影响机械加工精度的因素及其分析

影响机械加工精度的因素及其分析

一、在机械加工中，把机床、夹具、刀具、工件构成的一个封闭系统称为工艺系统。

二、根据切削过程的物理本质和工作阶段，可以把影响机械加工精度，造成加工误差的因素分为三个方面：

1．加工前存在的误差：（1）原理误差：某些加工方法即存在着误差；

（2）机床、夹具、刀具本身的误差；

（3）工作、夹具、刀具调整时的误差。

2．切削过程中物理因素所产生的误差：（1）切削力和其它力使工艺系统发生变形；

（2）切削热和其他热源使工艺系统发生变形。3．切削后出现的误差：（1）工件内应力重新分布而产生的变形；

（2）测量工件时的测量误差。

这些误差的产生的原因可以归纳为以下几个方面：（1）加工原理误差

（2）工艺系统的几何误差

（3）工艺系统受力变形引起的误差

（4）工艺系统受热变形引起的误差

（5）工件内应力引起的加工误差

（6）测量误差

?加工原理误差

加工原理误差是指采用了近似的刀刃轮廓或近似的传动关系进行加工而产生的误差。

?工艺系统的几何误差

一、由于工艺系统中各组成环节的实际几何参数和位置，相对于理想几何参数和位置发生偏离而引起的误差，统称为工艺系统几何误差。工艺系统几何误差只与工艺系统各环节的几何要素有关。

二、工艺系统的几何误差对加工误差的影响

工艺系统的几何误差对加工误差的影响主要体现在机床的几何误差对加工误差的影响。

机床的几何误差是通过各种成形运动反映到加工表面的，机床的成形运动主要包括两大类，即主轴的回转运动和移动件的直线运动。因而分析机床的几何误差主要包括主轴的回转运动误差、导轨导向误差和传动链误差。

（一）主轴的回转运动误差

1．主轴的回转运动误差是指主轴实际回转轴线相对于理论回转轴线的偏移。

2．机床主轴回转轴线的误差运动，可以分解为：

（1）轴向窜动：指瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动

主要影响工件的的端面形状和轴向尺寸精度。

（2）径向跳动：指瞬时回转轴线平行于平均回转轴线的径向运动量

主要影响加工工件的圆度和圆柱度。

（3）角度摆动：指瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度作公转

对工件的形状精度影响很大，如车外圆时，会产生锥度。

实际上，主轴回转误差的三种基本形式是同时存在的，主轴回转误差运动是这三种误差的合

成运动。

3．影响主轴回转运动误差的主要因素有：主轴误差、轴承误差

4．提高主轴回转精度的措施：（1）采用高精度的主轴部件

（2）使主轴回转的误差不反映到工件上

（二）机床导轨误差

1．机床导轨副是实现直线运动的主要部件，其制造和装配精度是影响直线运动精度的主要因素，导轨误差对零件的加工精度产生直接的影响。

2．机床导轨误差主要反映在以下几个方面：（1）机床导轨在水平面内直线度误差的影响

（2）机床导轨在垂直面内直线度误差的影响

（3）机床导轨面间平行度误差的影响

（4）机床导轨对主轴轴心线平行度误差的影响（三）机床的传动误差

为了减少机床传动误差对加工精度的影响，可以采用如下措施：

（1）减少传动链中的环节，缩短传动链；

（2）提高传动副（特别是末端传动副）的制造和装配精度；

（3）消除传动间隙；

（4）采用误差校正机构

工艺系统的其他几何误差：刀具误差、夹具误差、调整误差

工艺系统受力变形引起的误差

一、工艺系统在切削力、夹紧力、重力和惯性力等作用下会产生变形，从而破坏了已调整好的工艺系统各组成部分的相互位置关系，导致加工误差的产生，并影响加工过程的稳定性。

二、工艺系统受力变形对加工误差的影响

（一）概念：由机床、夹具、刀具、工件组成的工艺系统，在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等的作用下，会产生相应的变形（弹性变形及塑性变形）。这种变形将破坏工艺系统间已调整好的正确位置关系，从而产生加工误差。（例如车削细长轴时，工件在切削力作用下的弯曲变形，加工后会形成腰鼓形的圆柱度误差）

（二）切削加工中工艺系统在各种外力作用下，将在各个受力方向上产生相应的变形。工艺系统受力变形，主要是对加工精度影响最大的敏感方向，即通过刀尖的加工表面的法线方向的位移。

