)刚度刚度计算求得计算求得。xy刀架y头yxy尾LBABAKFyCcStatic stiffness calculation55l在任意点在任意点”C C”F Fy y作用下作用下，工件工件 ABAABAB B 处处，刀尖由刀尖由C C移到移到C C。机床总位移量机床总位移量：ly机机=yx+y刀刀l yx=y头头+kl k=(y头头 y尾尾).x/Ll y机机=y刀刀+y头头+(y头头 y尾尾).x/Lxy刀y头yxy尾LBABAkcCFy56l F头头=Fy(L x)/L ;F尾=Fy.x/Ll y头头=F头/j头=Fy(L-x)/j头.L;l y尾尾=Fy x/(L.j尾尾)l y刀刀=Fy/j刀刀xy刀y头yxy尾LBABAKFycCF头头F尾尾57j机机=Fy/y机机 =1/(1/j刀刀+(L-x)L2/j头头+(x/L)2/j尾尾 机床刚度随刀具所处位置不同而不同，它机床刚度随刀具所处位置不同而不同，它是是的函数的函数。58(2)(2)刀具刚度及其对加工精度的影响刀具刚度及其对加工精度的影响l例例:镗孔时镗杆变形镗孔时镗杆变形.y=F L3/3EI J杆杆=F/y=3EI/L3 L 增大，增大，J杆杆下降。下降。减少悬伸长度减少悬伸长度 L，可提高加工精度。，可提高加工精度。变形后轴线变形后轴线259Workpiece does not move,boring rod moves forward镗杆进给锥孔60(3)(3)工件刚度及其对加工精度的影响工件刚度及其对加工精度的影响l工件刚度计算工件刚度计算xFyLy工工=Fy L3(x/L)2(L-x)/L)2 /(3EI)当当 x=L/2 时时，y工工=Fy L3/(48EI)j工工=Fy/y工工=48EI/L3(N/mm)61(4)工艺系统刚度计算工艺系统刚度计算l 工艺系统的总位移量：工艺系统的总位移量：Y系统=Y机Y工件=Fy(1/j刀刀+(L-x)L2/j头头+(x/L)2/j尾尾+1/j工件工件 工艺系统刚度为：工艺系统刚度为：j系统=Fy/y系统=1/(1/j刀刀+(L-x)L2/j头头+(x/L)2/j尾尾+1/j工件工件 62l例例:在机床上车削一根在机床上车削一根80mm，2000 mm长轴长轴，工件工件材料为材料为4545钢钢，b=600 700pa。已知床头已知床头J头头=50 kN/mm，J尾尾=40 kN/mm，J 刀刀=30 kN/mm，切削用量切削用量ap=1mm，f=0.25 mm/r,v=120 m/min，使用使用YT15YT15硬质硬质合金刀具合金刀具，=0.5。求求:车床和工件变形对工件轴向截面精度的影响车床和工件变形对工件轴向截面精度的影响。63l计算切削力:l Fy=CFZ apf 0.75 l =0.5191010.25 0.75l =337.6(N)l y机机=Fy(1/j刀刀+(L-x)L2/j头头+(x/.L)2/j尾尾.=337.6 1/30000+(2000-x)/2000 2/50000 +(x/20000)2/40000l不考虑工件刚度：不考虑工件刚度：lx 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000ly机机(mm)0.018 0.0166 0.0155 0.01508 0.01505 0.0155 0.0164 0.0178 0.019764l仅考虑工件刚度：仅考虑工件刚度：ly工工=Fy L3(x/L)2(L-x)/L)2 /(3EI)=337.6(20003/(2*1011)(106/(0.05*804)(x/2000)2(2000-x)/2000 2 =0.000002197(x/2000)2(2000-x)/2000 2.106 =20197(x/2000)2(2000-x)/2000 2l其中其中:E=21011(pa)=2105(Mpa)=2105(N/mm2)x 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 yI 0 0.0263 0.0772 0.1207 0.1370 0.1207 0.0772 0.0263 065ly系统系统 y工工+y机机lx 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000ly 0.018 0.0429 0.0928 0.1357 0.152 0.1362 0.0936 0.0441 0.019工件产生鼓形工件产生鼓形:加工后工件形状加工后工件形状66()误差复映规律误差复映规律l定义定义:加工后工件表面仍保留着与毛坯表面加工后工件表面仍保留着与毛坯表面相类似相类似的的，但数值已大大缩小的尺寸或形状误差但数值已大大缩小的尺寸或形状误差，这种现这种现象称为象称为”误差复映误差复映”。