机械加工工艺 第5章 机械加工质量分析与提高生产率的方法

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第5章 机械加工质量分析与提高生产率的 方法5.1 5.2 5.3

机械加工精度 机械加工表面质量 提高生产率的途径

【学习目标】 1.了解机械加工精度和机械加工表面质量的概念 2.了解影响加工精度的因素及其分析 3.了解影响表面质量的工艺因素 4.掌握控制表面质量的工艺途径 5.了解提高生产效率的方法

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5.1 机械加工精度5.1.1 机械加工精度概述1.加工精度的基本概念 加工精度是指零件加工后的几何参数(尺寸、形状、位置)与 加工精度是指零件加工后的几何参数(尺寸、形状、位置)与 图纸要求的理想几何参数相符合的程度。符合程度越高，加工精 度也越高。所以说机械加工精度包含尺寸精度、形状精度和位置 精度3 精度3项内容。 零件实际加工过程中不可能把零件制造得绝对精确，不可避免 地会产生与理想几何参数的偏差，这种偏差即为加工误差。 地会产生与理想几何参数的偏差，这种偏差即为加工误差。 实际生产中加工精度的高低是用加工误差的大小来表示。加工 实际生产中加工精度的高低是用加工误差的大小来表示。加工 精度用公差等级衡量，等级值越小，其精度就越高；加工误差用 精度用公差等级衡量，等级值越小，其精度就越高；加工误差用 数值表示，加工误差越小，加工精度高，但随之而来的加工成本 也会越高，生产效率相对越低。要保证零件的加工精度，只要保 证加工误差控制在零件图纸允许的偏差范围内即可。

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5.1 机械加工精度5.1.1 机械加工精度概述2.影响加工精度的因素 在机械加工中机床、夹具、刀具和工件构成了一个完整的机械加工 系统，称为工艺系统。工艺系统的各个部分——机床、夹具、刀具和工 系统，称为工艺系统。工艺系统的各个部分——机床、夹具、刀具和工 件都存在误差，统称为工艺系统误差。由于它是原始存在的，故也叫原 始误差。工艺系统误差在加工过程中必然影响工件和刀具相对运动关系， 使工件产生加工误差。所以说工艺系统的误差是影响工件的加工精度的 主要因素。工艺系统误差分类如图5 主要因素。工艺系统误差分类如图5-1所示。

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5.1 机械加工精度5.1.1 机械加工精度概述3.机械加工精度获得的方法 (1)尺寸精度的获得方法。 ① 试切法。通过试切工件—测量—比较—调整刀具—再试切— 试切法。通过试切工件—测量—比较—调整刀具—再试切— ……— ……—再调整，直至获得要求的尺寸的方法。 ② 调整法。是用试切好的工件尺寸、标准件或对刀块等调整刀具相 对工件定位基准的准确位置，并在保持此准确位置不变的条件下，对 一批工件进行加工的方法

。 ③ 定尺寸刀具法。在加工过程中采用具有一定尺寸的刀具或组合刀 具，以保证被加工零件尺寸精度的一种方法。 ④ 自动控制法。通过由测量装置、进给装置和切削机构以及控制系 统组成的控制加工系统，把加工过程中的尺寸测量、刀具调整和切削 加工等工作自动完成，从而获得所要求的尺寸精度的一种加工方法。

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5.1 机械加工精度5.1.1 机械加工精度概述(2)形状精度的获得方法。 ① 轨迹法。此法利用刀尖的运动轨迹形成要求的表面几何形状。 刀尖的运动轨迹取决于刀具与工件的相对运动，即成形运动。这 种方法获得的形状精度取决于机床的成形运动精度。 ② 成形法。此法利用成形刀具代替普通刀具来获得要求的几何 形状的表面。机床的某些成形运动被成形刀具的刀刃所取代，从 而简化了机床结构，提高了生产效率。用这种方法获得的表面形 状精度既取决于刀刃的形状精度，又有赖于机床成形运动的精度。 ③ 范成法。零件表面的几何形状是在刀具与工件的啮合运动中， 由刀刃的包络面形成的。因而刀刃必须是被加工表面的共轭曲面， 成形运动间必须保持确定的速比关系，加工齿轮常用此种方法。

