機械制造技術第14章機械制造工藝規程設計@高等教育出版社ContentsPage目錄頁04工藝系統的熱變形誤差01機械加工精度概述02工藝系統的幾何誤差03工藝系統的受力變形誤差05工件應力造成的誤差06定位誤差07加工誤差綜合分析簡介TransitionPage過渡頁04工藝系統的熱變形誤差01機械加工精度概述02工藝系統的幾何誤差03工藝系統的受力變形誤差05工件應力造成的誤差06定位誤差07加工誤差綜合分析簡介一、零件加工精度的構成1．尺寸精度實際尺寸與理論正確尺寸之間的符合程度。包括：（1）表面本身的尺寸精度，如圓柱面的直徑、圓錐面的錐角等。（2）表面之間的尺寸精度，如平面之間的距離、孔間距、孔到平面的距離等。2.形狀精度實際幾何形狀與理想幾何形狀之間的符合程度，如平面度、圓度、輪廓度等。3．位置精度加工后的表面之間的實際相互位置與理想位置之間的符合程度，如表面之間的平行度、垂直度、對稱度，孔與孔的同軸度等。14.1機械加工精度概述二、加工誤差的組成把工藝系統存在的各種誤差統稱為原始誤差。從誤差是否被人們掌握來分，加工誤差可分為系統誤差和隨機誤差（偶然誤差）。

根據誤差的來源不同，原始誤差可以分為兩大類：一類是與工藝系統的初始狀態有關的誤差，包括工藝系統的幾何誤差、加工原理誤差、系統調整誤差、工件裝夾誤差。

另一類是與加工過程有關的誤差，包括工藝系統受力變形誤差、工藝系統熱變形誤差、工件應力重新分布造成的誤差、測量誤差等。14.1機械加工精度概述三、原始誤差與加工誤差的關系原始誤差使工藝系統各環節的運動關系及幾何位置，相對于理想狀態所產生偏離，是工藝系統自身的誤差。原始誤差的存在使加工后的工件產生的誤差，稱為加工誤差。如圖所示，車削加工時，由于機床導軌在垂直面內存在平行度誤差δ，影響了工件與車刀之間的相對位置從而引起工件直徑的加工誤差Y。由圖可以計算得出：14.1機械加工精度概述TransitionPage過渡頁04工藝系統的熱變形誤差01機械加工精度概述02工藝系統的幾何誤差03工藝系統的受力變形誤差05工件應力造成的誤差06定位誤差07加工誤差綜合分析簡介一、加工原理誤差加工原理誤差是由于采用近似的加工方法所產生的誤差。它包括近似的成形運動、近似的刀刃輪廓或近似的傳動關系等不同類型。為了獲得規定的加工表面，理論上應采用理想的加工原理以獲得精確的零件表面。但實踐中，往往由于理論的加工原理很難實現、機床或刀具的結構復雜，制造困難、加工效率降低等原因，而采用近似的加工原理來獲得符合加工質量、生產率和經濟性要求的產品。二、機床的幾何誤差1.主軸的回轉運動誤差主軸的回轉運動誤差是指主軸實際回轉軸線相對于理論回轉軸線的偏移。由于機床的主軸用于安裝工件或刀具，其回轉精度會影響工件的表面形狀、表面之間的相互位置關系以及表面粗糙度等。14.2工藝系統的幾何誤差（1）主軸的回轉運動誤差及影響因素①軸向竄動圖a所示為瞬時回轉軸線的軸向竄動，主要影響工件的端面形狀和軸向尺寸精度。②徑向跳動圖b所示為瞬時回轉軸線的徑向運動，主要影響加工工件的圓度和圓柱度。③角度擺動圖c所示為瞬時回轉軸線成角度傾斜，對工件的形狀精度影響很大，如車外圓時，會產生錐度。14.2工藝系統的幾何誤差（2）提高主軸回轉精度的措施①采用高精度的主軸部件

獲得高精度的主軸部件的關鍵是提高軸承精度和剛度，因此，主軸軸承，特別是前軸承，多選用D、C級軸承，并對滾動軸承進行預緊；當采用滑動軸承時，則采用靜壓滑動軸承或動靜壓滑動軸承，以提高軸系剛度，減少徑向圓跳動。其次是提高主軸箱體支承孔、主軸軸頸和與軸承相配合零件的有關表面的加工精度。②消除主軸回轉的誤差對工件加工精度的影響

