9第一章 机械加工精度1.1概述一、机械加工精度的概念和分类1机械加工精度的概念机器和仪器的工作性能与使用寿命取决于零件的加工质量，为了确保它们的性能和使用寿命，必须对其组成零件提出若干方面的质量要求。标志零件加工质量的主要方面是加工精度和表面质量。零件的加工精度是指零件加工以后，其尺寸、形状、相互位置等参数的实际数值与零件的理想数值相符合的程度。符合的程度愈高，加工精度就愈高，反之加工精度就越低。加工精度包括三个方面。2加工精度的分类（1）尺寸精度：指加工后零件的实际尺寸与理想尺寸符合的程度。这里所指的理想尺寸是指零件图上所标注的有关尺寸的平均值。（2）形状精度：指加工零件表面的实际几何形状与理想的几何形状（如绝对平面、绝对圆柱面、绝对渐开面、绝对螺旋面等）相符合的程度。这里提出的理想表面形状是指绝对准确的表面和形状。（3）位置精度：指加工后零件的有关表面之间的实际位置与理想位置（绝对的平行、垂直、同轴等）符合的程度。对任何一个零件来说，零件加工后的尺寸、形状、位置三个方面的精度指标都是相互关联的。在零件图上所规定的公差范围内，能够满足尺寸、形状和位置误差要求，即为合格品。若任何一项超出公差要求范围，都是不合格品。二、机械加工误差的概念和分类实践证明，不论用何种方法加工，任何一个零件都不可能加工的绝对准确。零件加工后的实际几何参数对图纸要求的理想几何参数的偏离程度称为加工误差。“加工精度”和“加工误差”是从不同角度来评定零件几何参数准确的程度。零件加工精度的高与低是用加工误差的大与小来描述的。为了保证和提高加工精度，就必须采取措施消除或减少加工误差，把加工误差最终控制在允许的公差范围内。零件加工后产生的加工误差，主要是由机床、夹具、刀具、量具和工件所组成的工艺系统，在完成零件加工的任何一道工序的加工过程中有很多误差因素在起作用，这些造成误差的因素称为原始误差。例如，如图1.1（重大6页1.1图）所示，当刀具车削零件时，在工件法向（y）上产生位移误差y时，则工件的直径D将产生误差Dy，即Dy =2y在工件装夹中因某种原因刀具低于轴心线时，在工件切向（Z向）产生位移误差Z时，工件直径D将产生误差DZ，其相互关系为(R+R)2=R2+Z2 经简化并略去R2得设 D=100mm， Y=Z=0.1mm Dy0.2mm， DZ=0.002mm即 Dy=1000DZ可见，Dy对工件尺寸的影响很大，DZ很小，可以忽略不计。通常把加工误差最大的方向，即加工表面的法向称为误差敏感方向。根据误差的来源不同，原始误差可分为：1几何误差工件在加工前，加工方法本身存在加工原理误差或由机床、夹具、刀具与工件组成的工艺系统本身就存在着某些误差因素，它将在不同程度以不同形式反映到被加工的零件上，造成的加工误差称为几何误差。2过程误差这部分误差是与切削过程有关的误差。在加工过程中，在力、热和磨损等因素的影响之下，它将破坏工艺系统的原有精度，使加工出的零件精度产生新的附加原始误差，我们称之为过程误差。根据出现误差的不同规律，可分为：（1）系统误差1）系统常值误差：在相同的工艺条件下，加工一批零件所产生的大小和方向不变的误差，如机床本身的制造误差、夹具和刀具的磨损造成的误差、在调整以及在恒定力的作用下变形所产生的误差，一般都是常值误差，它的大小和方向是不变的。2）系统性变值误差：由于机床、夹具和刀具在热平衡前的变形，加工过程中刀具的磨损等造成的误差，它的大小和方向按一定规律的变化，称为变值误差，它的大小方向是不变。（2）随机误差误差值的大小和方向无一定规律的变化称为随机误差。例如，毛坯硬度的差异、加工余量的不均匀、夹紧变形、工件残余应力等。1.2获得机械加工精度的方法一、获得尺寸精度的方法在机械加工中，获得尺寸精度的方法主要有如下四种：1试切法 获得零件尺寸精度最早采用的加工方法，它是通过试切测量调整再试切，反复多次使被加工零件达到图纸要求为止。