第五章机械加工质量及其控制Word格式文档下载.docx
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3）工艺系统受力变形引起的加工误差。
4）工艺系统受热变形引起的加工误差。
5）工件内应力重新分布引起的变形。
6）其他误差，包括原理误差、测量误差、调整误差等。
一、工艺系统的几何误差
（一）机床的几何误差
加工中，刀具相对于工件的成形运动，通常都是通过机床完成的。
工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。
机床制造误差中对工件加工精度影响较大的误差有：
主轴回转误差、导轨误差和传动误差。
1．主轴回转误差
机床主轴是用来装夹工件或刀具，并将运动和动力传给工件或刀具的重要零件，主轴回转误差将直接影响被加工工件的形状精度和位置精度。
主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。
主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向圆跳动和角度摆动三种不同形式的误差。
（1）径向圆跳动：
是主轴回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量。
车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差。
产生径向圆跳动误差的主要原因有：
主轴支承轴颈的圆度误差、轴承工作表面的圆度误差等。
（2）轴向圆跳动：
是主轴回转轴线沿平均回转轴线方向的变动量。
车端面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差。
产生轴向国跳动的原因是主轴轴肩端面和推力轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。
（3）角度摆动：
主轴回转轴线相对平均回转轴线成一倾斜角度的运动。
车削时，它使加工表面产生圆柱度误差和端面的形状误差。
提高主轴及箱体轴承孔的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。
2．导轨误差
导轨是机床中确定各主要部件相对位置关系的基准。
（1）导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨在水平面内有直线度误差Δy时，在导轨全长上刀具相对于工件的正确位置将产生Δy的偏移量，使工件半径产生ΔR=Δy的误差。
导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加工工件表面的法线方向（误差敏感方向）上，对加工精度的影响最大。
（2）导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨在垂直平面内有直线度误差Δz时，也会使车刀在水平面内发生位移，使工件半径产生误差ΔR。
与Δz值相比，ΔR属微小量，由此可知，导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度影响很小，一般可忽略不计。
（3）导轨间的平行度误差对加工精度的影响当前后导轨在垂直平面内有平行度误差（扭曲误差）时，刀架将产生摆动，刀架沿床身导轨作纵向进给运动时，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生圆柱度误差。
导轨间在垂直方向有平行度误差时，将使工件与刀具的正确位置在误差敏感方向产生偏移量，使工件半径产生ΔR=Δy的误差，对加工精度影响较大。
除了导轨本身的制造误差之外，导轨磨损是造成机床精度下降的主要原因。
选用合理的导轨形状和导轨组合形式，采用耐磨合金铸铁导轨、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨以及对导轨进行表面淬火处理等措施均可提高导轨的耐磨性。
3．传动链误差
传动链误差是指传动链始末两端传动元件相对运动的误差。
一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。
机床传动链误差是影响表面加工精度的主要原因之一。
提高传动元件的制造精度和装配精度，减少传动件数，均可减小传动链误差。
（二）刀具的几何误差
刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。