1．工艺系统的刚度k xt定义为：零件加工表面法向分力F y，与刀具在切削力作用下，相对工件在该方向的位移Y xt的比值，即k xt = F y / Y xt

工艺系统的总变形量应是：Y xt = Y jc + Y dj + Y jj + Y g（矢量和）

而k xt =F y/Y xt k jc =F y/Y jc k dj =F y/Y dj k jj=F y/Y jj k g =F y/Yg

式中：Y xt——工艺系统的总变形量（mm）；k xt——工艺系统的总刚度（N/mm）；

Y jc——机床变形量（mm）；k jc——机床刚度（N/mm）；

Y dj——刀具变形量（mm）；k dj——刀具刚度（N/mm）；

Y jj——夹具变形量（mm）；k jj——夹具刚度（N/mm）；

Y g——工件变形量（mm）；k g——工件刚度（N/mm）。

工艺系统刚度的一般式为：k xt= F y/(Y jc + Y dj + Y jj + Y g)

因此，当知道工艺系统各个组成部分的变形后，即可求出系统刚度。

（三）工艺系统受力变形引起加工误差的原因

1．由于切削力着力点位置变化引起的工件形状误差

例如：（1）在车床两顶尖间车削短粗的轴，工艺系统的变形完全取决于头架、尾座（包括顶尖）和刀架的变形。

（2）在车床两顶尖间车削细长轴，工艺系统的变形完全取决于工件的变形。

2．由于切削力变化而引起的加工误差

在切削加工中，往往由于被加工表面的几何形状误差引起切削力的变化，从而造成工件的加工误差。当毛坯的误差较大，一次走刀不能满足加工精度要求时，需要多次走刀来消除Δm 复映到工件上的误差。

3．其它力引起的加工误差：惯性力、传动力、重力、夹紧力（三爪卡盘夹紧薄壁套筒车孔，需在套筒外面加上一个厚壁的开口过渡套，或采用专用夹头，使夹紧力均匀分布在套筒上）（四）减少工艺系统受力变形的主要措施

1．提高接触刚度；

2．提高工件刚度，减少受力变形

3．提高机床部件刚度，减少受力变形

4．合理装夹工件，减少夹紧变形

?工艺系统受热变形引起的误差

一、在加工过程中，由于受切削热、摩擦热以及工作场地周围热源的影响，工艺系统的温度会产生复杂的变化。在各种热源的作用下，工艺系统会发生变形，导致改变系统中各组成部分的正确相对位置，导致加工误差的产生。

二、工艺系统热变形对加工精度的影响

（一）概述：在机械加工过程中，工艺系统在各种热源的影响下，常产生复杂的变形，破坏了工艺系统间的相对位置精度，造成了加工误差。据统计，在某些精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40％～70％。热变形不仅降低了系统的加工精度，而且还影响了加工效率的提高。

（二）工艺系统的热源

引起工艺系统热变形的热源大致可分为两类：内部热源和外部热源。

内部热源包括切削热和摩擦热；外部热源包括环境温度和辐射热。切削热和摩擦热是工艺系统的主要热源。

（三）工艺系统的热平衡

?工件内应力引起的加工误差

一．内应力是工件自身的误差因素。工件冷热加工后会产生一定的内应力。通常情况下内应力处于平衡状态，但对具有内应力的工件进行加工时，工件原有的内应力平衡状态被破坏，从而使工件产生变形。

二、工件内应力引起的加工误差

（一）零件在没有外加载荷的情况下，仍然残存在工件内部的应力称内应力或残余应力。工件在铸造、锻造及切削加工后，内部会存在的各种内应力。零件内应力的重新分布不仅影响零件的加工精度，而且对装配精度也有很大的影响。内应力存在于工件的内部，而且其存在和分布情况相当复杂.

1．毛坯的内应力：铸、锻、焊等毛坯在生产过程中，由于工件各部分的厚薄不均，冷却速度不均匀而产生内应力。

2．冷校直引起的内应力：细长的轴类零件，如光杠、丝杠、曲轴、凸轮轴等在加工和运输

中很容易产生弯曲变形，因此，大多数在加工中安排冷校直工序，这种方法简单方便，但会带来内应力，引起工件变形而影响加工精度。目前已不采用。

3．工件切削时的内应力

（二）减少或消除内应力的措施

1．合理设计零件结构

2．采取时效处理

（1）自然时效：在毛坯制造之后，或粗、精加工之间，让工件停留一段时间，利用温度的自然变化，经过多次热胀冷缩，使工件的内应力逐渐消除。这种方法效果好，但需要时间长(一般要半年至五年)。

（2）人工时效：将工件放在炉内加热到一定温度，再随炉冷却以达到消除应力的目的。这种方法对大型零件需要一套很大的设备，其投资和能源消耗较大。

（3）振动时效：以激振的形式将振动的机械能加到含大量内应力的工件内，引起工件内部晶格变化以消除内应力，一般在几十分钟便可消除内应力，适用于大小不同的铸、锻、焊接件毛坯及有色金属毛坯。这种方法不需要庞大的设备，所以比较经济、简便，且效率高。

测量误差

在工序调整及加工过程中测量工件时，由于测量方法、量具精度等因素对测量结果准确性的影响而产生的误差，统称为测量误差。