如采用死定尖磨削外圓，只要保證定位中心孔的形狀、位置精度，即可加工出高精度的外圓柱面。主軸僅僅提供旋轉運動和轉矩，工件的回轉精度由死頂尖和中心孔的精度保證，而與主軸的回轉精度無關。14.2工藝系統的幾何誤差2.機床導軌誤差導軌是機床各部件運動的基準，對于進給運動是直線運動的機床，其直線運動精度主要取決于機床導軌的精度，機床導軌的誤差一般包括垂直面內的直線度（圖a）、水平面內的直線度（圖b）、前后導軌的平行度（扭曲）（圖c）和導軌對機床主軸軸線的位置誤差。在不同的機床上，這些誤差對加工誤差的影響程度和性質各不相同。14.2工藝系統的幾何誤差3.機床傳動鏈誤差在某些加工過程中，成形運動要求嚴格的相對運動關系，如齒輪加工時的展成運動、螺紋車削時的進給運動等。這時機床傳動系統的誤差對工件的加工精度會有直接的影響。

由圖可知，螺紋車削時，其傳動關系為：式中，k1

是在z1

到傳動鏈末端的傳動比，稱為誤差傳遞系數。傳動鏈中各個傳動件造成的導程誤差總和為：14.2工藝系統的幾何誤差假設主軸勻速轉動，若由于齒輪z1

存在齒距誤差，造成轉角誤差，則在傳動鏈的末端造成刀具產生的螺紋導程誤差為：三、工藝系統的其他幾何誤差1.刀具誤差刀具誤差包括刀具的制造、磨損及安裝誤差等。刀具對加工精度的影響，因刀具種類而定。一般刀具（如普通車刀、單刃鏜刀等）的制造誤差對加工精度沒有直接影響。成形刀具和定尺寸刀具（如成形車刀、成形銑刀、齒輪刀具和鉸刀、拉刀、鉆頭等）的制造和磨損誤差主要影響被加工表面的形狀精度和尺寸精度。2.夾具誤差夾具誤差包括夾具的制造誤差、夾具安裝誤差以及夾具在使用過程中的磨損、加工中的對刀誤差等。這些誤差主要與夾具的制造和裝配精度有關。所以在夾具的設計、制造時，凡是影響零件加工精度的尺寸和幾何公差應嚴格控制；在使用中應考慮到磨損的影響，及時更換磨損的元件。14.2工藝系統的幾何誤差3.調整誤差按照零件的加工要求對工藝系統進行調整時會存在調整誤差。當用試切法加工零件時，要根據對工件的檢驗測量結果調整工件、夾具和刀具之間的相互位置，檢測儀器的誤差、測量方法誤差、進給系統的運動精度等會造成加工誤差。在調整法加工中，當用定程機構調整時，調整誤差的大小取決于行程擋塊、靠模及凸輪等機構的制造精度和剛度，以及與其配合使用的控制元件的靈敏度；當用樣件或樣板調整時，調整誤差的大小取決于樣件或樣板的制造、安裝誤差。工藝系統的幾何誤差中，機床、夾具、刀具的制造誤差是工藝系統組成環節的自身誤差，屬于靜態誤差；調整誤差、夾具的安裝誤差等是工藝系統組成環節之間的相對關系誤差，在系統確定后這些誤差都是確定的。加工原理誤差和定位誤差是由加工方法和定位方案所決定的誤差。所以工藝系統的幾何誤差是在加工前就已經存在的誤差，這些誤差在加工中會不同程度地反映為零件的加工誤差。

14.2工藝系統的幾何誤差TransitionPage過渡頁04工藝系統的熱變形誤差01機械加工精度概述02工藝系統的幾何誤差03工藝系統的受力變形誤差05工件應力造成的誤差06定位誤差07加工誤差綜合分析簡介一、概述

工藝系統的變形改變已調整好的工藝系統各組成部分的相互位置關系，導致加工誤差等產生，并影響加工過程的穩定性。例如，在車床上加工細長軸時，在切削力的作用下，工件將產生彎曲，出現“讓刀”現象，從而引起徑向背吃刀量的變化，加工后的工件就產生了腰鼓形的圓柱度誤差（圖a）；又如在磨削內孔時，砂輪接長桿的彎曲變形會使磨削后的孔產生錐度誤差（圖b）。

