影响加工精度的因素分析技巧

2.2.3.1　任务描述

对加工过程中影响零件加工精度的因素进行分析，说出影响加工精度的常见因素。

2.2.3.2　学习目标

1.知识目标

掌握影响零件加工精度的因素。

2.能力目标

能判断影响零件加工精度的因素并找到解决办法。

3.素养素质目标

（1）培养勤于思考、分析问题的意识；

（2）培养善于抓住主要矛盾解决问题的意识；

（3）培养质量意识。

2.2.3.3　重难点

1.重点

影响零件加工精度的因素。

2.难点

影响零件加工精度的因素判断及解决方案。

2.2.3.4　相关知识链接

在机械加工时，机床、夹具、刀具和工件就构成了一个完整的系统，称为工艺系统。影响工件加工精度（或加工误差）的因素可以归纳为以下三个方面：工艺系统的几何误差；工艺系统的力效应；工艺系统的热变形。

1.工艺系统的几何误差对加工精度的影响

1）机床制造误差及磨损

机床的制造误差、安装误差以及使用中的磨损，都将直接影响工件的加工精度，其中对加工精度影响较大的主要是机床主轴回转运动、机床导轨直线运动和机床传动链的误差。

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2）原理误差

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所产生的误差。一般情况下，为了获得规定的加工表面，刀具和工件之间必须做相对准确的成形运动。如车削螺纹时，必须使刀具和工件间完成准确的螺旋运动（成形运动）；滚切齿轮时，必须使滚刀和工件间有准确的展成运动。机械加工中这种相对的成形运动称为加工原理。当然也可以用成形刀具直接加工出成形表面。从理论上讲应该采用理想的加工原理和完全准确的成形运动，以获得精确的零件表面。但在实践中，由于采用理论上完全精确的加工原理，有时会使机床或刀具的结构极为复杂，造成制造上的困难；或由于结构环节多，机床传动中误差增加，反而得不到高的加工精度。所以，在这种情况下，常常采用近似的加工原理，以获得较高的加工精度。同时还可以提高加工效率，使加工过程更为经济。

3）刀具误差

机械加工中常用的刀具有一般刀具、定尺寸刀具和成形刀具。

（1）一般刀具（如普通车刀、单刃镗刀和平面铣刀等）的制造误差，对加工精度没有直接影响。

（2）定尺寸刀具（如钻头、铰刀、拉刀等）的尺寸误差直接影响加工工件的尺寸精度。刀具在安装使用中操作不当将产生跳动，也会影响加工精度。

（3）成形刀具（如成形车刀、成形铣刀及齿轮刀具等）的制造误差和磨损，主要影响被加工表面的形状精度。

4）工件的装夹误差与夹具磨损

工件装夹误差是指定位误差和夹紧误差，这部分内容已在《机床夹具及应用》一书中介绍，此处不再叙述。此外，夹具在长期使用过程中工作表面的磨损也会直接影响工件的加工精度。

5）调整误差

在机械加工的每一工序中，总是要对工艺系统进行这样或那样的调整工作，由于调整不可能绝对准确，因而会产生调整误差。工艺系统的调整有以下两种基本方式，不同的调整方式有不同的误差来源。

（1）试切法调整。单件小批生产中，通常采用试切法调整。方法是：对工件进行试切—测量—调整—再试切，直到达到要求的精度为止。这时，引起调整误差的因素如下：

①测量误差。由于量具本身精度、测量方法不同及使用条件的差别（如温度、操作者的细心程度等），它们都会影响测量精度，因而产生加工误差。

②进给机构的位移误差。在试切中，总是要微量调整刀具的位置。在低速微量进给中，常会出现进给机构的“爬行”现象，其结果使刀具的实际位移与刻度盘上的数值不一致，造成加工误差。

③试切与正式切削时切削层厚度不同的影响。精加工时，试切的最后一刀往往很薄，切削刃只起挤压作用而不起切削作用，但正式切削时的深度较大，切削刃不打滑，就会多切工件，因此工件尺寸就与试切时不同，形成工件的尺寸误差。

