工艺系统几何精度对加工精度的影响

1）加工原理误差

加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。

例如在三坐标数控铣床上铣削复杂形面零件时，通常要用球头铣刀并采用“行切法”加工。所谓行切法，就是球头铣刀与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，而行间的距离s是按零件加工要求确定的，究其实质，这种方法是将空间立体形面视为众多的平面截线的集合，每次走刀加工出其中的一条截线。

由于数控铣床一般只具有空间直线插补功能，所以即便是加工一条平面曲线，也必须用刀具连续地加工出很短的折线段来逼近所需的曲线形状。逼近的精度决定于每根线段的长度大小。这说明，在曲线或曲面的数控加工中，刀具相对工件的成形运动是近似的。

又如滚齿用的齿轮滚刀，就有两种误差，一是为了制造方便，采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造型误差；二是由于滚刀刀齿有限，实际上加工出的齿形是一条由微小折线段组成的曲线，和理论上的光滑渐开线有差异，这些都会产生加工原理误差。

再如用一定模数的指状铣刀成形法铣削齿轮，也采用近似刀刃齿廓，同样产生加工原理误差。

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，但往往可简化机床结构或刀具形状，或可提高生产效率，有时甚至能得到高的加工精度。因此，只要其误差不超过规定的精度要求（一般原理误差应小于10%~15%工件的公差值），在生产中仍能得到广泛的应用。

2）调整误差

在机械加工的每一个工序中，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。

工艺系统调整的基本方式有两种：试切法调整和调整法调整。

（1）试切法调整

引起试切法调整误差的因素有：

①测量误差：量具本身的精度、测量方法或使用条件下的误差（如温度影响、操作者的操作能力）等，它们都影响调整精度，因而产生加工误差。

②机床进给机构的位移误差：当试切最后一刀时，往往要按刻度盘的显示值来微量调整刀架的进给量，这时常会出现进给机构的“爬行”现象，结果使刀具的实际位移与刻度盘显示值不一致，造成加工误差。

③试切与正式切削时切削层厚度不一致：不同材料刀具的刃口半径是不同的，因此，刀刃所能切除的最小切削层的极限厚度不同。切削厚度过小时，刀刃就会在切削表面上打滑（挤压、抛光），不能切下一层金属。精加工时，试切最后一刀的切削层往往很薄，而正式走刀时的切深一般要比试切时大，所以刀刃不容易打滑，实际切深就会大一些，造成与试切时的尺寸不同；粗加工时，试切的最后一刀切削层厚度还较大，刀刃不会打滑，但正式切削时切深更大，受力变形也大得多，因此正式切削时切除的金属层厚度就会比试切部分小一些，故同样引起工件的尺寸误差。

（2）调整法调整

在成批、大量生产中，先根据样件（或样板）进行初调，试切若干工件，再据此作精确微调。这样既缩短了调整时间，又可得到较高的加工精度。

由于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，同样也对调整法有影响。

工艺系统初调好以后，一般都要试切几个工件，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，因此不能把整批工件切削过程中的各种随机误差完全反映出来。故试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不可能完全符合，因而造成误差。这种方法影响调整精度的因素可能包括样件或样板的制造误差、安装误差和对刀误差，以及行程挡块、靠模、凸轮等定程机构的制造精度和调整精度等。

3）机床误差

引起机床误差的原因是机床的制造、安装误差和磨损。造成机床误差的来源很多，这里重点描述对工件加工精度影响较大的机床主轴回转误差、导轨导向误差和传动链的传动误差。

（1）机床主轴回转误差

机床主轴是安装工件或刀具的基准，并传递主要切削运动和动力给工件或刀具。主轴回转运动误差，直接影响被加工工件的几何形状精度、位置精度和表面粗糙度。

所谓主轴回转误差是指主轴实际回转轴线对其理想回转轴线的漂移。理论上，主轴回转时，其回转轴线的空间位置应该固定不变，即回转轴线没有任何运动。实际上，由于主轴部件的制造误差和配合质量、润滑条件等影响，其瞬时回转轴线的位置都在周期性地变化。因此通常是以平均回转轴线（即主轴各瞬时回转轴线的平均位置）来代替。

主轴回转轴线的运动误差可以分为如图5.5所示的（a）主轴端面圆跳动、（b）径向圆跳动和（c）倾角摆动三类基本形式。

图5.5　主轴回转误差的基本形式

主轴回转误差所引起的加工误差随机床不同、加工表面不同而不同。

车削加工时，主轴端面圆跳动主要影响工件端面的形状精度、端面与内（外）圆的垂直度和轴向尺寸精度；径向圆跳动影响被加工工件圆柱面的形状精度；倾角摆动影响被加工工件圆柱面与端面的加工精度。