ap1y1y2ap2Practical cylinderBlankIdeal cylinder67jy 工艺系统刚度工艺系统刚度(process system rigidity)ap1,y1,Fy1 为为最大切深最大切深和相应的和相应的位移位移及及分力分力；ap2,y2,Fy2 为为最小切深最小切深和相应的和相应的位移位移及及分力分力。y1=Fy1/jy y2=Fy2/jy Fy=CFZapf 0.75CFZ 与工件材料与工件材料，刀具几何角度有关的系数刀具几何角度有关的系数;f 进给量进给量，mm/r。68l工件在一次走刀后的半径误差工件在一次走刀后的半径误差:工工=y1 y2=Fy1/jy-Fy2/jy =*CFZ*f 0.75(ap1-ap2)/jy =毛毛*CFZ*f 0.75/jy 工工/毛毛=*CFZ*f 0.75/jy=11 工工=.毛毛 -误差复映系数误差复映系数。l毛坯误差较大时毛坯误差较大时,可采用多次走刀可采用多次走刀（cutting feed）。l 工工=1.n.毛毛l =(CFZ/jy)n.毛毛(fi)0.75i ap1y1y2ap2Practical cylinderBlankIdeal cylinder69l例例:车削一批轴件车削一批轴件，材料为材料为4545钢钢，毛坯直径为毛坯直径为503mm，用用YT15车刀车刀(r0=0，xr=75)一次车到工序尺寸一次车到工序尺寸，所用的进给量所用的进给量1 1 mm/r,v(切削速度切削速度)1.66)1.66m/s，系统刚度系统刚度为为1960019600 N/mm，求这求这批工件加工后的直径误差批工件加工后的直径误差。l解解:毛毛=3-(-3)=6(mm);CFZ=1872;=0.35 l1=CFZ f 0.75/jy=0.03341l 工工=毛毛=0.2 70l如果误差太大如果误差太大，可精车一次可精车一次；lf=0.25 mm/r,2=0.52=2 CFZ f 0.75/jy=0.0169l工工2=0.2 0.0169=3.38(m)l =工工1 0.0169=3.38(m)=毛毛 12=3.38(m)71l将误差复映概念推广到下列几点将误差复映概念推广到下列几点:l每一件毛坯的形状误差，不论是圆度每一件毛坯的形状误差，不论是圆度、圆柱度圆柱度(cylindricitycylindricity)、同轴度同轴度(axialtyaxialty)、平直度平直度误差等都以误差等都以一定的复映系数复映成工件的加工一定的复映系数复映成工件的加工误差误差(由于切削余量不均匀由于切削余量不均匀)。l复映系数复映系数1 F f F 时产生位移时产生位移。Tf（）提高刚度措施（）提高刚度措施合合理理设设计计零零部部件件结结构构和和截截面形状面形状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，改改进进接接触质量，予加载荷）触质量，予加载荷）采采用用辅辅助助支支承承（中中心心架架，跟刀架，镗杆支承等）跟刀架，镗杆支承等）支座零件不同安装方法支座零件不同安装方法 转塔车床导向杆转塔车床导向杆提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度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小载荷及其变化减小载荷及其变化减小载荷及其变化 采用合理装夹和加工方式采用合理装夹和加工方式变形转移、补偿和校正变形转移、补偿和校正变形转移、补偿和校正变形转移、补偿和校正817.7.工艺系统热变形对加工精度的影响工艺系统热变形对加工精度的影响u工艺系统热工艺系统热的产生的产生u工艺系统热工艺系统热变形对加工精变形对加工精度的影响度的影响u减少工艺系减少工艺系统热变形对加统热变形对加工精度影响的工精度影响的措施措施821)1)概述概述概述概述 在在精精密密加加工工和和大大件件加加工工中中，工工艺艺系系统统热热变变形形引引起起的的加加工工误误差占总误差的约差占总误差的约404070%70%。