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5.1 机械加工精度5.1.1 机械加工精度概述(3)位置精度的获得方法。 ① 一次装夹法。工件上几个加工表面是在一次装夹中加工出 来的。 ② 多次装夹法。即零件有关表面间的位置精度是由刀具相对 工件的成形运动与工件定位基准面(或工件在前几次装夹时的 加工面)之间的位置关系保证的。多次装夹法又可划分为如下 几种。 a.直接装夹法。即通过在机床上直接装夹工件的方法。 b.找正装夹法。即通过找正工件相对刀具切削成形运动之间 的准确位置的方法。 c.夹具装夹法。即通过夹具确定工件与刀具切削刃成形运动 之间的准确位置的方法。

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5.1 机械加工精度5.1.2 加工原理误差加工原理误差是由于采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行 加工原理误差是由于采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行 加工所产生的误差。在实践中，完全精确的加工原理常常很难实现，或 者加工效率低，或者极为复杂，难以制造。有时由于连接环节多，机床 传动链中的误差增加，或机床刚度和制造精度很难保证。 如用滚刀切削渐开线齿轮时，滚刀应为一渐开线蜗杆。而实际上为 了使滚刀制造方便，通常采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代 替渐开线蜗杆，从而在加工原理上产生了误差。另外由于滚刀刀刃数有 限，齿形是由于各个刀齿轨迹包络线形成的，所切出的齿形实际上是一 条近似渐开线的折线而不是光滑的

渐开线。又如用模数铣刀成形铣削齿 轮，对于每种模数只用一套(8 26把)铣刀来分别加工一定齿数范围内 轮，对于每种模数只用一套(8~26把)铣刀来分别加工一定齿数范围内 的所有齿轮，由于每把铣刀是按照一种模数的一种齿数设计制造的，因 而加工其他齿数的齿轮时齿形就有了误差。 采用近似的成形运动或近似的刀刃轮廓虽然会带来加工原理误差， 但往往因可简化机床或刀具的结构，反而能得到较高的加工精度。因此， 只要其误差不超过规定的精度要求，在生产中仍能得到广泛的应用。

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5.1 机械加工精度5.1.3 机床的几何误差机床误差是由机床的制造误差、安装误差和磨损等引起的。机床误差的项目 机床误差是由机床的制造误差、安装误差和磨损等引起的。机床误差的项目 很多，下面着重分析对工件加工精度影响较大的误差，如导轨导向误差、主轴回 转误差和传动链误差。 1.导轨误差 机床导轨是机床各主要部件相对位置和运动的基准，它的精度直接影响机床 机床导轨是机床各主要部件相对位置和运动的基准，它的精度直接影响机床 成形运动之间的相互位置关系，因此它是产生工件形状误差和位置误差的主要因 素之一。导轨误差可分为直线度误差、扭曲误差、相互位置误差3 素之一。导轨误差可分为直线度误差、扭曲误差、相互位置误差3种形式。 (1)机床导轨在水平面内的直线度误差。如图5-2所示，导轨在y方向产生 )机床导轨在水平面内的直线度误差。如图5 所示，导轨在y 了直线度误差，使车刀在被加工表面的法线方向产生了位移 了直线度误差，使车刀在被加工表面的法线方向产生了位移 y,从而造成工件半 径上的误差 = y 径上的误差 R = y。当车削长外圆时，则产生圆柱度误差。

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5.1 机械加工精度5.1.3 机床的几何误差(2)机床导轨在垂直面内的直线度误差。如图5-3所示，导轨在垂直方向存 )机床导轨在垂直面内的直线度误差。如图5 在误差 ,使车刀在被加工表面的切线方向产生位移，造成半径上的误差 在误差 ,使车刀在被加工表面的切线方向产生位移，造成半径上的误差 R,该 误差影响不大。但对平面磨床、龙门刨床、铣床等将引起工件相对砂轮或刀具的 法向位移，其误差将直接反映到被加工表面，造成形状误差。 (3)导轨面间的平行度误差。如图5-4所示，车床两导轨的平行度误差(扭 )导轨面间的平行度误差。如图5 曲)使床鞍产生横向倾斜，刀具产生位移，因而引起工件形状误差。由图示几何 关系可求出 关系可求出 R≈ y= (H/B) 。一般车床的H/B≈2/3,外圆磨床H≈B,故 对加