试切法能达到很高的精度，但调整、试切、测量等时间较长，只适用于小批生产。2调整法 在成批生产条件下采用的一种加工方法。方法是预先用样板、样件或根据试切工件来调整好刀具和工件在机床上的相对位置，然后加工一批工件，这批工件在加工中不再调整，也不试切，即可达到工件的尺寸要求。3定尺寸刀具法 在加工过程中，采用刀具（或组合刀具）的相应尺寸来保证工件被加工部位尺寸的方法。定尺寸刀具法的加工精度，取决于刀具的制造精度和磨损程度，与操作人员的技术水平的高低无关，生产率较高。例如定尺寸拉削、钻、扩、铰或用镗刀块加工内孔等。4自动获得尺寸法 在加工过程中，通过尺寸测量装置、进给装置和控制机构，组成自动控制系统，实现在加工过程中对尺寸测量、刀具的补偿调整和切削加工等一系列工作自动完成，从而获得所需尺寸要求精度的一种加工方法。例如在无心磨床上磨削轴承外圈时，就是利用测量装置控制导轮架进行微量的补偿进给，来保证工件的尺寸精度。另外，在数控机床上，通过数控装置、测量装置及伺服电机驱动机构，控制刀具在加工时应具有的准确位置，来保证零件的尺寸精度。二形状精度的获得方法1轨迹法 这种方法是依靠刀尖运动轨迹来获得所要求零件的表面几何形状。形状精度取决于刀具和工件的相对运动精度。如图1-2（重大7页图1.4）车圆锥面。2成形法 利用成形刀具对工件进行加工的方法。如利用成形铣刀加工齿轮，图1-3（重大8页图1.5）是用成形体车刀加工球面。用成形法方法获得的形状精度主要取决于刀具刀刃的形状精度和刀具与工件相对运动的轨迹。这种方法不仅生产率较高，同时还可以简化机床结构。3展成法 利用工件和刀具的相互作啮合运动，也就是展成运动，来包络出整个工件的形状。例如滚齿、插齿等，这种方法加工出来的工件形状精度较高，生产率也较高。如图1-4（图2-5）重大（一6，）图所示展成法加工。三位置精度的获得方法1一次安装方法 有位置精度要求的零件，应在一次安装中加工出来，以保证其位置精度。精度的高低取决于机床本身运动精度，如盘形齿轮坯的内孔与端面的垂直度、轴类零件的外圆表面与端面的垂直度、箱体孔系加工中各孔之间同轴度、平行度和垂直度等。2多次安装法 零件在加工中要经过多次安装才能完成加工，其有关表面的位置精度是由加工表面与工件定位基准面之间的位置精度来保证的。（请参考夹具设计一章中的有关论述）多次安装涉及到工件找正的问题，根据工件安装方式不同可分为：（1）直接安装找正法 例如在车床上加工外形不规则的内孔，就应该用四爪卡盘安装工件，用百分表找正工件位置。如图1-5（重大8页图1.7）这种方法精度较高，但对工人的操作水平要求也较高，只适用于单件小批生产。（2）划线找正法 这种方法是在毛坯上事先划出中心线、对称线及待加工表面的加工线，然后按照加工线在机床上找正工件在机床上的相对位置，再夹紧加工。这种方法精度不高，主要适用于形状不复杂、单件小批量生产。（3）夹具安装法 在夹具中定位并夹紧，从而保证加工表面与定位基准面之间的位置精度。这种方法迅速准确、精度高、适用于成批大量生产。四加工经济精度与加工方法的选择1加工经济精度不同的加工方法所获得加工精度是不相同的，即使是同一种加工方法，由于加工条件不同，所能达到得加工精度也有所不同。如果是手工操作，在很大程度上取决于工人的技术水平。例如精车一般可达到IT7-IT8级，若由技师加工可达IT6-IT7级，但是，加工的成本也提高了（如技师的工资等）。生产中工件的加工精度是用可以控制的加工误差的大小来表示的。加工误差小，加工精度高；加工误差大，则加工精度低。统计资料表明，任何一种加工方法，加工误差与加工成本之间的关系如图1-6（重大9页图1.9）所示。