加工过程中存在的误差

加工过程中存在的误差

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（一）工艺系统受力变形引起的误差

1、基本概念

机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。

如下图a 示，车细长轴时，工件在切削力的作用下会发生变形，使加工出的轴出现中间粗两头细的情况；又如在内圆磨床上进行切入式磨孔时，下图b ，由于内圆磨头轴比较细，磨削时因磨头轴受力变形，而使工件孔呈锥形。

垂直作用于工件加工表面（加工误差敏感方向）的径向切削分力Fy 与工艺系统在该方向上的变形y 之间的比值，称为工艺系统刚度k 系, 即

式中的变形y 不只是由径向切削分力Fy 所引起，垂直切削分力Fz 与走刀方向切削分力Fx 也会使工艺系统在y 方向产生变形，故

y=yFx+yFy+yFz

2、工件刚度

工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚度不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大，其最大变形量可按材料力学有关公式估算。

3、刀具刚度

外圆车刀在加工表面法线（y ）方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。刀杆变形也可以按材料力学有关公式估算。

4、机床部件刚度

1）机床部件刚度

机床部件由许多零件组成，机床部件刚度迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法来测定机床部件刚度。分析实验曲线可知，机床部件刚度具有以下特点：

（1）变形与载荷不成线性关系；

（2）加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线。两曲线线间所包容的面积就是加载和卸载循环中所损耗的能量，它消耗于摩擦力所作的功和接触变形功；

（3）第一次卸载后，变形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）机床部件的实际刚度远比我们按实体估算的要小。

2）影响机床部件刚度的因素

（1）结合面接触变形的影响

（2）摩擦力的影响

（3）低刚度零件的影响

（4）间隙的影响

5、工艺系统刚度及其对加工精度的影响

在机械加工过程中，机床、夹具、刀具和工件在切削力作用下，都将分别产生变形y 机、y 夹、y 刀、y 工，致使刀具和被加工表面的相对位置发生变化，使工件产生加工误差。工艺系统刚度的倒数等于其各组成部分刚度的倒数和。

工艺系统刚度对加工精度的影响主要有以下几种情况：

1) 由于工艺系统刚度变化引起的误差

工艺系统的刚度随受力点位置的变化而变化。例如：用三爪卡盘夹紧工件车削外圆的加工， 随悬壁长度的增加，刚度将越来越小。因而，车出的外圆将呈锥形。

2) 由于切削力变化引起的误差

加工过程中，由于工件的加工余量发生变化、工件材质不均等因素引起的切削力变化，使工艺系统变形发生变化，从而产生加工误差。

若毛坯A 有椭圆形状误差（如下图）。让刀具调整到图上双点划线位置，由图可知，在毛坯椭圆长轴方向上的背吃刀量为ap1，短轴方向上的背吃刀量为ap2。由于背吃刀量不同，切削力不同，工艺系统产生的让刀变形也不同，对应于ap1产生的让刀为y1，对应于ap2产生的让刀为y2, 故加工出来的工件B 仍然存在椭圆形状误差。由于毛坯存在圆度误差△毛＝ap1-ap2，因而引起了工件的圆度误差△工＝y1-y2，且△毛愈大，△工愈大，这种现象称为加工过程中的毛坯误差复映现象。△工与△毛之比值ε称为误差复映系数，它是误差复映程度的度量。

尺寸误差（包括尺寸分散）和形状误差都存在复映现象。如果我们知道了某加工工序的复映系数，就可以通过测量毛坯的误差值来估算加工后工件的误差值。

3) 由于夹紧变形引起的误差

工件在装夹过程中，如果工件刚度较低或夹紧力的方向和施力点选择不当，将引起工件变形，造成相应的加工误差。

4) 其它作用力的影响

6、减小工艺系统受力变形的途径

由前面对工艺系统刚度的论述可知，若要减少工艺系统变形，就应提高工艺系统刚度，减少切削力并压缩它们的变动幅值。具体如下：

1）提高工艺系统刚度

（1）提高工件和刀具的刚度减小刀具、工件的悬伸长度：以提高工艺系统的刚度；

（2）减小机床间隙，提高机床刚度：采用预加载荷，使有关配合产生预紧力，而消除间隙。

（3）采用合理的装夹方式和加工方式

2）减小切削力及其变化

合理地选择刀具材料，增大前角和主偏角，对工件材料进行合理的热处理以改善材料地加工性能等，都可使切削力减小。

（二）工艺系统受热变形引起的误差

工艺系统热变形对加工精度的影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%～70%。机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。