工 (H ) 。一般车床的H 2/3,外圆磨床H ,故 精度影响不容忽视。由于沿导轨全长上 精度影响不容忽视。由于沿导轨全长上 的不同，将使工件产生圆柱度误差。

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5.1 机械加工精度5.1.3 机床的几何误差(4)机床导轨对主轴轴心线平行度误差的影响。在车床或磨床上加工，如 导轨与主轴轴心线不平行，会引起工件的几何形状误差。以数控车床为例，当床 身导轨在水平面内出现弯曲(前凸)时，工件可能形成腰鼓形的圆柱度，如图5 身导轨在水平面内出现弯曲(前凸)时，工件可能形成腰鼓形的圆柱度，如图55(a)所示。当床身导轨与主轴轴心在水平面内不平行时，工件可能产生锥形的 圆柱度误差，如图5 圆柱度误差，如图5-5(b)所示。当床身导轨与主轴轴线在垂直面内不平行时， 工件可能产生马鞍形的圆柱度误差，如图5 工件可能产生马鞍形的圆柱度误差，如图5-5(c)所示。 机床的安装对导轨精度影响较大，尤其是床身较长的机床，因床身刚度较差， 经常由于自重引起基础下沉而造成导轨变形。因此，机床在安装时应有良好的基 础，并严格进行测量和校正，而且在使用期还应定期复校和调整。

图5-5 机床导轨误差对工件精度的影响

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5.1 机械加工精度5.1.3 机床的几何误差2.主轴的回转运动误差 (1)主轴回转误差定义。当 主轴工作时，理论上其回转轴心线 在空间的位置应该稳定不变，实际 上其位置总有些变动。所谓主轴的 回转运动误差是指主轴的实际回转 轴线相对于其理论回转轴线的偏移 值。偏移值越小，主轴回转精度越 高，反之越低。 机床主轴的回转运动误差可分 为3种基本形式：径向跳动、轴向 窜动和角度摆动，分别如图5 窜动和角度摆动，分别如图5-6 (a)、(b)、(c)所示。实际 )、(b)、(c 上主轴回转误差的3 上主轴回转误差的3种基本形式是 同时存在的，如图5 同时存在的，如图5-6(d)所示。

图5-6 主轴回转误差的基本形式

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5.1 机械加工精度5.1.3 机床的几何误差(2)产生主轴回转误差的因素及主轴回转误差对工件加工误差的影响。影 响主轴回转精度的主要因素是主轴的制造误差、轴承间隙、与轴承相配合的零件 (主轴、箱体孔等)的精度及主轴系统的径向不等刚度和热变形等。主轴转速对 主轴回转误差也有一定影响。 产生主轴回转误差的因素集中在主轴的轴承部位，应从主轴轴径的精度、轴 产生主轴回转误差的因素集中在主轴的轴承部位，应从主轴轴径的精度、轴 承的精度及安装轴承所用箱体孔的精度等方面寻找原因。 产生主轴径向跳动的主要原因有轴径与箱体孔圆度误差，轴承间隙、轴承

滚 产生主轴径向跳动的主要原因有轴径与箱体孔圆度误差，轴承间隙、轴承滚 道和滚动体的形状误差，轴与孔安装后同轴度误差等。加工时，主轴的径向跳动 影响工件的圆度误差。 产生主轴轴向窜动的主要原因有推力轴承端面滚道的跳动及轴承间隙等。加 产生主轴轴向窜动的主要原因有推力轴承端面滚道的跳动及轴承间隙等。加 工时主轴轴向窜动影响工件的端面平面度误差。加工螺纹时影响螺距误差。 产生主轴摆动的主要原因有前后轴承、前后轴承孔和前后轴径的同轴度误差。 产生主轴摆动的主要原因有前后轴承、前后轴承孔和前后轴径的同轴度误差。 主轴的角度摆动会使工件产生圆度误差和圆柱度误差。镗孔加工时，主轴摆动使 工件产生椭圆形圆度误差。 综上所述，主轴回转精度影响工件加工表面的形状误差，尤其是在精加工时， 机床主轴的回转误差是影响工件圆度的主要因素。