采用定尺寸刀具（例如钻头、铰刀、键槽铣刀、圆拉刀等）加工时，刀具的尺寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度。
采用成形刀具（例如成形车刀、成形铣刀、齿轮模数铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的形状误差和磨损将直接影响工件的形状精度。
对于一般刀具（例如车刀、健刀、铣刀等），其制造误差对工件加工精度无直接影响。
刀具的尺寸磨损量NB是在被加工表面的法线方向上测量的。
刀具的尺寸磨损NB与切削路程l的关系如图4－8所示。
新刃磨刀具切削初期，刀具磨损较剧烈，这段时间的刀具磨损量称为初期磨损量NB。
；
进入正常磨损阶段后，磨损量与切削路程成正比，其斜率称为相对磨损，相对磨损表示每切削1000m路程刀具的尺寸磨损量；
当切削路程
时，磨损急剧增加，这时应停止切削。
刀具的尺寸磨损量可用下式计算
选用新型耐磨刀具材料，合理选用刀具几何参数和切削用量，正确刃磨刀具，正确采用冷却润滑液等，均可减少刀具的尺寸磨损。
必要时，还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿。
（三）夹具的几何误差
夹具的作用是使工件相对于刀具和机床占有正确的位置，夹具的几何误差对工件的加工精度（特别是位置精度）有很大影响。
在图4－9所示钻床夹具中，影响工件孔轴线a与底面B间尺寸L和平行度的因素有：
钻套轴线／与夹具定位元件支承平面C间的距离和平行度误差；
夹具定位元件支承平面C与夹具体底面d的垂直度误差；
钻套孔的直径误差等。
在设计夹具时，对夹具上直接影响工件加工精度的有关尺寸的制造公差一般取为工件上相应尺寸公差的1／2－1／5。
夹具元件磨损将使夹具的误差增大。
为保证工件加工精度，夹具中的定位元件、导向元件、对刀元件等关键易损元件均需选用高性能耐磨材料制造。
第十二讲
二、装夹误差
装夹误差包括定位误差和夹紧误差两个部分。
（一）定位误差
因定位不正确而引起的误差称为定位误差。
定位误差是由于定位基准与工序基准不重合以及定位面和定位元件制造不准确而引起。
定位误差
由基准不重合误差
和定位副（含工件定位基面和定位元件）制造不准确误差
两部分组成，定位误差
值为上述两项误差在工序尺寸方向上的代数和：
（二）夹紧误差
工件或夹具刚度过低或夹紧力作用方向、作用点选择不当，都会使工件或夹具产生变形，造成加工误差。
例如，用三爪自定心卡盘装夹薄壁套简镗孔时，夹紧前薄壁套筒的内外圆是圆的，夹紧后工件呈三棱圆形；
镗孔后，内孔呈圆形；
但松开三爪卡盘后，外圆弹性恢复为圆形，所加工孔变成为三棱圆形，使镗孔孔径产生加工误差。
为减少由此引起的
加工误差，可在薄壁套筒外面套上一个开口薄壁过渡环，使夹紧力沿工件圆周均匀分布。
三、工艺系统受力变形引起的误差
（一）工艺系统刚度
1．工艺系统刚度
机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、惯性力和重力等的作用下，将产生相应变形，使工件产生加工误差。
工艺系统在外力作用下产生变形的大小，不仅取决于作用力的大小，还取决于工艺系统的刚度。
垂直作用于工件加工表面的背向力与工艺系统在该方向上的变形y的比值，称为工艺系统刚度k系（N／㎜）
工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量y系应为工艺系统各组成环节在此位置受该力作用产生的变形量的代数和，即
由式（4－6）知，工艺系统刚度的倒数等于系统各组成环节刚度的倒数之和。
若已知各组成环节的刚度，即可由式（4－6）求得工艺系统刚度。
工艺系统刚度主要取决于薄弱环节的刚度。
2．机床刚度
机床结构较为复杂，它由许多零、部件组成，其刚度值迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法进行测定。
测得机床部件刚度k主轴、k尾座、k刀架之后，就可以通过计算求得机床刚度。
机床刚度与各组成部件的刚度的关系式为
分析上式可知，机床刚度取决于其组成部件的刚度，并主要取决于薄弱部件的刚度，提高机床刚度要从提高弱刚度部件的刚度人手。
3．机床部件刚度
图4－14是一台车床刀架部件的实测刚度曲线图，曲线反映了三次加载、卸载过程中的变形情况。
分析图4－14所示刀架刚度试验曲线可知，机床部件刚度具有以下特点；
l）变形与载荷不成线性关系，曲线上各点的实际刚度（各点斜率）是不同的，这说明机床部件的变形不纯粹是弹性变形。
2）加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线；
两曲线所包容的面积代表加载和卸载循环中消耗的能量，它消耗于克服部件内零件间摩擦力和接触塑性变形所做的功。
