工艺系统几何精度对加工精度的影响及其控制

*,郭德伟,机械制造技术基础,4.2,工艺系统几何精度对,加工精度的影响及其控制,Geometric Precisions of Technological System and its influence and control to machining Precision,第,4,章,机械加工质量,Machining Quality,1,4.2 工艺系统原有误差对加工精度的影响及其控制,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,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,2,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,一般多为形状误差。,4.2.1 原理误差对加工精度的影响及其控制,用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮；,在普通公制丝杠的车床上加工英制螺纹等,如：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件,S,R,h,空间曲面数控加工,加工原理误差,3,计量器具误差主要是由示值误差、示值稳定性、回程误差和灵敏度等四个方面综合起来的极限误差。计量器具误差会对被测零件测量精度产生直接的影响。,除量具本身误差之外，测量者的视力、判断能力、测量经验、相对测量或间接测量中所用的对比标准、数学运算精确度、单次测量判断的不准确等因素都会引起测量误差。,4.2.2 量具误差与测量误差对加工精度的影响及其控制,量具误差与测量误差,4,利用夹具装夹工件进行加工时，造成工件加工表面之间尺寸和位置误差的因素主要有：,工件装夹误差,ZJ,包括,定位误差,DW,和,夹紧误差,JJ,。,夹具对定误差,DD,包括,对刀误差,DA,和,夹具位置误差,JW,。,4.2.3 装夹误差与夹具误差对加工精度的影响及其控制,装夹误差与夹具误差,一般情况下，精加工用夹具的有关尺寸公差取工件相应尺寸公差的1/21/3；粗加工时取1/51/10。,L,0.05,6,F,7,10,F,7,k,6,20,H,7,g,6,Y,Z,图4-7 钻,径向孔的夹具,5,4.2.4 刀具误差与调整误差对加工精度的影响及其控制,刀具误差,定尺寸刀具（钻头、绞刀等）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,6,4.2.4 刀具误差与调整误差对加工精度的影响及其控制,立轴转塔车床刀架转位误差的转移,将误差转移到加工误差的非敏感方向上，有效提高加工精度,7,4.2.4 刀具误差与调整误差对加工精度的影响及其控制,调整误差,调整刀具与工件之间位置而产生的对刀误差,测量误差。,试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差。,机床进给机构的位移误差。,定程机构误差。,样件或样板误差。,测量有限试件造成的误差。,和试切法有关的误差。,a）,b）,调整法,（,图,b）,试切法,（,图,a）,8,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,机床误差,机床误差是指在无切削负荷下，来自机床本身制造误差、安装误差和磨损。,机床的几何精度主要包括,回转运动精度,、,直线运动精度,、,成形运动间位置关系精度,和,传动精度,等几个方面。,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.理想回转轴线通常是以平均回转轴线（即主轴各瞬时回转轴线的平均位置）来代替。为便于研究，可以将主轴回转轴线的运动误差分解为,径向跳动,、,轴向窜动,和,角度摆动,三种基本型式。,（,图4-10）,主轴回转运动精度,9,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,径向跳动,产生原因主要是主轴轴承副的制造误差。根据不同的主轴零部件布置情况影响到加工精度。只影响形状误差,对端面加工不影响。,滑动轴承,滚动轴承,主轴采用滚动轴承时，滚动轴承的内圈、外圈和滚动体本身的几何误差都将影响主轴回转精度。此外，主轴轴颈的误差、轴承孔的误差、装配质量以及装配间隙等对主轴回转精度也有重要影响。,Flash演示,结论：,主轴,径向跳动影响加工表面的圆度误差,10,4.2.2 机床误差,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：,e,图4-8 径向跳动对镗孔精度影响,式中,R,刀尖回转半径；,主轴转角。,（,4-4,）,显然，式（4-4）为一椭圆。,11,图4-9 径向跳动对车外圆精度影响,1,2,3,4,5,6,7,8,4.2.2 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4-9）。,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，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,主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）,12,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,轴向窜动,推力轴承滚道端面误差会造成主轴端面圆跳动,Flash演示,结论：被加工端面不平，与圆柱面不垂直；,加工螺纹时，产生螺距周期性误差。,角度摆动,倾角摆动可视为径向圆跳动与端面圆跳动的综合。,凡引起径向圆跳动与端面圆跳动的因素均会影响主轴的倾角摆动。,结论：与主轴,径向跳动影响类似，不仅影响圆度误差，而且影响圆柱度误差。