第二節(jié) 影響機械加工精度的因素,機械加工系統(tǒng)（簡稱工藝系統(tǒng)）的組成：機床、夾具、刀具和工件。,影響加工精度的主要因素有： l）工藝系統(tǒng)的幾何誤差，包括機床、夾具和刀具等的制造誤差及其磨損。 2）工件裝夾誤差。 3）工藝系統(tǒng)受力變形引起的加工誤差。 4）工藝系統(tǒng)受熱變形引起的加工誤差。 5）工件內應力重新分布引起的變形。 6）其他誤差，包括原理誤差、測量誤差、調整誤差等。,一、工藝系統(tǒng)的幾何誤差 （一）機床的幾何誤差 加工中，刀具相對于工件的成形運動，通常都是通過機床完成的。工件的加工精度 在很大程度上取決于機床的精度。 機床制造誤差中對工件加工精度影響較大的誤差有：主軸回轉誤差、導軌誤差和傳動誤差。,1主軸回轉誤差,機床主軸是用來裝夾工件或刀具，并將運動和動力傳給工件或刀具的重要零件，主軸回轉誤差將直接影響被加工工件的形狀精度和位置精度。 主軸回轉誤差：是指主軸實際回轉軸線相對其平均回轉軸線的變動量。,主軸回轉誤差分解為徑向圓跳動、軸向圓跳動和角度擺動三種不同形式的誤差。 （1）徑向圓跳動：圖4-2a）是主軸回轉軸線相對于平均回轉軸線在徑向的變動量。車外圓時它使加工面產生圓度和圓柱度誤差 。 產生徑向圓跳動誤差的主要原因有：主軸支承軸頸的圓度誤差、軸承工作表面的圓度誤差等。,圖4-3,（2）軸向圓跳動：圖4-2b）是主軸回轉軸線沿平均回轉軸線方向的變動量。 車端面時它使工件端面產生垂直度、平面度誤差。產生軸向國跳動的原因是主軸軸肩端面和推力軸承承載端面對主軸回轉軸線有垂直度誤差。,（3）角度擺動：圖4-2c）主軸回轉軸線相對平均回轉軸線成一傾斜角度的運動。車削時，它使加工表面產生圓柱度誤差和端面的形狀誤差。 提高主軸及箱體軸承孔的制造精度，選 用高精度的軸承，提高主軸部件的裝配精度，對主軸部件進行平衡，對滾動軸承進行預緊等，均可提高機床主軸的回轉精度。,2導軌誤差 導軌是機床中確定各主要部件相對位置關系的基準。,（1） 導軌在水平面內的直線度誤差對加工精度的影響,導軌在水平面內有直線度誤差y時，在導軌全長上刀具相對于工件的正確位置將產生y的偏移量，使工件半徑產生R=y的誤差。導軌在水平面內的直線度誤差將直接反映在被加工工件表面的法線方向（誤差敏感方向）上，對加工精度的影響最大。,（2）導軌在垂直平面內的直線度誤差對加工精度的影響,導軌在垂直平面內有直線度誤差z時，也會使車刀在水平面內發(fā)生位移，使工件半徑產生誤差R。與z值相比，R屬微小量，由此可知，導軌在垂直平面內的直線度誤差對加工精度影響很小，一般可忽略不計。,（3）導軌間的平行度誤差對加工精度的影響,當前后導軌在垂直平面內有平行度誤差（扭曲誤差）時，刀架將產生擺動，刀架沿床身導軌作縱向進給運動時，刀尖的運動軌跡是一條空間曲線，使工件產生圓柱度誤差。 導軌間在垂直方向有平行度誤差時，將使工件與刀具的正確位置在誤差敏感方向產生偏移量，使工件半徑產生R=y的誤差，對加工精度影響較大。,除了導軌本身的制造誤差之外，導軌磨損是造成機床精度下降的主要原因。選用合理的導軌形狀和導軌組合形式，采用耐磨合金鑄鐵導軌、鑲鋼導軌、貼塑導軌、滾動導軌以及對導軌進行表面淬火處理等措施均可提高導軌的耐磨性。,圖4-7 滾齒機傳動系統(tǒng)圖,傳動鏈誤差,傳動鏈誤差：是指傳動鏈始末兩端傳動元件相對運動的誤差。一般用傳動鏈末端元件的轉角誤差來衡量。機床傳動鏈誤差是影響表面加工精度的主要原因之一。 提高傳動元件的制造精度和裝配精度，減少傳動件數，均可減小傳動鏈誤差。,圖,（二）刀具的幾何誤差 刀具誤差對加工精度的影響隨刀具種類的不同而不同。采用定尺寸刀具（例如鉆頭、鉸刀、鍵槽銑刀、圓拉刀等）加工時，刀具的尺寸誤差和磨損將直接影響工件尺寸精度。采用成形刀具（例如成形車刀、成形銑刀、齒輪模數銑刀、成形砂輪等）加工時，刀具的形狀誤差和磨損將直接影響工件的形狀精度。