3）第一次卸载后，刀架恢复不到第一次加载的起点，这说明有残余变形存在，经多次加载和卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零。
4）部件实测刚度远比按实体结构估算值小。
一个外形尺寸很大的刀架，它的实测平均刚度值只相当于一个截面积较小的铸铁悬臂梁的刚度，其原因在于刀架外形尺寸看起来很大，但它是由许许多多零件组装而成，零件间有间隙，结合面间有接触变形，由于这些因素的影响，总的变形就大了。
（二）工艺系统刚度对加工精度的影响
1．加工过程中由于工艺系统刚度发生变化引起的误差
2．由于切削力变化引起的误差
加工过程中，由于毛坯加工余量和工件材质不均等因素，会引起切削力变化，使工艺系统变形发生变化。
从而产生加工误差。
车削一具有锥形误差的毛坯，加工表面上必然有锥形误差；
待加工表面上有什么样的误差，加工表面上必然也有同样性质的误差，这就是切削加工中的误差复映现象。
加工前后误差之比值，称为误差复映系数，它代表误差复映的程度。
分析式（4－11）可知ε与k系成反比；
这表明工艺系统刚度愈大，误差复映系数愈小，加工后复映到工件上的误差值就愈小。
尺寸误差和形位误差都存在复映现象。
如果我们知道某加工工序的复映系数，就可以通过测量待加工表面的误差统计值来估算加工后工件的误差统计值。
当工件表面加工精度要求高时，须经多次切削才能达到加工要求。
第一次切削的复映系数ε1＝ε加工表面1／ε待加工表面；
第二次切削的复映系数ε2＝ε加工表面2／ε加工表面1，…，则该加工表面总的复映系数
因每个复映系数均小于1，故总的复映系数将是一个很小的数值。
（三）减小工艺系统受力变形的途径
由工艺系统刚度表达式（4－4）可知，减少工艺系统变形的途径为：
提高工艺系统刚度；
减小切削力及其变化。
1．提高工艺系统刚度
提高工艺系统刚度应从提高其各组成部分薄弱环节的刚度入手，这样才能取得事半功倍的效果。
提高工艺系统刚度的主要途径是：
（1）设计机械制造装备时应切实保证关键零部件的刚度在机床和夹具中应保证支承件（如床身、立柱、横梁、夹具体等）。
主轴部件和传动件有足够的刚度。
（2）提高接触刚度提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。
减少组成件数，提高接触面的表面质量，均可减少接触变形，提高接触刚度。
对于相配合零件，可以通过适当预紧消除间隙，增大实际接触面积。
（3）采用合理的装夹方式和加工方法提高工件的装夹刚度，应从定位和夹紧两个方面采取措施。
2．减小切削力及其变化
改善毛坯制造工艺，减小加工余量，适当增大前角和后角，改善工件材料的切削性能等均可减小切削力。
为控制和减小切削力的变化幅度，应尽量使一批工件的材料性能和加工余量保持均匀。
四、工艺系统受热变形引起的误差
工艺系统在热作用下产生的局部变形，会破坏刀具与工件的正确位置关系，使工件产生加工误差。
热变形对加工精度影响较大，特别是在精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的40％－70％。
随着高精度、高效率及自动化加工技术的发展，工艺系统热变形问题日益突出。
（一）工艺系统的热源
l．切削热
切削加工过程中，消耗于切削层弹、塑性变形及刀具与工件、切屑间摩擦的能量，绝大部分转化为切削热。
切削热将传入工件、刀具、切屑和周围介质，它是工艺系统中工件和刀具热变形的主要热源。
在车削加工中，传给工件的热量占总切削热的30％左右，切削速度越高，切屑带走的热量越多，传给工件的热量就越少；
在铣削、刨削加工中，传给工件的热量占总切削热的比例小于30％；
在钻削和健削加工中，因为大量的切屑滞留在所加工孔中，传给工件的热量往往超过50％；
磨削加工中传给工件的热量有时多达80％以上，磨削区温度可高达800～1000℃左右。
2．摩擦热和动力装置能量损耗发出的热
机床运动部件（如轴承、齿轮、导轨等）为克服摩擦所做机械功转变的热量，机床动力装置（如电动机、液压马达等）工作时因能量损耗发出的热，它们是机床热变形的主要热源。
3．外部热源
主要是指周围环境温度通过空气的对流以及日光、照明灯具、取暖设备等热源通过辐射传到工艺系统的热量。
外部热源的热辐射及环境温度的变化对机床热变形的影响，有时也是不可忽视的。
靠近窗口的机床受到日光照射的影响，上下午的机床温升和变形就不同，而且日照通常是单向的局部的，受到照射的部分与未经照射的部分之间就有温差。
工艺系统在工作状态下，一方面它经受各种热源的作用使温度逐渐升高，另一方面，它同时也通过各种传热方式向周围介质散发热量。