工艺系统热源工艺系统热源内部热源内部热源外部热源外部热源切削热切削热摩擦热摩擦热环境热源环境热源辐射热辐射热l 工艺系统热变形工艺系统热变形l 工艺系统热源工艺系统热源l 加工方法对工件热量的影响加工方法对工件热量的影响:车、铣车、铣、刨刨传给工件热量传给工件热量占总热量占总热量30%30%以下以下；钻削占钻削占50%50%；磨削占磨削占84%.84%.83 圆柱类工件热变形圆柱类工件热变形 5 5级丝杠累积误差全长级丝杠累积误差全长5m5m，可见热变形的严重性，可见热变形的严重性.。式中式中 LL，DD 长度和直径热变形量；长度和直径热变形量；L L，D D 工件原有长度和直径；工件原有长度和直径；工件材料线膨胀系数；工件材料线膨胀系数；tt 温升。温升。长度：长度：长度：长度：直径：直径：直径：直径：例：长例：长例：长例：长400mm400mm400mm400mm丝杠，加工过程温升丝杠，加工过程温升丝杠，加工过程温升丝杠，加工过程温升1111，热伸长量为：，热伸长量为：，热伸长量为：，热伸长量为：2)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 工件热变形工件热变形工件热变形工件热变形84式中式中 XX 变形挠度；变形挠度；L L，S S 工件原有长度和厚度；工件原有长度和厚度；工件材料线膨胀系数；工件材料线膨胀系数；tt 温升。温升。板类工件单面加工时的热变形板类工件单面加工时的热变形 平面加工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此值已大于精密导轨平直度要求结结果果：加加工工时时上上表表面面升升温温，工工件件向向上上拱拱起起，磨磨削削时时将将中中凸凸部部分分磨磨平平，冷冷却却后后工工件件下凹。下凹。例例：高高600mm600mm，长长2000mm2000mm的的床床身身，若若上上表表面温升为面温升为33，则变形量为：，则变形量为：8586 工件热变形对加工精度影响较大的情况：工件热变形对加工精度影响较大的情况：l精磨外圆精磨外圆,工件热变形严重工件热变形严重。(砂轮钝化砂轮钝化,工件产生形状误工件产生形状误差差,同时工件发热同时工件发热,被顶尖顶弯被顶尖顶弯);l狭长工件翘曲狭长工件翘曲,中部多切掉中部多切掉(如如:磨削导轨平面机床磨削导轨平面机床);l钻孔后即扩、铰钻孔后即扩、铰,精度受到影响精度受到影响.l采取措施采取措施:充分冷却充分冷却；提高提高切削速度切削速度或或加快进给加快进给，减少热量传到工件上，减少热量传到工件上；粗加工后粗加工后,冷却后冷却后再进行精加工；再进行精加工；刀具或砂轮在过分磨钝前就进行刀具或砂轮在过分磨钝前就进行刃磨刃磨(shapening)(shapening)或修正或修正(amendment)(amendment)，以减少切削热和磨削热以减少切削热和磨削热；工件在夹紧状态下有工件在夹紧状态下有伸缩自由伸缩自由(弹簧后顶针弹簧后顶针).3)3)刀具热变形对加工精度影响刀具热变形对加工精度影响 体体体体积积积积小小小小，热热热热容容容容量量量量小小小小，达达达达到热平衡时间较短到热平衡时间较短到热平衡时间较短到热平衡时间较短 温温温温升升升升高高高高，变变变变形形形形不不不不容容容容忽忽忽忽视（达视（达视（达视（达0.03 0.03 0.03 0.03 0.05mm0.05mm0.05mm0.05mm）特点特点 变形曲线变形曲线式中式中 热伸长量；热伸长量；max max 达到热平衡热伸长量；达到热平衡热伸长量；切削时间；切削时间；c c 时时间间常常数数（热热伸伸长长量量为为热热平平衡衡热热伸伸长长量量约约63%63%的的时时间间，常取常取3 34 4分钟）。分钟）。(min)车刀热变形曲线车刀热变形曲线连续切削升温曲线连续切削升温曲线冷却曲线冷却曲线间断切削升温曲线间断切削升温曲线（m）maxb0c0.63max（1 1 1 1）刀具热变形）刀具热变形）刀具热变形）刀具热变形8788（2 2）减少刀具热变形的措施：）减少刀具热变形的措施：l刀具温升一般能较快到达到热平衡刀具温升一般能较快到达到热平衡。减少切减少切削热和改善刀具散热削热和改善刀具散热条件两方面来采取措施。条件两方面来采取措施。(1)(1)改进刀具几何角度改进刀具几何角度、切削用量切削用量、减少切削热减少切削热；(2)(2)减少伸出长度；减少伸出长度；(3)(3)充分冷却充分冷却(冷却液冷却液)。