對于一般刀具（例如車刀、健刀、銑刀等），其制造誤差對工件加工精度無直接影響。,刀具的尺寸磨損量NB是在被加工表面的法線方向上測量的。刀具的尺寸磨損NB與切削路程l的關系如圖48所示。新刃磨刀具切削初期，刀具磨損較劇烈，這段時間的刀具磨損量稱為初期磨損量NB；進入正常磨損階段后，磨損量與切削路程成正比，其斜率稱為相對磨損，相對磨損表示每切削1000m路程刀具的尺寸磨損量；當切削路程 時，磨損急劇增加，這時應停止切削。,圖,刀具的尺寸磨損量可用下式計算 選用新型耐磨刀具材料，合理選用刀具幾何參數和切削用量，正確刃磨刀具，正確采用冷卻潤滑液等，均可減少刀具的尺寸磨損。必要時，還可采用補償裝置對刀具尺寸磨損進行自動補償。,（三）夾具的幾何誤差 夾具的作用是使工件相對于刀具和機床占有正確的位置，夾具的幾何誤差對工件的加工精度（特別是位置精度）有很大影響。在圖49所示鉆床夾具中，影響工件孔軸線a與底面B間尺寸L和平行度的因素有：鉆套軸線與夾具定位元件支承平面C間的距離和平行度誤差；夾具定位元件支承平面C與夾具體底面d的垂直度誤差；鉆套孔的直徑誤差等。,圖,在設計夾具時，對夾具上直接影響工件加工精度的有關尺寸的制造公差一般取為工件上相應尺寸公差的1215。 夾具元件磨損將使夾具的誤差增大。為保證工件加工精度，夾具中的定位元件、導向元件、對刀元件等關鍵易損元件均需選用高性能耐磨材料制造。,二、裝夾誤差 裝夾誤差包括：定位誤差、夾緊誤差。 （一）定位誤差 定位誤差：因定位不正確而引起的誤差。 定位誤差的產生：是由于定位基準與工序基準不重合以及定位面和定位元件制造不準確而引起。,圖,定位誤差 的組成：由基準不重合誤差 和定位副（含工件定位基面和定位元件）制造不準確誤差 兩部分組成。 定位誤差 值為上述兩項誤差在工序尺寸方向上的代數和：,（二）夾緊誤差 工件或夾具剛度過低或夾緊力作用方向、作用點選擇不當，都會使工件或夾具產生變形，造成加工誤差。,例如：用三爪自定心卡盤裝夾薄壁套簡鏜孔時，夾緊前薄壁套筒的內外圓是圓的，夾緊后工件呈三棱圓形；鏜孔后，內孔呈圓形；但松開三爪卡盤后，外圓彈性恢復為圓形，所加工孔變成為三棱圓形，使鏜孔孔徑產生加工誤差。為減少由此引起的加工誤差，可在薄壁套筒外面套上一個開口薄壁過渡環(huán)，使夾緊力沿工件圓周均勻分布。,三、工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差 （一）工藝系統(tǒng)剛度 1工藝系統(tǒng)剛度 機械加工中，工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力、傳動力、慣性力和重力等的作用下，將產生相應變形, 使工件產生加工誤差。工藝系統(tǒng)在外力作用下產生變形的大小，不僅取決于作用力的大小，還取決于工藝系統(tǒng)的剛度。,圖,垂直作用于工件加工表面的背向力與工藝系統(tǒng)在該方向上的變形y的比值，稱為工工藝系統(tǒng)剛度 （N） 工藝系統(tǒng)在某一位置受力作用產生的變形量 應為工藝系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)在此位置受該力作用產生的變形量的代數和，即,根據剛度定義知： ， ， ， ，將它們代入上式得 由式（46）知，工藝系統(tǒng)剛度的倒數等于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)剛度的倒數之和。若已知各組成環(huán)節(jié)的剛度，即可由式（46）求得工藝系統(tǒng)剛度。工藝系統(tǒng)剛度主要取決于薄弱環(huán)節(jié)的剛度。,2機床剛度 機床結構較為復雜，它由許多零、部件組成，其剛度值迄今尚無合適的簡易計算方法，目前主要還是用實驗方法進行測定。 