这条曲线可分为三部分：AB段：加工误差小、精度高，但成本太高，不经济。CD段：曲线几乎与横坐标平行，说明零件的精度低，成本低，但是任何一种加工方法不能无限制的降低成本，它必须有一个最低成本，才能保证加工质量，过分强调降低成本只能造成不经济，成本降低了，质量没有了，结果是成本反而提高了。从图中可以看出，对同一种加工方法来讲，加工误差小到一定程度后（如图中B点的左侧），加工成本再提高很多，但加工误差却降低很少；加工误差大到一定程度后（如图中C的右侧），即使加工误差再大，加工成本也降低不了多少。这就说明一种加工方法，在A点的左侧或B点的右侧的应用都是不经济的。加工经济精度是指在正常条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保证的加工精度和表面粗糙度。2、加工方法的选择：加工经济精度是通过几种不同加工方法相互比较的结果。图1-7（重大9页图1.10）所表示的车、磨外圆两种方法的比较。显然，当零件的公差小于A时，采用磨削比较经济；当零件的公差大于A时，采用车削比较经济。A是磨削加工经济精度的下限，也是车削加工经济精度的上限。当然还要看其工件的材料，有色金属如果用磨削加工来提高精度和表面质量就不行，就目前而言，车削加工是提高有色金属零件加工精度和表面质量的唯一方法。应当指出，加工经济精度是变化的，它随着工艺技术的发展，设备、工装的改进而改变。各种加工方法的加工经济精度和粗糙度的参考数据见表1.1。重大9页表1.1。二影响加工精度的因素零件的加工过程可能出现各中不同类型的原始误差，它们会引起系统各环节相互位置关系的变化而造成误差。图1-8（清华164页31）为活塞销孔精镗工序的示意图，活塞如果装夹、调整不当，就会引起活塞镗削误差。（1）装夹误差 在卧式镗床上镗活塞的销孔。采用的装夹方法是，以活塞止口和端面为定位基准，在夹具中定位，并用菱形销插入经半精镗过的销孔中作调整定位。夹紧力作用在活塞的顶部，这就产生了设计基准（3）与定位基准（6）不重合，以及定位止口与夹具上的定位凸台，菱形销孔与配合间隙不恰当而产生定位误差，同时还存在因夹紧力F过大导致设计基准变形，引起夹紧误差。这两种误差统称为工件夹紧误差。（2）调整误差 工件装夹前后，必须对机床、刀具和夹具进行调整，并进行试切，再进行微量精确调整，才能使工件和刀具之间保持相对的正确位置，同样以活塞加工为例，装夹前需要对夹具在工作台上的位置进行调整，菱形销与主轴的同轴度进行调整；以及对刀调整（刀块伸出长度必须保证销孔的直径），要知道调整不可能绝对的精确，这就会产生调整误差。另外，机床、刀具、夹具本身就存在着制造误差，这类原始误差称为工艺系统的几何误差。（3）加工误差 由于在加工过程中要产生切削力、切削热和摩擦，它们会引起工艺系统的受力变形、受热变形和磨损，这些都会引起在调整时已获得的工件与刀具的相对位置的变化，造成种种加工误差。这类在加工过程中产生的原始误差称为工艺系统的动误差。除此之外，工件在毛坯制造（铸、锻、焊、轧制）、切削加工和热处理时，在力和热的作用下产生的应力，将会引起工件变形而产生加工误差。现将在加工过程中可能出现的种种原始误差归纳如下：（）影响尺寸精度的主要因素1尺寸测量精度零件尺寸精度的获得，首先受到测量仪器精度的限制。零件的加工尺寸就目前的加工方法来讲，可以获得非常精确的尺寸。但是，由于尺寸的测量精度不高而无法分辨。过去钢球加工采用滚磨和滚研方法，可以获得很高的精度，但没有相应的测量工具就不能进行精确尺寸的测量和尺寸分组。过去只能测量出尺寸精度为0.5m的钢球，现在可以制造出0.1m的钢球或者更高。从生产工艺上来看方法没有什么变化，只是尺寸的测量仪器精度有了相应的提高，测量方法采用了光波干涉原理，将被测尺寸与激光光波长相比较，其测量精度