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5.1 机械加工精度5.1.3 机床的几何误差(3)提高主轴回转精度的措施。 ① 提高机床主轴回转精度。主要通过提高机床主轴组件 的设计、制造和安装精度，采用高精度的轴承等方法以提高 机床的精度。 ② 避开主轴回转精度对加工的影响。采用工件的定位基 准或被加工面本身与夹具定位元件之间组成的回转副来实现 工件相对于刀具的转动，避开主轴回转精度对加工的影响。 如磨削外圆时，在磨床上采用死顶尖定位，回转运动的基准 是两个顶尖孔，避免了机床主轴回转误差对工件的加工的影 响。

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5.1 机械加工精度5.1.3 机床的几何误差3.传动链误差 机床的切削运动是通过某些传动机构实现的。这些传动机构由于本 身的制造误差、安装误差和工作中的磨损，必将引起传动链两端件之间 的相对运动误差，这种误差称为传动链误差。 机床的传动误差严重地影响着切削运动的准确性。尤其在切削运动 需要有严格内在联系的情况下，它是影响加工精度的主要因素。例如， 在滚齿机上滚齿、车床上车螺纹等。图5 在滚齿机上滚齿、车床上车螺纹等。图5-7所示为车削螺纹传动链示意图。 当车螺纹时，要求工件旋转一周刀具必须直线移动一个导程，传动时必 须保持S iT( 为工件导程，T为丝杠导程，i 须保持S = iT(S为工件导程，T为丝杠导程，i为齿轮传动比)为恒定值 不变。但实际车削中车床丝杠导程和各齿轮的制造误差都必将引起工件 螺纹导程的误差。

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5.1 机械加工精度5.1.3 机床的几何误差 传动链误差是由于机床传动链中各传动元件 传动链误差是由于机床传动链中各传动元件 (齿轮、分度蜗轮副、丝杠螺母副等)存在制造误 差和装配误差引起的，

使用过程中的磨损也会产生 传动链误差。各传动元件在传动链中的位置不同， 其影响程度不同。通过传动误差的谐波分析，可以 判断误差来自传动链中的哪一个传动元件，并可根 据其大小找出影响传动链误差的主要环节。 减少传动链误差的措施主要有：减少传动链中 减少传动链误差的措施主要有：减少传动链中 的元件数目，缩短传动链；提高传动元件中制造、 装配精度；消除间隙；采用误差校正系统等。

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5.1 机械加工精度5.1.4 工艺系统受力变形引起的误差及改善措施切削加工时，由机床、刀具、夹具和工件组成的工艺系统，在切削 力、夹紧力以及重力等的作用下，将产生相应的变形，使刀具和工件在 静态下调整好的相互位置和切削时成形运动的正确几何关系发生变化， 从而造成加工误差。 1.现场加工中工艺系统受力变形的现象 在车床上加工一根细长轴时，在纵向走刀过程中切屑的厚度起了变 化，越到中间切屑层越薄，加工出来的工件出现了两头细中间粗的腰鼓 形误差。根据力学知识很容易判断，这是由于工件的刚性太差，因而一 旦受到切削力就会朝着与刀具相反的方向变形，越到中间变形越大，实 际背吃刀量也就越小，所以产生腰鼓形的加工误差。在另外一些场合下， 际背吃刀量也就越小，所以产生腰鼓形的加工误差。在另外一些场合下， 工件的刚性很好，在切削力的作用下工件并没有变形，却也产生了“让 工件的刚性很好，在切削力的作用下工件并没有变形，却也产生了“让 刀”的现象。例如在旧车床上加工刚性很好的工件时，经过粗车一刀后， 再要精车的话，有时候不但不把刀架横向进给一点，反而要把它反向退 回一点，才能保证精车时切去极薄的一层以满足加工精度和表面粗糙度 的要求，否则可能使实际背吃刀量过多。如图5 的要求，否则可能使实际背吃刀量过多。如图5-8所示。