14.3工藝系統的受力變形誤差一、概述

工藝系統抵抗變形的能力越大，工藝系統的變形就越小。用剛度kxt

表示工藝系統抵抗變形的能力。由于一般只研究工藝系統在誤差敏感方向的變形，即在通過刀尖的加工表面的法線方向的變形，因此，工藝系統的剛度定義為：切削加工中，機床的有關零部件、夾具、刀具和工件在切削力的作用下都會產生不同程度的變形。因此，工藝系統在某一處的法向總變形是各個組成部分在該處的法向變形的疊加。即而各組成部分的剛度為：

14.3工藝系統的受力變形誤差而各組成部分的剛度為：因此，工藝系統剛度的一般計算式為：14.3工藝系統的受力變形誤差二、工藝系統中部件的受力變形1.連接表面的接觸變形兩個表面接觸時，在法向載荷的作用下，兩表面趨近的位移量隨表面壓強的增加而增加。比值

Kc

為：Kc

＝Δp/Δy

稱為接觸剛度。影響接觸剛度的主要因素包括接觸表面的表面粗糙度、表面形狀誤差、材料的硬度等。14.3工藝系統的受力變形誤差2.低剛度零件的自身變形系統中個別環節的剛度由于結構限制而較差時，如刀架和溜板中常用的楔鐵，這些零件在外力的作用下，容易產生變形，從而大大降低系統和部件的剛度，使之產生較大的變形。3.間隙的影響由于系統中部件之間存在間隙，當部件受正反兩個方向加載和卸載作用時，其間隙位移就會造成系統的變形。14.3工藝系統的受力變形誤差三、工藝系統受力變形引起的加工誤差1.切削力大小變化引起的加工誤差如圖所示，切削一個有橢圓形圓度誤差的工件毛坯，切削前將車刀調整到圖中虛線的位置，在工件每一轉中，由于背吃刀量的變化，切削力從最大變到最小，工藝系統的變形也相應地從最大變到最小，加工后的工件具有與毛坯相應的橢圓形狀誤差，這個規律就是毛坯誤差的復映規律。設毛坯最大背吃刀量為ap1，最小背吃刀量為ap2，則

Δm

＝ap1

－ap2

由切削理論可得工件誤差為：

Δgj＝εΔm

14.3工藝系統的受力變形誤差由于y

總小于ap，即ε

總是小于1，因此誤差復映系數反映了毛坯誤差經過加工后的減小程度，與工藝系統的剛度成反比，與切削力Fx的系數成正比。要減小工件的復映誤差，可增加工藝系統的剛度或減小徑向切削力的系數。由于誤差復映會引起加工誤差，因此當一次走刀不能滿足加工精度時，可采用多次走刀，經過n次走刀后，工件誤差為：Δgj＝ε1ε2…εnΔm