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 v 体积大，热容量大，温升不高，达到体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长热平衡时间长。v 结构复杂，结构复杂，温度场和变形不均匀温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著，对加工精度影响显著。运转时间运转时间/h0 1 2 3 450150100200位移位移/m20406080温升温升/ZY前轴承温升前轴承温升 车床受热变形车床受热变形a a）车床受热变形形态车床受热变形形态b b）温升与变形曲线温升与变形曲线机床热变形特点机床热变形特点机床热变形特点机床热变形特点车床热变形车床热变形车床热变形车床热变形89v 立铣（图立铣（图a a）立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形a a）铣床受热变形形态）铣床受热变形形态b b）外圆磨床受热变形形态）外圆磨床受热变形形态c c）导轨磨床受热变形形态）导轨磨床受热变形形态v 外圆磨（图外圆磨（图b b）v 导轨磨（图导轨磨（图c c）其他机床热变形其他机床热变形其他机床热变形其他机床热变形9091l例例:镗活塞销孔镗活塞销孔。精镗孔时精镗孔时，主轴箱由冷态升温到主轴箱由冷态升温到7070以上以上，在这种过程中在这种过程中，主轴轴心线高度不断变化主轴轴心线高度不断变化，是是不能进行加工不能进行加工，否则销孔轴心线到止口距离变化会超否则销孔轴心线到止口距离变化会超出允许范围出允许范围。l主轴在水平平面内的热位移在主轴在水平平面内的热位移在10m以下以下；垂直平面内的垂直平面内的热位移高达热位移高达180-200m.h5 5 5 5）减小工艺系统热变形的措施）减小工艺系统热变形的措施）减小工艺系统热变形的措施）减小工艺系统热变形的措施 例例1 1：磨磨床床油油箱箱置置于于床床身身内内，其其发发热热使导轨中凹使导轨中凹解决解决：导轨下加回油槽导轨下加回油槽 平面磨床补偿油沟平面磨床补偿油沟例例2 2：立立式式平平面面磨磨床床立立柱柱前前壁壁温温度度高高，产生后倾。产生后倾。解决解决：采用热空气加热立柱后壁。采用热空气加热立柱后壁。均衡立柱前后壁温度场均衡立柱前后壁温度场v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。v 充分冷却和强制冷却。充分冷却和强制冷却。v 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均衡温度场均衡温度场92 支承距影响热变形支承距影响热变形L1L2v 热对称结构热对称结构v 热补偿结构热补偿结构（主轴热补偿）（主轴热补偿）双端面磨床主轴热补偿双端面磨床主轴热补偿1 1主轴主轴 2 2壳体壳体 3 3过渡套筒过渡套筒热伸长方向热伸长方向v 合合理理选选择择装装配基准配基准v高速空运转高速空运转v人为加热人为加热v 恒温恒温v 人体隔离人体隔离采用合理结构采用合理结构采用合理结构采用合理结构加速达到热平衡加速达到热平衡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控制环境温度控制环境温度93948.8.工件内应力所引起的误差工件内应力所引起的误差l内应力内应力 (残余应力残余应力,residualresidual stressstress):):去掉外加载荷去掉外加载荷或外部因素作用后或外部因素作用后，工件内部存在的应力工件内部存在的应力。l内应力通常处于内应力通常处于平衡状态平衡状态(破坏后破坏后)内应力重新分布内应力重新分布工件变形工件变形新平衡新平衡。l具有内应力零件处于一种具有内应力零件处于一种不稳定状态不稳定状态。l它内部的组织有强烈的倾向要恢复到一个稳定的、没有它内部的组织有强烈的倾向要恢复到一个稳定的、没有内应力的状态内应力的状态。即使即使在常温下零件也不断进行变化在常温下零件也不断进行变化，直直到内应力消失到内应力消失。951)1)毛坯制造中产生的内应力毛坯制造中产生的内应力铸铸、锻锻、焊焊、热处理中热处理中，由于各部分由于各部分冷热收缩不均匀冷热收缩不均匀以及以及金相组织金相组织转变转变引起的体积变化引起的体积变化，使毛坯内部产生相当大的内应力使毛坯内部产生相当大的内应力。