,13,A,B,4.2.2 机床误差,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,图4-10 轴径不圆引起车床主轴径向跳动,滑动轴承,镗床,（图,4-11,）,轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动,图4-11 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动,滚动轴承,车床,（图,4-10,）,轴径不圆引起车床主轴向跳动（注意其频率特性）,静压轴承,对,轴承孔或轴径圆度误差起,均化,作用,14,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,提高主轴回转运动精度的措施,选用高精度的轴承，并提高主轴及箱体的制造精度和主轴部件的装配精度。,对高速主轴部件要进行动平衡，对精密滚动轴承要采取预加载荷等工艺措施。,采用液体或气体静压轴承，由于无磨损，高刚度（是滚动轴承的,5,6,倍），以及对主轴轴颈的形状误差的均化作用，可以大幅度地提高主轴回转精度。,15,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,直线运动精度,机床的直线运动精度主要是指,导轨的导向精度,。机床导轨精度主要有导轨在水平面内的直线度、导轨在垂直面内的直线度和双导轨间在垂直方向的平行度。,以普通车床为例,导轨在,水平面内,的直线度误差,导轨在,垂直面内,的直线度误差,导轨扭曲,Flash演示,16,导轨在水平面内直线度误差,X,X,o,D,R,水平面,导轨水平面内直线度,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,返回,17,导轨在垂直面内直线度误差,垂直平面,导轨垂直面直线度,Y,d,R,Y,R,R,R,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,返回,18,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,提高导轨导向精度的措施,改善导轨其制造精度、接触精度和精度保持性。,采用静压导轨，利用压力油或压力空气的均化作用，可有效提高工作台的直线运动精度和精度保持性。,19,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,成形运动间位置关系精度,机床的切削成形运动往往是由几个独立运动复合而成的，各成形运动之间的位置关系精度对工件的形状精度有很大的影响，所引起的加工误差量值可根据工艺系统中的几何关系求得。,对外圆和端面车削的影响,对卧镗内孔的影响,端铣刀对称铣削时的平面度误差和位移加工,20,图4-14 成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响,f,Z,z,z,c）,L,X,Z,f,d,D,d,x,a）,H,y,r,0,f,b）,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,返回,平面度误差,21,图4-15 成形运动间位置误差对卧镗内孔的影响,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,返回,d,c,d,c,(刀尖回转直径),d,c,cos,圆度误差,很小,22,图4-16 端铣刀对称铣削时的平面度误差和位移加工,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,返回,b,23,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,成形运动间速度关系精度,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。一般用,传动链末端元件,的,转角误差,来衡量。,图4-17 齿轮机床传动链,z,7,=,z,8,=,16,z,1,=,64,z,n,=,96,z,5,=,z,6,=,23,z,3,=,z,4,=,23,b,z,2,=,16,z,n-1,=,1,i,c,e,f,a,c,d,传动比,滚刀转角,工件转角,k,24,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,一般用,传动元件,产生的,转角误差,是因为制造时的几何偏心或运动偏心及装配到轴上时的安装偏心等所引起，因此可近似认为各传动元件的转角误差是转角的正弦函数。,若传动元件,j,，在某一时刻产生转角误差,j,第j 个传动元件转角误差的幅值,j,第j 个传动元件转角误差的初相角,j,第j 个传动元件角速度,则所造成传动链末端元件,n,的转角误差：,K,j,误差传递系数,(元件j到n的传动比),各传动件对工件精度影响的总和,即传动链的总转角误差为：,25,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,可见，传动链传动误差（末端元件总转角误差）也是,周期性变化,的。如以末端元件的圆频率为基准，各传动元件引起末端元件的转角误差就是它的各次谐波分量。或者是说，幅值为,、圆频率为,j,的第,j,个元件的转角误差,j,将在工件上造成幅值为,k,j,j,、频率为在工作台每转中出现1/,k,j,次的转角误差,jn,。,又,传动链误差,26,采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节,末端元件转角误差,图4-18 传动链误差的频谱分析,a),n,A,1,A,2,A,i,b),（频率）,A,（幅值）,1,2,i,成形运动间速度关系精度,一般不影响圆柱面和平面的加工精度,但在加工工件运动和刀具运动有严格内联系的表面,如车削、磨削螺纹和滚齿、插齿、磨齿时,则是影响加工精度的重要因素。,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,27,频域与时域,28,频域与时域,29,4.2.5 机床几何误差对加工精度的影响及其控制,提高传动精度的方法,减少传动链中传动件数目，缩短传动链长度。,采用降速传动链，以减小传动链中各元件对末端元件转角误差的影响。,提高传动元件，特别是末端传动元件的制造精度和装配精度。,采用误差补偿的方法。,图4-19 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,30,