当工件、刀具和机床的温度达到某一数值时，单位时间内传出和传人的热量接近相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。
在热平衡状态下，工艺系统各部分的温度保持在某一相对固定的数值上，工艺系统的热变形将趋于相对稳定。
（二）工艺系统热变形对加工精度的影响
1．工件热变形对加工精度的影响
机械加工过程中，使工件产生热变形的热源主要是切削热。
对于精密零件，环境温度变化和日光、取暖设备等外部热源对工艺系统的局部辐射等也不容忽视。
车削或磨削轴类工件外圆时，可近似看成是均匀受热的情况。
工件均匀受热影响工件的尺寸精度，其变形量否L（mm）可按下式估算
对于精密加工，热变形是一个不容忽视的重要问
题。
热变形对精密加工件的影响是很大的。
磨削加工薄片类工件的平面，如图4．18所示，就
属于不均匀受热的情况，上、下表面间的温差将导致
工件中部凸起，加工中凸起部分被切去，冷却后加工
表面呈中凹形，产生形状误差。
工件凸起量与工件长度上的平方成正比，且工件越薄，工件的凸起量越大。
2．刀具热变形对加工精度的影响
使刀具产生热变形的热源主要是切削热。
切削热传入刀具的比例虽然不大（车削时约为5％左右），但由于刀具体积小，热容量小，所以刀具切削部分的温升仍较高。
粗加工时，刀具热变形对加工精度的影响一般可以忽略不计；
对于加工要求较高的零件，刀具热变形对加工精度的影响较大，将使加工表面产生尺寸误差或形状误差。
3．机床热变形对加工精度的影响
使机床产生热变形的热源主要是摩擦热、传动热和外界热源传人的热量。
由于机床内部热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件的温升是各不相同的，机床零部件间会产生不均匀的变形，这就破坏了机床各部件原有的相互位置关系。
不同类型的机床，其主要热源各不相同，热变形对加工精度的影响也不相同。
车床、铣床和钻、逢类机床的主要热源来自主轴箱。
车床主轴箱的温升将使主轴升高；
由于主轴前轴承的发热量大于后轴承的发热量，故主轴前端比后端高；
主轴箱的热量传给床身，还会使床身和导轨向上凸起。
磨床通常都有液压传动系统和高速回转的磨头，并使用大量切削液，它们都是磨床的主要热源。
（三）减小工艺系统热变形的途径
1．减少发热量
机床内部的热源是产生机床热变形的主要热源。
凡是有可能从主机分离出去的热源，如电动机、液压系统和油箱等，应尽量放在机床外部。
为了减小热源发热，在相关零部件的结构设计时应采取措施改善摩擦条件。
例如，选用发热较少的静压轴承或空气轴承作主轴轴承，在润滑方面也可改用低粘度的润滑油、锂基油脂或油雾润滑等。
通过控制切削用量和刀具几何参数，可减少切削热。
2．改善散热条件
向切削区加注冷却润滑液，可减少切削热对工艺系统热变形的影响。
有些加工中心机床采用冷冻机对冷却润滑液进行强制冷却，效果明显。
3．均衡温度场
在外移热源时，还应注意考虑均衡温度场的问题。
4．改进机床结构
五、工件内应力重新分布引起的误差
（一）内应力及其对加工精度的影响
1．内应力
内应力亦称残余应力，是指在没有外力作用下或去除外力作用后残留在工件内部的应力。
工件一旦有内应力产生，就会使工件材料处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位转化，转化速度或快或慢，但迟早总是要转化的，转化的速度取决于外界条件。
当带有内应力的工件受到力或热的作用而失去原有的平衡时，内应力就将重新分布以达到新的平衡，并伴随有变形发生，使工件产生加工误差。
2．内应力产生的原因
（1）热加工中产生的内应力在铸造、锻压、焊接和热处理等加工中，由于工件壁厚不均、冷却不均或金相组织转变等原因，都会使工件产生内应力。
（2）冷校直产生的内应力一些刚度较差容易变形的轴类零件，常采用冷校直方法使之变直。
3．内应力重新分布引起的变形
如果工件内部存在拉、压平衡的内应力，经过加工后，原有的内应力平衡状态受到破坏，工件就将通过变形重新建立新的应力平衡。
（二〕减小或消除内应力变形误差的途径
（1）合理设计零件结构在设计零件结构时，应尽量做到壁厚均匀、结构对称，以减小内应力的产生。
（2）合理安排工艺过程工件中如有内应力产生，必然会有变形发生，但迟变不如早变，应使内应力重新分布引起的变形能在进行机械加工之前或在粗加工阶段尽早完成，不让内应力变形发生在精加工阶段或精加工之后。
铸件、锻件、焊接件在进人机械加工之前，应安排退火、回火等热处理工序；
对箱体、床身等重要零件，在粗加工之后尚需适当安排时效工序；
工件上一些重要表面的粗、精加工工序宜分阶段安排，使工件在粗加工之后能有更多的时间通过变形使内应力重新分布，待工件充分变形之后再进行精加工，以减小内应力对加工精度的影响。