1、工艺系统的热源

内部热源：如系统内部的摩擦热（由轴承副、齿轮副等产生）、切削热等；

外部热源：如外部环境温度、阳光辐射等。

2、工艺系统受热变形引起的误差

1）工件受热变形： 工件受热温度升高后，热伸长量△L 为： △L=αL △t

式中：α为工件材料的热膨胀系数； L为工件长度； △t 为工件的温升。

例如：死顶尖装夹工件时，热变形将造成工件弯曲。在磨床上为消除热变形的影响，而采用弹簧顶尖。

2）机床受热变形： 当机床受热不均时，造成机床部件产生变形。 例如：机床主轴前、后端受热不均，将造成主轴抬高，并倾斜。

3）刀具受热变形： 刀具受热以后，引起刀具热伸长，刀尖位置发生变化，因而影响加工精度。

3、减小工艺系统热变形的途径

1. 减少发热和隔热 2.改善散热条件 3.均衡温度场

4. 改进机床结构 5.加快温度场的平衡6. 控制环境温度

（三）刀具的磨损引起的误差：

刀具在切削过程中，由于摩擦，刀具将产生磨损，使刀具尺寸发生变化，而造成加工误差。

三、加工后存在的误差：

（一）工件残余应力引起的误差

1、基本概念

没有外力作用而存在于零件内部的应力，称为残余应力（又称内应力）。

工件上一旦产生内应力之后，就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位的稳定状态转化，并伴随有变形发生，从而使工件丧失原有的加工精度。

2、内应力的产生

热加工中内应力的产生

在热处理工序中由于工件壁厚不均匀、冷却不均、金相组织的转变等原因，使工件产生内应力。

上图示一个内外壁厚相差较大的铸件。浇铸后，铸件将逐渐冷却至室温。由于壁1和壁2比较薄，散热较易，所以冷却比较快。壁3比较厚，所以冷却比较慢。当壁1和壁2从塑性状态冷到弹性状态时，壁3的温度还比较高，尚处于塑性状态。所以壁1和壁2收缩时壁3

不起阻挡变形的作用，铸件内部不产生内应力。但当壁3也冷却到弹性状态时，壁1和壁2的温度已经降低很多，收缩速度变得很慢。但这时壁3收缩较快，就受到了壁1和壁2的阻碍。因此，壁3受拉应力的作用，壁1和2受压应力作用，形成了相互平衡的状态。如果在这个铸件的壁1上开一个口，则壁1的压应力消失，铸件在壁3和2的内应力作用下，壁3收缩，壁2伸长，铸件就发生弯曲变形，直至内应力重新分布达到新的平衡为止。推广到一般情况，各种铸件都难免产生冷却不均匀而形成的内应力，铸件的外表面总比中心部分冷却得快。特别是有些铸件（如机床床身），为了提高导轨面的耐磨性，采用局部激冷的工艺使它冷却更快一些，以获得较高的硬度，这样在铸件内部形成的内应力也就更大些。若导轨表面经过粗加工剥去一些金属，这就象在图中的铸件壁1上开口一样，必将引起内应力的重新分布并朝着建立新的应力平衡的方向产生弯曲变形。

为了克服这种内应力重新分布而引起的变形，特别是对大型和精度要求高的零件，一般在铸件粗加工后安排进行时效处理，然后再作精加工。

丝杠一类的细长轴经过车削以后，棒料在轧制中产生的内应力要重新分布，产生弯曲，如下图示。

冷校直就是在原有变形的相反方向加力F ，使工件向反方向弯曲，产生塑性变形，以达到校直的目的。在F 力作用下，工件内部的应力分布如图b 所示。当外力F 去除以后，弹性变形部分本来可以完成恢复而消失，但因塑性变形部分恢复不了，内外层金属就起了互相牵制的作用，产生了新的内应力平衡状态，如图c 所示，所以说，冷校直后的工件虽然减少了弯曲，但是依然处于不稳定状态，还会产生新的弯曲变形。

3、减小内应力变形误差的途径

1. 改进零件结构——设计零件时，尽量做到壁厚均匀，结构对称，以减少内应力的产生。

2. 增设消除内应力的热处理工序

1）高温时效：缓慢均匀的冷却，适用于铸、锻、焊件；

2）低温时效：缓慢均匀的冷却，适用于半精加工后的工件，主要是消除工件的表面应力；

3）自然时效：自然释放。

3. 合理安排工艺过程——粗加工和精加工宜分阶段进行，使工件在粗加工后有一定的时间来松弛内应力。

（二）测量误差：

1、量具本身的制造误差

2、测量条件引起的误差

1）冷却后测量与加工后马上测量尺寸有变化；

2）测量力的变化也引起测量尺寸的变化。