根據已知的Δm值，可估計加工后的誤差；也可根據工件的公差值與毛坯誤差來確定走刀次數。14.3工藝系統的受力變形誤差2.切削力作用點位置變化引起的加工誤差（1）切削過程中受力點位置變化引起的工件形狀誤差（2）車削細長軸3.其他力引起的誤差（1）由慣性力引起的加工誤差（2）由傳動力引起的加工誤差14.3工藝系統的受力變形誤差3.其他力引起的誤差（3）由夾緊力引起的加工誤差（4）由重力引起的加工誤差14.3工藝系統的受力變形誤差四、減小工藝系統受力變形的措施1.提高接觸剛度改善機床主要零件的接觸面的配合質量。如對機床導軌及裝配面刮研、經常修研加工精密零件用的中心孔等。2.設置輔助支承，提高局部剛度如加工細長軸時，工件隨切削位置的不同而產生不同的變形。這時可采用輔助支承（如跟刀架），以提高切削時的剛度。在加工短粗的軸、套類零件時，工件的剛度不是工藝系統中最薄弱的環節，應找出薄弱環節予以解決。14.3工藝系統的受力變形誤差3.采用合理的裝夾方法在夾具設計或工件裝夾時，盡量減少彎曲力矩。如圖所示在臥式銑床上加工角鐵零件的端面，用圓柱銑刀加工（圖a），由于加工面離夾緊面遠，工藝系統剛性不如用端銑刀加工（圖b）的工藝系統的剛性好。14.3工藝系統的受力變形誤差4.采用補償或轉移變形的方法如圖14.20所示的龍門銑床，為消除銑頭和配重對橫梁造成的彎曲變形影響，在橫梁上增加一個附加梁，使橫梁不承受銑頭和配重的作用，變形被轉移到了不影響加工精度的附加梁上；圖14.21所示的搖臂鉆床為消除主軸箱自重對搖臂造成的彎曲變形，把主軸箱的導軌做成反向彎曲面，在主軸箱自重作用下變形后接近水平，實現了對變形的補償。14.3工藝系統的受力變形誤差TransitionPage過渡頁04工藝系統的熱變形誤差01機械加工精度概述02工藝系統的幾何誤差03工藝系統的受力變形誤差05工件應力造成的誤差06定位誤差07加工誤差綜合分析簡介一、機床熱變形引起的加工誤差對于車、銑、鏜床類機床，其主要熱源是主軸箱的發熱，它將使箱體、床身及立柱發生變形，從而造成主軸的位移和傾斜。車床在垂直平面內的熱變形一般比在水平面內的熱變形大。普通車床車刀通常安裝在水平面內，對加工精度的影響不大，但對六角車床、自動車床等可能在垂直方向裝刀的自動車床，應嚴格控制主軸的熱位移量。

立式銑床的熱變形，將使銑削后的平面與定位基面之間出現平行度或垂直度誤差。鏜床的熱變形與銑床相似，同樣會導致所鏜內孔軸線與定位基面之間的平行度或垂直度誤差。

磨床一般是液壓驅動并有高速磨頭，故其主要熱源是磨頭軸承和液壓系統的發熱。軸承的發熱使磨頭軸線產生線位移，當前后軸承溫升不同時，其軸線要發生傾斜。液壓系統的發熱使床身各處的溫升不同，導致床身的彎曲變形。

平面磨床床身的熱變形，受油池安放位置及導軌摩擦發熱的影響。當油池不放在床身內時，機床運轉之后，床身將出現中凸。當油池放在床身內時，機床運轉之后，床身將出現中凹。對于大型機床，如導軌磨床、外圓磨床、龍門銑床等長床身部件，由于導軌運動副摩擦發熱，使靠近導軌面附近的溫度較其他部位高，形成溫度差。導軌表面溫度高，底面溫度低，使床身產生彎曲變形，表現中部凸起。14.4工藝系統的熱變形誤差二、工件熱變形對加工精度的影響1.工件均勻受熱加工盤類零件或較短的軸套類零件時，由于加工行程較短，可以認為沿工件軸向的溫升相等。因此，加工出的工件只產生徑向尺寸誤差而不產生形狀誤差。若工件精度要求不高，可忽略熱變形的影響。對于較長工件（如長軸）的加工，開始走刀時，工件溫度較低，變形較小。隨著切削的進行，工件溫度逐漸升高，直徑不斷變大，因此，工件被切去的金屬層厚度越來越大，冷卻后不僅產生徑向尺寸誤差，而且還會產生圓柱度誤差（出現錐度）。14.4工藝系統的熱變形誤差2.工件不均勻受熱當對工件進行銑、刨、磨等平面加工時，工件單側受熱，上、下表面溫升不等，從而導致工件向上凸起，中間切去的材料較多。冷卻后被加工表面呈凹形。這種現象對于加工薄片類零件尤為突出。其變形量可用下式計算：為了減小工件不均勻變形對加工精度的影響，一方面應采取有效的冷卻措施，減小表面溫升；另一方面可采取適當的補償方法，如裝夾工件時使工件表面產生微凹的夾緊變形，以補償切削時工件單向受熱的上凸誤差。