測得機床部件剛度 、 、 之后，就可以通過計算求得機床剛度。,由剛度定義，上式可寫為 機床剛度與各組成部件的剛度的關系式為: 分析上式可知，機床剛度取決于其組成部件的剛度，并主要取決于薄弱部件的剛度，提高機床剛度要從提高弱剛度部件的剛度人手。,3機床部件剛度 是一臺車床刀架部件的實測度曲線圖，曲線反映了三次加載、卸載過程中的變形情況。分析圖414所示刀架剛度試驗曲線可知，機床部件剛度具有以下特點； l）變形與載荷不成線性關系，曲線上各點的實際剛度（各點斜率）是不同的，這說明機床部件的變形不純粹是彈性變形。,如圖,2）加載曲線和卸載曲線不重合，卸載曲線滯后于加載曲線；兩曲線所包容的面積代表加載和卸載循環(huán)中消耗的能量，它消耗于克服部件內零件間摩擦力和接觸塑性變形所做的功。 3）第一次卸載后，刀架恢復不到第一次加載的起點，這說明有殘余變形存在，經多次加載和卸載后，加載曲線起點才和卸載曲線終點重合，殘余變形才逐漸減小到零。,4）部件實測剛度遠比按實體結構估算值小。 一個外形尺寸很大的刀架，它的實測平均剛度值只相當于一個截面積較小的鑄鐵懸臂梁的剛度，其原因在于刀架外形尺寸看起來很大，但它是由許許多多零件組裝而成，零件間有間隙，結合面間有接觸變形，由于這些因素的影響，總的變形就大了。,（二）工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響 1加工過程中由于工藝系統(tǒng)剛度發(fā)生變化引起的誤差,圖,例,2由于切削力變化引起的誤差 加工過程中，由于毛坯加工余量和工件材質不均等因素，會引起切削力變化，使工藝系統(tǒng)變形發(fā)生變化。從而產生加工誤差。 誤差復映現象： 車削一具有錐形誤差的毛坯，加工表面上必然有錐形誤差；待加工表面上有什么樣的誤差，加工表面上必然也有同樣性質的誤差，這就是切削加工中的誤差復映現象。,圖,誤差復映系數：加工前后誤差之比值，稱為誤差復映系數，它代表誤差復映的程度。 分析式（411）可知與 成反比； 這表明工藝系統(tǒng)剛度愈大，誤差復映系數愈小，加工后復映到工件上的誤差值就愈小。 尺寸誤差和形位誤差都存在復映現象。如果我們知道某加工工序的復映系數，就可以通過測量待加工表面的誤差統(tǒng)計值來估算加工后工件的誤差統(tǒng)計值。,當工件表面加工精度要求高時，須經多次切削才能達到加工要求。第一次切削的復映系數 ；第二次切削的復映系數 ，則該加工表面總的復映系數 因每個復映系數均小于1，故總的復映系數將是一個很小的數值。,（三）減小工藝系統(tǒng)受力變形的途徑 由工藝系統(tǒng)剛度表達式（44）可知，減少工藝系統(tǒng)變形的途徑為：提高工藝系統(tǒng) 剛度；減小切削力及其變化。 1提高工藝系統(tǒng)剛度 提高工藝系統(tǒng)剛度應從提高其各組成部分薄弱環(huán)節(jié)的剛度入手，這樣才能取得事半功倍的效果。提高工藝系統(tǒng)剛度的主要途徑是：,（1）設計機械制造裝備時應切實保證關鍵零部件的剛度 在機床和夾具中應保證支承件（如床身、立柱、橫梁、夾具體等）。主軸部件和傳動件有足夠的剛度。 （2）提高接觸剛度 提高接觸剛度是提高工藝系統(tǒng)剛度的關鍵。減少組成件數，提高接觸面的表面質量，均可減少接觸變形，提高接觸剛度。對于相配合零件，可以通過適當預緊消除間隙，增大實際接觸面積。,（3）采用合理的裝夾方式和加工方法 提高工件的裝夾剛度，應從定位和夾緊兩個方面采取措施。,2減小切削力及其變化 改善毛坯制造工藝，減小加工余量，適當增大前角和后角，改善工件材料的切削性能等均可減小切削力。為控制和減小切削力的變化幅度，應盡量使一批工件的材料性能和加工余量保持均勻。,四、工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差 工藝系統(tǒng)在熱作用下產生的局部變形，會破壞刀具與工件的正確位置關系，使工件產生加工誤差。