六、其他误差
l．原理误差
原理误差是指由于采用了近似的成形运动、近似的刀刃形状等原因而产生的加工误差。
例如，用模数铣刀铣齿，理论上要求加工不同模数、齿数的齿轮，就应该用不同模数、齿数的铣刀。
生产中为了减少模数铣刀的数量，每一种模数只设计制造有限几把（例如8把、15把、26把）模数铣刀，用以加工同一模数各种不同齿数的齿轮。
当所加工齿轮的齿数与所选模数铣刀刀刃所对应的齿数不同时，就会产生齿形误差。
此种误差就是原理误差。
机械加工中，采用近似的成形运动或近似的刀刃形状进行加工，虽然会由此产生一定的原理误差，但却可以简化机床结构和减少刀具数，只要加工误差能够控制在允许的制造公差范围内，就可采用近似加工方法。
2．调整误差
在机械加工过程中，有许多调整工作要做，例如，调整夹具在机床上的位置，调整刀具相对于工件的位置等。
由于调整不可能绝对准确，由此产生的误差，称为调整误差。
引起调整误差的因素很多，例如调整时所用刻度盘、样板或样件等的制造误差，测量用的仪表、量具本身的误差等。
3．测量误差
测量误差是工件的测量尺寸与实际尺寸的差值。
加工一般精度的零件时，测量误差可占工序尺寸公差的1／5～1/10；
加工精密零件时，测量误差可占工序尺寸公差的1／3左右。
产生测量误差的原因主要有：
量具量仪本身的制造误差及磨损，测量过程中环境温度的影响，测量者的测量读数误差，测量者施力不当引起量具量仪的变形等。
七、提高加工精度的途径
1．减小和消除原始误差
减小和消除原始误差是提高加工精度的主要途径。
2．转移原始误差
3．均分原始误差
加工中如果有因上一道工序的加工误差过大，由于误差复映等原因，使得本工序不能保证工序加工要求时，可以采用误差分组的办法，将上工序加工的工件按实测尺寸分为n组，使每组工件的误差分散范围缩小为原来的1／n，然后按组调整刀具与工件的相对位置，就可以显著减小上工序加工误差对本工序加工精度的影响。
例如，在精加工齿轮齿圈时，为保证加工后齿圈与内孔的同轴度要求，应尽量减小齿轮内孔与心轴的配合间隙；
为此可将齿轮内孔尺寸分为n组，然后配置相应的n根不同直径的心轴，一根心轴相应加工一组孔径的齿轮，这样做，可显著提高齿圈与内孔的同轴度。
4．误差补偿
误差补偿技术在机械制造中的应用十分广泛。
图4－30是车精密丝杠时所用的一套螺距误差补偿装置。
车床主轴每转一转，光电码盘发出1024或2048个脉冲；
光栅式位移传感器测量刀架纵向位移量。
将主轴回转量信号与刀架纵向位移量信号经A／D转换同步输人计算机，经数据处理实时求取螺距误差数据后，再由计算机发出螺距误差补偿控制信号，驱动if电陶瓷微位移刀架（它装在溜板刀架上）作螺距误差补偿运动。
实测结果表明，采取误差补偿措施后，单个螺距误差可减少89％，累积螺距误差可减少99％，误差补偿效果显著。
第十三讲
第三节加工误差的统计分析
一、概述
在实际生产中，影响加工精度的因素很多，工件的加工误差是多因素综合作用的结果，且其中不少因素的作用往往带有随机性。
对于一个受多个随机因素综合作用的工艺系统，只有用概率统计的方法分析加工误差，才能得到符合实际的结果。
加工误差的统计分析方法，不仅可以客观评定工艺过程的加工精度，评定工序能力系数，而且还可以用来预测和控制工艺过程的精度。
（一）系统性误差与随机性误差
按照加工误差的性质，加工误差可分为系统性误差和随机性误差。
1．系统性误差
系统性误差可分为常值性系统误差和变值性系统误差两种。
在顺序加工一批工件时，加工误差的大小和方向皆不变，此误差称为常值性系统误差；
例如原理误差，定尺寸刀具的制造误差等。
在顺序加工一批工件时，按一定规律变化的加工误差，称为变值性系统误差；
例如，当刀具处于正常磨损阶段车外圆时，由于车刀尺寸磨损所引起的误差。
常值性系统误差与加工顺序无关，变值性系统误差与加工顺序有关。
对于常值性系统误差，若能掌握其大小和方向，可以通过调整消除；
对于变值性系统误差，若能掌握其大小和方向随时间变化的规律，也可通过采取自动补偿措施加以消除。
2．随机性误差
在顺序加工一批工件时，加工误差的大小和方向都是随机变化的，这些误差称为随机性误差。
例如，由于加工余量不均匀、材料硬度不均匀等原因引起的加工误差，工件的装夹误差、测量误差和由于内应力重新分布引起的变形误差等均属随机性误差。
可以通过分析随机性误差的统计规律，对工艺过程进行控制。
（二）机械制造中常见的误差分布规律
1．正态分布
在机械加工中，若同时满足以下三个条件，工件的加工误差就服从正态分布。
l）无变值性系统误差（或有但不显著）。
2）各随机误差之间是相互独立的。
3）在随机误差中没有
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