14.4工藝系統的熱變形誤差三、刀具熱變形的影響刀具的熱變形主要由切削熱引起。切削加工時，雖然傳給刀具的熱量并不多，但由于刀具的熱容量小，所以溫升高，受熱變形后的伸長量也較大。如圖所示，車刀在連續加工時的伸長量變化曲線為曲線A，切削停止后冷卻時的長度變化曲線為曲線B，曲線C是間斷切削過程的伸長量變化曲線。刀具熱變形要影響工件的尺寸。連續加工時會影響工件的幾何形狀精度，如車削長軸時，會產生錐度誤差。14.4工藝系統的熱變形誤差四、減小熱變形的主要措施1．減少工藝系統熱源的發熱為了減少機床的熱變形，凡是可能分離出去的熱源（如電動機、變速箱、液壓系統等）應盡可能移出；不能分離的熱源（如主軸軸承、高速運動的導軌副等）可從結構、潤滑等方面改善其摩擦特性，減少發熱。對發熱大的熱源，如既不能從機床中移出，又不便隔熱，則可采用有效的冷卻措施，如增加散熱面積，采用強制的風冷、水冷等。2.保持工藝系統的熱平衡在精密加工之前，應讓機床先空轉一段時間，達到熱平衡后再進行加工。為了縮短熱平衡時間，可人為地給機床供熱，以促使機床更快地達到熱平衡。3.控制環境溫度車間安裝的供暖設備和加熱器，要保證其熱流在各個方向上均勻散發，不要使精密機床受到陽光的直接照射，以免引起不均勻受熱。14.4工藝系統的熱變形誤差TransitionPage過渡頁04工藝系統的熱變形誤差01機械加工精度概述02工藝系統的幾何誤差03工藝系統的受力變形誤差05工件應力造成的誤差06定位誤差07加工誤差綜合分析簡介一、產生應力的原因應力是工件自身的誤差因素，是由于金屬內部宏觀或微觀的組織發生了不均勻的體積變化而產生的，體積變化的主要因素是熱加工和冷加工。1.毛坯制造中產生的應力在毛坯制造和熱處理過程中，由于工件各部分厚度不均勻，引起毛坯各部分收縮不均勻以及金相組織轉變時的體積變化，從而使毛坯產生應力。毛坯的結構越復雜，各部分壁厚越不均勻，散熱的差別越大，毛坯內部產生的應力也越大。14.5工件應力造成的誤差2.工件冷校直時產生的應力薄板類、細長軸類零件加工后常發生彎曲變形，彎曲的工件要校直，必須使工件產生反向彎曲（圖a），并使工件產生一定的塑性變形。當工件外層應力超過屈服強度、內層應力還未超過彈性極限時，其分布情況如圖b所示。去除外力后，由于下部外層已產生拉伸的塑性變形，上部外層已產生壓縮的塑性變形，故里層的彈性變形受到阻礙，結果上部外層產生殘余拉應力，上部里層產生殘余壓應力，下部外層產生殘余壓應力，下部里層產生殘余應力（圖c）。冷校直后雖彎曲變形減小，但是，并沒有消除應力，如進行再加工，又會產生新的彎曲變形。14.5工件應力造成的誤差二、減少和消除應力的工藝措施1.合理設計零件結構在機器零件的結構設計中，盡量簡化零件結構，減小壁厚差，使壁厚均勻，提高零件的剛度等，均可減少毛坯在制造中產生的應力。2.合理安排工藝過程例如將粗、精加工分開，使粗加工后有充足時間讓應力重新分布，保證工件充分變形，再經精加工后，就可減少變形誤差。又如，在加工大件時，如果粗、精加工在一個工序完成，這時應在粗加工后松開工件，使其消除部分應力，然后以較小的夾緊力夾緊工件后對其進行精加工。3.對工件進行熱處理和時效處理如對鑄、鍛、焊件進行退火和回火；零件淬火后進行回火；對精度要求高的零件，如床身、絲杠、主軸等，往往在切削加工后都要進行時效處理。14.5工件應力造成的誤差TransitionPage過渡頁04工藝系統的熱變形誤差01機械加工精度概述02工藝系統的幾何誤差03工藝系統的受力變形誤差05工件應力造成的誤差06定位誤差07加工誤差綜合分析簡介一、定位誤差的概念與計算1.基準位置誤差當工序基準與定位基準相同時，工件定位基準在加工尺寸方向上的最大位置變動量，稱基準位置誤差，用ΔY表示。定位基準是通過一定的幾何表面來體現的，當這些幾何面存在誤差時，就會造成定位基準的位置變化，從而產生基準位置誤差。14.6定位誤差2.基準不重合誤差由于定位基準和工序基準不重合而造成的加工誤差，稱為基準不重合誤差，用ΔB表示。當定位基準與工序基準不重合時，兩者之間的聯系尺寸產生誤差時，將會造成工序基準的位置變化，從而產生加工誤差。14.6定位誤差綜上所述，可得到如下結論：（1）定位誤差只產生在調整法加工一批工件的條件下，采用試切法加工，不存在定位誤差。（2）定位誤差產生的原因是工件的制造誤差和定位元件的制造誤差、兩者的配合間隙及工序尺寸與定位尺寸不重合等。（3）一般情況下，定位誤差由基準位置誤差和基準不重合誤差組成，但并不是在任何情況兩種誤差都存在。當定位基準與工序基準重合時，ΔB