熱變形對加工精度影響較大，特別是在精密加工和大件加工中，熱變形所引起的加工誤差通常會占到工件加工總誤差的4070。隨著高精度、高效率及自動化加工技術的發(fā)展，工藝系統(tǒng)熱變形問題日益突出。,（一）工藝系統(tǒng)的熱源 l切削熱 切削加工過程中，消耗于切削層彈、塑性變形及刀具與工件、切屑間摩擦的能量，絕大部分轉化為切削熱。切削熱將傳入工件、刀具、切屑和周圍介質，它是工藝系統(tǒng)中工件和刀具熱變形的主要熱源。,在車削加工中，傳給工件的熱量占總切削熱的30左右，切削速度越高，切屑帶走的熱量越多，傳給工件的熱量就越少；在銑削、刨削加工中，傳給工件的熱量占總切削熱的比例小于30；在鉆削和健削加工中，因為大量的切屑滯留在所加工孔中，傳給工件的熱量往往超過50；磨削加工中傳給工件的熱量有時多達80以上，磨削區(qū)溫度可高達8001000左右。,2摩擦熱和動力裝置能量損耗發(fā)出的熱 機床運動部件（如軸承、齒輪、導軌等）為克服摩擦所做機械功轉變的熱量，機床動力裝置（如電動機、液壓馬達等）工作時因能量損耗發(fā)出的熱，它們是機床熱變形的主要熱源。 3外部熱源 主要是指周圍環(huán)境溫度通過空氣的對流以及日光、照明燈具、取暖設備等熱源通過輻射傳到工藝系統(tǒng)的熱量。,外部熱源的熱輻射及環(huán)境溫度的變化對機床熱變形的影響，有時也是不可忽視的。靠近窗口的機床受到日光照射的影響，上下午的機床溫升和變形就不同，而且日照通常是單向的局部的，受到照射的部分與未經照射的部分之間就有溫差。,熱平衡：工藝系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，一方面它經受各種熱源的作用使溫度逐漸升高，另一方面，它同時也通過各種傳熱方式向周圍介質散發(fā)熱量。當工件、刀具和機床的溫度達到某一數值時，單位時間內傳出和傳人的熱量接近相等時，工藝系統(tǒng)就達到了熱平衡狀態(tài)。在熱平衡狀態(tài)下，工藝系統(tǒng)各部分的溫度保持在某一相對固定的數值上，工藝系統(tǒng)的熱變形將趨于相對穩(wěn)定。,（二）工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響 1工件熱變形對加工精度的影響 機械加工過程中，使工件產生熱變形的熱源主要是切削熱。對于精密零件，環(huán)境溫度變化和日光、取暖設備等外部熱源對工藝系統(tǒng)的局部輻射等也不容忽視。 車削或磨削軸類工件外圓時，可近似看成是均勻受熱的情況。工件均勻受熱影響工件的尺寸精度，其變形量 （mm）可按下式估算：,對于精密加工，熱變形是一個不容忽視的重要問題。熱變形對精密加工件的影響是很大的。 磨削加工薄片類工件的平面， 所示，就屬于不均勻受熱的情況，上、下表面間的溫差將導致工件中部凸起，加工中凸起部分被切去，冷卻后加工表面呈中凹形，產生形狀誤差。工件凸起量與工件長度上的平方成正比，且工件越薄，工件的凸起量越大。,圖,2刀具熱變形對加工精度的影響 使刀具產生熱變形的熱源主要是切削熱。切削熱傳入刀具的比例雖然不大（車削時約為5左右），但由于刀具體積小，熱容量小，所以刀具切削部分的溫升仍較高。 粗加工時，刀具熱變形對加工精度的影響一般可以忽略不計；對于加工要求較高的零件，刀具熱變形對加工精度的影響較大，將使加工表面產生尺寸誤差或形狀誤差。,3機床熱變形對加工精度的影響 使機床產生熱變形的熱源主要是摩擦熱、傳動熱和外界熱源傳入熱量。 由于機床內部熱源分布的不均勻和機床結構的復雜性，機床各部件的溫升是各不相同的，機床零部件間會產生不均勻的變形，這就破壞了機床各部件原有的相互位置關系。不同類型的機床，其主要熱源各不相同,熱變形對加工精度的影響也不相同。