lMachine toollathe bed deformationl例例:机床床身机床床身，导轨表面冷却快导轨表面冷却快，以提高耐磨性以提高耐磨性(硬度高硬度高)，内应力大内应力大。l切除表面切除表面(导轨导轨)后的机床床身变形后的机床床身变形。+-961 1、3 3冷却快冷却快(薄薄)进进入弹性状态入弹性状态(约约620)620)，2 2还处于塑还处于塑性状态性状态；11、3 3收缩时收缩时，2 2不起阻挡变形不起阻挡变形；1 1、3 3收缩变慢时收缩变慢时(温度下温度下降多时降多时)；2 2收缩快收缩快，其结果受到其结果受到1 1、3 3的阻的阻碍碍，产生内应力产生内应力。切口后切口后,1,1处内应处内应力消失力消失，铸件在铸件在2 2、3 3作用下作用下，壁壁2 2收缩收缩，3 3伸长伸长。31231297）冷校直）冷校直(Cool Alignment)l冷轧、冷压冷轧、冷压表面产生塑性变形。表面产生塑性变形。.l例例：轧制的棒料加工零件轧制的棒料加工零件丝杆丝杆，内应力会重新分内应力会重新分布布，产生弯曲产生弯曲。l(1)(1)加载荷加载荷AAA-Apressure stressTension stress-+-弹性区弹性区98 (2)(2)轴心线上产生压应力轴心线上产生压应力(-)(-)，轴心线下产生轴心线下产生拉应力拉应力(+)(+)轴心线上下两虚线间为轴心线上下两虚线间为弹性变形区弹性变形区，虚线外为虚线外为塑性区塑性区。l冷校直后，工件虽然减少了弯曲冷校直后，工件虽然减少了弯曲，但但仍处于不仍处于不稳定状态稳定状态，再加工一次仍会产生新的弯曲再加工一次仍会产生新的弯曲。l克服方法克服方法：高温时效与低温时效来处理高温时效与低温时效来处理，一般丝杆不允一般丝杆不允许冷校直，而采用许冷校直，而采用加粗棒料方法加粗棒料方法。993)3)切削加工带来的内应力切削加工带来的内应力 为筒状薄壁零件为筒状薄壁零件，粗精加工合在一起粗精加工合在一起，就会产生变就会产生变形内应力。形内应力。夹紧力夹紧力 clamping force夹紧力夹紧力 clamping forceWorkpiece deformation1009.9.度量误差和调整误差度量误差和调整误差 （Measuring Error and Adjusting ErrorMeasuring Error and Adjusting Error）1)1)度量误差度量误差l与量具磨损及所选量具精度有关与量具磨损及所选量具精度有关，度量误差度量误差控制在工件公差控制在工件公差(tolerance)(tolerance)的的1/101/101/61/6以以内内，当工件精度较低时当工件精度较低时，可放宽到可放宽到1/31/3。l人为误差人为误差、温度引起的误差温度引起的误差，尤其大件时应尤其大件时应注意注意。）调整误差）调整误差l调整误差包括夹具调整调整误差包括夹具调整、刀具调整刀具调整。例例:镗镗刀伸出长度刀伸出长度。101镗杆镗杆(boring bar)伸出长度不同的误差伸出长度不同的误差=R2-R1R1R22R12R21022-3 2-3 机械加工的经济精度机械加工的经济精度Economical Precision of Mechanical Processing l 加工过程要做到加工过程要做到优质优质、高产高产、低耗低耗，但机械加但机械加工精度和成本之间总存在一定关系工精度和成本之间总存在一定关系，某种加工某种加工方法方法，加工精度愈高加工精度愈高，其加工成本也愈高其加工成本也愈高。l 经济精度经济精度(economic precision(economic precision）:一种加工一种加工方法只有在方法只有在一定精度范围内一定精度范围内才是经济的才是经济的，此一此一定范围的精度即为定范围的精度即为这种加工方法这种加工方法的的经济精度经济精度。103Processing Cost-Processing ErrorABC加工误差加工误差加工成本加工成本 Qab一种方法在：一种方法在：A A 区加工时区加工时，成本高成本高;B B 区加工时区加工时，经济经济;C C 区加工时区加工时，成本低成本低，精度低。精度低。例例:普通车床加工时普通车床加工时IT6IT6精度零件精度零件，质量不稳定质量不稳定，往往不经济往往不经济。不同加工方法不同加工方法，其经济精度不同其经济精度不同，以下为三种加工方法与成本之间关系以下为三种加工方法与成本之间关系。104达到的精度最高达到的精度最高，次之次之，最低最低