加工螺纹时，主轴的端面圆跳动将使工件螺距产生周期误差。因此，对机床主轴端面圆跳动的幅值通常都有严格的要求，如精密车床的主轴端面圆跳动误差通常应控制在2~3μm，径向圆跳动误差应控制在5μm以内甚至更严。

引起主轴回转轴线漂移的原因主要是轴承的误差、轴承间隙及与轴承配合零件的误差。对于工件回转类机床（如车床、磨床等），由于切削力的方向大体上是不变的，影响主轴回转精度的，主要是主轴支承轴颈的圆度，而轴承孔影响较小。而对于刀具回转类机床（如镗床等），由于切削力方向随主轴的回转而改变，对主轴回转精度影响较大的是轴承孔的圆度，而支承轴颈的影响较小。

工程应用中提高主轴回转精度的措施主要包括：

①提高主轴部件的制造精度。首先应提高轴承的回转精度，如选用高精度的滚动轴承，或采用高精度的多油楔动压轴承和静压轴承。其次是提高与轴承相配合零件（箱体支承孔、主轴轴颈）的加工精度。此外，还可在装配时先测出滚动轴承及主轴锥孔的径向圆跳动，然后调节径向圆跳动的方位，使误差相互补偿或抵消，以减少轴承误差对主轴回转精度的影响。

②对滚动轴承进行预紧。对滚动轴承适当预紧以消除间隙，甚至产生微量过盈，由于轴承内外圈和滚动体弹性变形的相互制约，既增加了轴承刚度，又对轴承内外圈滚道和滚动体的误差起均化作用，因而可提高主轴的回转精度。

③使主轴的回转误差不反映到工件上。直接保证工件在加工过程中的回转精度而不依赖于主轴，是保证工件形状精度的最简单又有效的方法。例如，在外圆磨床上磨削外圆柱面时，为避免工件头架主轴回转误差的影响，工件采用两个固定顶尖支承，主轴只起传动作用，工件的回转精度完全取决于顶尖和中心孔的形状精度和同轴度，提高顶尖和中心孔的形状精度要比提高主轴部件的形状精度容易且经济得多。

（2）机床导轨导向误差

机床导轨导向误差是指机床导轨副的运动件实际运动方向与理想运动方向的偏离程度。导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，直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的主要因素，直接影响工件的加工精度。在机床精度的标准中，直线导轨的导向精度一般包括下列主要内容：

①导轨在水平面内的直线度误差Δx。

如图5.6所示，外圆磨床导轨在x方向存在直线度误差Δx，磨削外圆时，工件沿砂轮法线方向产生位移，引起工件在半径方向上的误差Δx=ΔR。当磨削长外圆柱表面时，造成工件的圆柱度误差。

②导轨在垂直面内的直线度误差Δy。

如图5.7（a）所示，磨床导轨在垂直面y方向存在直线度误差Δy，磨削外圆时，工件沿砂轮切线方向（误差非敏感方向）产生位移，此时工件半径方向上产生误差ΔR=，其值忽略不计。但对于平面磨床、龙门刨床、铣床等机床的导轨在垂直方向上的误差将引起法线方向（误差敏感方向）的位移，将直接反映到被加工工件的表面，造成工件的形状误差。(www.xing528.com)

图5.6　导轨在水平面内的直线度误差

图5.7　导轨在垂直面内的直线度误差

③导轨在水平面和垂直面内的综合误差（扭曲度）δ。

如图5.8所示，车床前后导轨的平行度误差使大溜板产生横向倾斜扭曲，刀具产生位移，因而引起工件形状误差。由几何关系可知，工件产生的半径误差值ΔR=Δx=，通常情况下车床，外圆磨床，因此导轨扭曲引起的加工误差不容忽视。

图5.8　导轨在水平面和垂直面内的综合误差

④导轨对主轴回转轴线的误差。

若导轨与机床主轴回转轴线在水平面内不平行，会使工件的外圆柱表面产生锥度；若在垂直面内不平行，会使工件的外圆柱表面产生马鞍形误差。

产生机床导轨导向误差的因素主要有导轨副的制造精度、安装精度和使用过程中的磨损。

机床安装不正确引起的导轨导向误差，往往远大于制造误差。特别是长度较长的龙门刨床、龙门铣床和导轨磨床等，它们的床身导轨是一种细长的结构，刚性较差，在本身自重的作用下就容易变形。如果安装不正确或者地基不良，都会造成导轨弯曲变形（严重的可达2~3 mm）。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，而且在使用期间还应定期复校和调整。