＝0，當定位基準無變動時，ΔY

＝0。二、幾種典型定位表面的定位誤差1.工件以平面定位定位基準為平面時，其定位誤差主要是由基準不重合誤差引起的。這時基準位置誤差主要是由平面度誤差引起的，該誤差很小，可忽略不計。2.工件以圓孔定位工件以圓孔表面作為定位基準時，工件圓孔的制造精度、定位元件的放置形式、定位基面與定位元件的配合性質及工序基準與定位基準是否重合等因素直接影響定位誤差。3.工件以外圓定位工件以外圓定位時，常見的定位元件為各種定位套、支承板和V形塊等。定位套定位時誤差分析及支承板定位時的誤差分析與前述圓孔定位和平面定位相似。14.6定位誤差4.工件以一面兩孔定位實際生產中，多數是以幾個定位基準組合起來實現工件定位的。其中一面兩孔定位是應用最多的方式。所謂一面兩孔定位，就是以工件上的一個較大的平面和平面上相距較遠的兩個孔組合定位。14.6定位誤差TransitionPage過渡頁04工藝系統的熱變形誤差01機械加工精度概述02工藝系統的幾何誤差03工藝系統的受力變形誤差05工件應力造成的誤差06定位誤差07加工誤差綜合分析簡介一、加工誤差的性質1.系統性誤差（1）常值系統性誤差

順序加工一批工件中，其大小和方向保持不變的誤差，稱為常值系統性誤差。如加工原理誤差，機床、夾具、刀具的制造誤差及工藝系統的受力變形等，都是常值系統性誤差。（2）變值系統性誤差

順序加工一批工件中，其大小和方向按一定規律變化的誤差（通常是時間的函數），稱為變值系統性誤差。如機床、夾具和刀具等在熱平衡前的熱變形和刀具磨損等，都是變值系統性誤差。14.7加工誤差綜合分析簡介2.隨機性誤差

在順序加工一批工件時，若誤差的大小和方向作無規律的變化（時大時小，時正時負），這類誤差稱為隨機性誤差。誤差性質不同，其解決的途徑也不一樣。對于常值系統性誤差，在查明其大小和方向后，采取相應調整或檢修工藝裝備，或者用一種常值系統性誤差去抵償原來的常值系統性誤差。對于變值系統性誤差，查明其變化規律后，可采取自動連續補償，或自動周期補償。對于隨機性誤差，由于沒有明顯的變化規律，只能查出產生根源，采取措施以減小其影響。在不同的場合下，誤差的性質也有所不同。例如，機床在一次調整中加工一批工件時，機床的調整誤差是常值系統性誤差，但是，當多次調整機床時，每次調整時發生的調整誤差則具有隨機性，故調整誤差又成為隨機性誤差了。14.7加工誤差綜合分析簡介二、加工誤差的綜合分析方法1.分布曲線法

這種方法是通過測量一批零件加工后的實際尺寸，作出尺寸分布曲線，然后按此曲線來判斷這種加工方法產生的誤差大小。14.7加工誤差綜合分析簡介由分布圖可以看出：①實際尺寸分散范圍中心與公差帶中心不重合，說明加工過程存在系統性誤差；②尺寸分散范圍0.016mm，比公差帶大0.007mm。即使把尺寸分散范圍中心調至公差帶中點27.994mm，也還是要產生不合格品（圖中陰影部分），說明加工過程的隨機性誤差過大。要解決此項精度問題，不但要把系統誤差減少，而且還