（2）调整法调整。采用调整法对工艺系统进行调整时，也要以试切为依据。因此，上述影响试切法调整精度的因素对调整法也有影响。此外，影响调整精度的因素还有：用定程机构调整时，调整精度取决于行程挡块、靠模及凸轮等机构的制造精度和刚度，以及与其配合使用的离合器、控制阀等的灵敏度；用样件或样板调整时，调整精度取决于样件或样板的制造、安装和对刀精度；工艺系统初调好以后，一般要试切几个工件，并以其平均尺寸作为判断调整是否准确的依据。由于试切加工的工件数（称为抽样件数）不可能太多，不能完全反映整批工件切削过程中的各种随机误差，故试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合，也会造成加工误差。

2.工艺系统受力变形对加工精度的影响

1）基本概念

（1）受力变形现象。

在机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、惯性力等外力的作用下会发生变形，如图2-2所示。

图2-2　工艺系统受力变形引起的加工误差

（2）工艺系统刚度。

工艺系统在外力作用下抵抗变形的能力。

式中：K——静刚度（N/mm）；

F——沿变形方向上的静载荷大小（N）；

Y——静变形量（mm）。

2）切削力对加工精度的影响

在加工过程中，刀具相对于工件的位置是不断变化的，切削力的作用点位置和切削力的大小也是在变化的。

（1）切削力作用点位置变化产生的加工误差。

现以在车床顶尖间加工光轴的情况来说明，设切削过程中切削力为常值，则工艺系统的变形为（夹具包含在机床中）

yst=yjc+yj+yd+yg

式中：yst——工艺系统变形；

yjc——夹具变形；

yj——机床变形；

yd——刀具变形；

yg——工件变形。

①工件的变形。工件的变形一般可按材料力学公式计算。工件可视为简支梁，距前顶尖x处，在yz方向上造成工件的变形量为Δx，工件的变形为

式中：Fy——吃刀抗力；

L——工件长度；

x——刀具距前顶角的距离。

工件的刚度为

②刀具的变形。车削时Fy引起刀具的变形很小，Fz使刀具产生弯曲，如图2-3所示，在工件的切向上产生位移yd1，对加工程度的影响很小，也可忽略不计。

③机床变形。如图2-3所示，车削加工会造成机床主轴端产生ya，其相对较小，尾端ywz也相对较小，均可忽略不计，即不考虑机床变形。

图2-3　机床变形随切削力位置的变化

④工艺系统变形。

（2）切削力大小变化产生的加工误差。

在机械加工过程中，由于加工余量不均或材料硬度不一致，也会影响工件的加工精度。

如图2-4所示毛坯横截面存在圆度误差，图2-4中A所示为毛坯外圆表面，双点画线所示为理想外圆，B为工件加工完成后的实际形状。

3）其他作用力对加工精度的影响(www.xing528.com)

工艺系统除受切削力作用之外，还会受到夹紧力、惯性力、传动力等的作用，也会使工件产生误差。

图2-4　毛坯误差的复映

（1）夹紧力产生的加工误差。图2-5所示为用三爪装夹来加工薄壁套内孔。夹紧后，工件内孔变形为三棱形（见图2-5中Ⅱ），内孔加工后为圆形（见图2-5中Ⅲ）。但是，松开后弹性恢复，该孔便成为三棱形（见图2-5中Ⅳ）。为了减小夹紧变形，可以采用如图2-5所示的圆弧软爪，以增加接触面积、减小压强，或用开口套筒来加大夹紧力的接触面积。

（2）惯性力产生的加工误差。如图2-6所示，它在加工误差敏感方向上的分力和切削力的方向有时相同，有时相反，从而引起受力变形的变化，使工件产生形状误差。加工后工件呈心脏线形。

图2-5　夹紧力引起的加工误差

Ⅰ—毛坯；Ⅱ—夹紧后；Ⅲ—加工内孔后；Ⅳ—松开后；1—工件；2—开口套筒；3—圆弧软爪

图2-6　由惯性力引起切削深度的变化

4）内应力重新分布对加工精度的影响

内应力是指当外部载荷去除后，仍残存在工件内部的应力。内应力是由于热加工和冷加工使金属内部宏观或微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的。

图2-7　床身内应力导致床身重新分布引起的变形

（1）毛坯制造时产生的内应力。如图2-7所示的床身铸件铸造后，由于导轨表面冷却较快，内部冷却较慢，铸件内部产生内应力，内应力的分布是导轨表层呈压应力、内部为拉应力。铸造后内应力处于暂时的平衡状态。若导轨面加工去一层，则破坏了原来的平衡状态，内应力重新分布发生弯曲变形。为了减小变形，一般在铸件粗加工后进行时效处理，消除掉内应力后再进行精加工。