导轨磨损是造成导轨导向误差的另一重要原因。由于使用程度不同及受力不均，机床使用一段时间后，导轨沿全长上各段的磨损量不等，并且同一横截面上各导轨面的磨损量也不相等。导轨磨损会引起床鞍在水平面和垂直面内发生位移，且有倾斜，从而造成刀刃位置误差。

机床导轨副的磨损与工作的连续性、负荷特性、工作条件、导轨的材质和结构等有关。

因此，在设计时应从结构、材料、润滑、防护装置等方面采取措施以提高导轨的导向精度和耐磨性；在制造时应尽量提高导轨副的制造精度；机床安装时，应校正好水平和保证地基质量；另外，使用时要注意调整导轨副的配合间隙，同时保证良好的润滑和维护。这些都是常见的减小机床导轨导向误差的措施。

（3）机床传动链的传动误差

传动链的传动误差是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差。它是在螺纹、齿轮、蜗轮以及其他按展成原理加工零件时，影响加工精度的主要因素。例如在滚齿机上用单头滚刀加工直齿轮时，要求滚刀与工件之间具有严格的运动关系：滚刀每转一周，相应啮合的待加工工件转过一个齿。这种运动关系是由刀具与工件间的内联系传动链来保证的。对于图5.9所示的滚齿机传动系统，可具体表示为：

式中　Φg——工件转角；

　　　Φd——滚刀转角；

　　　ie——差动轮系的传动比，在滚切直齿时常取为1。

图5.9　滚齿机传动链图

括号内为滚齿机的分齿挂轮组的传动比。

由公式（5.1）看出，当传动链中的传动元件如齿轮、蜗轮、蜗杆、丝杠、螺母等有制造误差（如转角误差）、装配误差（如装配偏心）或磨损时，就破坏了正确的运动关系，产生工件的加工误差。传动件在传动链中的位置不同，它们的误差对加工精度的影响也不相同。升速传动时，传动件的误差被放大；降速传动时，传动件的误差被缩小。而传动链最末端传动件的误差将1∶1反映到工件上，造成加工误差。

传动链传动误差一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。传动链的总转角误差Δφ∑是各传动件误差Δφj所引起末端传动元件转角误差Δφjn的叠加，即Δφ∑=。而传动链中某个传动元件自身传动位置的这个转角误差传递到末端传动元件转角误差的等效大小是取决于该传动元件到末端元件之间的总传动比ij，即Δφjn=ijΔφj。该式说明，传动比ij反映了第j个传动件的转角误差对传动链误差影响的程度。ij越小，末端传动件的转角误差就越小，对加工精度的影响也就越小。

工程中减少传动链传动误差的措施主要有：

①传动件数越少，传动链越短，传动精度就越高。

②提高传动件特别是末端传动副（如丝杆螺母副、蜗轮蜗杆副）的制造和装配精度。此外，可采用各种消除间隙装置以消除传动齿轮间的间隙。

③尽可能采用降速传动。

④采用校正装置。校正装置的实质是在原传动链中人为地加入一个误差源，其大小与传动链本身的误差大小相等而方向相反，从而使之相互抵消。

4）夹具的误差

夹具的误差主要是指定位误差以及夹具上各元件或装置的制造误差、调整误差、安装误差及磨损。夹具的误差将直接影响工件加工表面的位置精度或尺寸精度。夹具的误差将在第6章讨论。

5）刀具的制造误差与磨损

刀具误差对加工精度的影响，根据刀具的种类不同而异。

①采用定尺寸刀具（如钻头、铰刀、键槽铣刀、浮动镗刀及圆拉刀等）加工时，刀具的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度。

②采用成形刀具（如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的形状精度将直接影响工件的形状精度。

③展成刀具（如齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀等）的刀刃形状必须是加工表面的共轭曲线。因此，刀刃的形状误差会影响加工表面的形状精度。

④对于一般刀具（如车刀、镗刀、铣刀），其制造精度对加工精度无直接影响，但这类刀具的耐用度较低，刀具容易磨损。

任何工具在切削过程中都不可避免地会产生磨损，都将引起工件的尺寸误差和形状误差。