,車床、銑床和鉆、鏜類機床的主要熱源來自主軸箱。車床主軸箱的溫升將使主軸升高；由于主軸前軸承的發(fā)熱量大于后軸承的發(fā)熱量，故主軸前端比后端高；主軸箱的熱量傳給床身，還會使床身和導軌向上凸起。 磨床通常都有液壓傳動系統(tǒng)和高速回轉的磨頭，并使用大量切削液，它們都是磨床的主要熱源。,圖,圖,（三）減小工藝系統(tǒng)熱變形的途徑 1減少發(fā)熱量 機床內部的熱源是產生機床熱變形的主要熱源。凡是有可能從主機分離出去的熱源,如電動機、液壓系統(tǒng)和油箱等，應盡量放在機床外部。 為了減小熱源發(fā)熱，在相關零部件的結構設計時應采取措施改善摩擦條件。例如，選用發(fā)熱較少的靜壓軸承或空氣軸承作主軸軸承，在潤滑方面也可改用低粘度的潤滑油、鋰基油脂或油霧潤滑等。,通過控制切削用量和刀具幾何參數，可減少切削熱。 2改善散熱條件 向切削區(qū)加注冷卻潤滑液，可減少切削熱對工藝系統(tǒng)熱變形的影響。有些加工中心機床采用冷凍機對冷卻潤滑液進行強制冷卻，效果明顯。 3均衡溫度場 在外移熱源時，還應注意考慮均衡溫度場的問題。,4改進機床結構,1主軸 2主軸箱 3套筒,五、工件內應力重新分布引起的誤差 （一）內應力及其對加工精度的影響 1內應力 內應力：亦稱殘余應力，是指在沒有外力作用下或去除外力作用后殘留在工件內部的應力。工件一旦有內應力產生，就會使工件材料處于一種高能位的不穩(wěn)定狀態(tài)，它本能地要向低能位轉化，轉化速度或快或慢，但遲早總是要轉化的，轉化的速度取決于外界條件。,當帶有內應力的工件受到力或熱的作用而失去原有的平衡時，內應力就將重新分布以達到新的平衡，并伴隨有變形發(fā)生，使工件產生加工誤差。,2內應力產生的原因 （1）熱加工中產生的內應力,在鑄造、鍛壓、焊接和熱處理等加工中，由于工件壁厚不均、冷卻不均或金相組織轉變等原因，都會使工件產生內應力。,（2）冷校直產生的內應力 一些剛度較差容易變形的軸類零件，常采用冷校直方法使之變直。,3內應力重新分布引起的變形 如果工件內部存在拉、壓平衡的內應力，經過加工后，原有的內應力平衡狀態(tài)受到破壞，工件就將通過變形重新建立新的應力平衡。,a）鑄件內應力平衡狀態(tài) b）刨去一層材料時應力狀態(tài)c）通過變形建立新的應力平衡 d）工件的變形情況,（二）減小或消除內應力變形誤差的途徑 （1）合理設計零件結構 在設計零件結構時，應盡量做到壁厚均勻、結構對稱，以減小內應力的產生。 （2）合理安排工藝過程 工件中如有內應力產生，必然會有變形發(fā)生，但遲變不如早變，應使內應力重新分布引起的變形能在進行機械加工之前或在粗加工階段盡早完成，不讓內應力變形發(fā)生在精加工階段或精加工之后。,鑄件、鍛件、焊接件在進人機械加工之前，應安排退火、回火等熱處理工序；對箱體、床身等重要零件，在粗加工之后尚需適當安排時效工序；工件上一些重要表面的粗、精加工工序宜分階段安排，使工件在粗加工之后能有更多的時間通過變形使內應力重新分布，待工件充分變形之后再進行精加工，以減小內應力對加工精度的影響。,六、其他誤差 l原理誤差 原理誤差：是指由于采用了近似的成形運動、近似的刀刃形狀等原因而產生的加工誤差。例如，用模數銑刀銑齒，理論上要求加工不同模數、齒數的齒輪，就應該用不同模數、齒數的銑刀。生產中為了減少模數銑刀的數量，每一種模數只設計制造有限幾把（例如 8把、15把、26把）模數銑刀，用以加工同一模數各種不同齒數的齒輪。當所加工齒輪的齒數與所選模數銑刀刀刃所對應的齒數不同時，就會產生齒形誤差。此種誤差就是原理誤差。,機械加工中，采用近似的成形運動或近似的刀刃形狀進行加工，雖然會由此產生一定的原理誤差，但卻可以簡化機床結構和減少刀具數，只要加工誤差能夠控制在允許的制造公差范圍內，就可采用近似加工方法。,2調整誤差 在機械加工過程中，有許多調整工作要做，