（2）工件冷校直时产生的内应力。细长的轴类零件，如光杠、丝杠、曲轴等刚性较差的零件，在加工和搬运过程中很容易弯曲。因此大多数在加工过程中安排有冷校直工序，冷校直后工件也会产生内应力。

（3）工件切削时产生的内应力。在加工过程中，由于受到外力的影响，工件内部可能会出现内应力。

5）减少工艺系统受力变形的措施

（1）提高工艺系统的刚度。

（2）减小作用于工艺系统的外力。

3.工艺系统受热变形对加工精度的影响

1）工艺系统的热源

（1）内部热源。

①切削热。热切削过程中，消耗于切削层金属的弹性、塑性变形以及刀具与工件、切屑间的摩擦能量，绝大部分转化为切削热。切削热的大小与切削力的大小以及切削速度的高低有关，一般按下式估算：

Q=Pc=Fcvc

②摩擦热。机床中各运动副在相对运动时产生的摩擦力转化为摩擦热而形成热源。

（2）外部热源。工艺系统的外部热源主要是环境温度与热辐射。

2）工艺系统热变形对加工精度的影响

（1）机床受热变形产生的加工误差。机床受内、外热源的影响，各部分的温度将发生变化而引起变形。图2-8（b）所示为立式铣床的热变形情况。由于主轴回转的摩擦热及立柱前、后壁温度不同，热伸长变形不同，使立柱在垂直面内产生弯曲变形而导致主轴在垂直面内倾斜。这样，加工后的工件会出现被加工表面与定位表面间的位置误差，如平行度误差和垂直度误差等。

图2-8　机床的热变形趋势

（2）工件热变形引起的加工误差。在磨削或铣削薄片状零件时，由于工件单边受热，工件两边受热不均匀而产生翘曲。图2-9（a）所示为在平面磨床上磨削长度为L、厚度为H的板状零件。上、下表面间形成温度差，上表面温度高，膨胀比下表面大，使工件向上凸起，凸起的地方在加工时被磨去（见图2-9（b）），冷却后工件恢复原状，被磨去的地方出现下凹（见图2-9（c）），产生平面度误差ΔH，且工件越长，厚度越小，变形及误差越大。

图2-9　工件单面受热的加工误差

（3）刀具热变形引起的加工误差。刀具的热变形主要由切削热引起，因刀具体积小、热容量小，所以刀具的温升可能非常高。刀具的热伸长一般在被加工工件的误差敏感方向上，其变形对加工精度的影响有时是不可忽视的。

3）减小工艺系统热变形的措施。

（1）减少热源产生的热量。

①减小切削热或磨削热。通过控制切削或磨削的用量，合理选用刀具来减少切削热。

②减少机床各运动副的摩擦热。

（2）分离、隔离热源。

（3）加强冷却。

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（4）保持工艺系统的热平衡。

（5）控制环境温度。

2.2.3.5　任务实施

2.2.3.5.1　学生分组

学生分组表2-7

2.2.3.5.2　完成任务工单

任务工作单

组号：_______　姓名：_______　学号：_______　检索号：　22352-1　

引导问题：

（1）举例说明工艺系统的几何精度是如何影响加工精度的。

（2）举例说明减少工艺系统受力变形的措施。

（3）举例说明减少工艺系统受热变形的措施。

2.2.3.5.3　合作探究

任务工作单

组号：_______　姓名：_______　学号：_______　检索号：　22353-1　

引导问题：

（1）小组讨论，教师参与，确定任务工作单22352-1的最优答案，并检讨自己存在

的不足。

（2）每组推荐一个小组长，进行汇报。根据汇报情况，再次检讨自己的不足。

2.2.3.6　评价反馈

任务工作单

组号：_______　姓名：_______　学号：_______　检索号：　2236-1　

自我检测表

任务工作单

组号：_______　姓名：_______　学号：_______　检索号：　2236-2　

小组内互评验收表

任务工作单

被评组号：______________　检索号：　2236-3　

小组间互评表

二维码2-20

任务工作单

组号：_______　姓名：_______　学号：_______　检索号：　2236-4　

任务完成情况评价表

二维码2-21