影响形状精度的因素有哪些？

形状精度是零件加工后的实际几何形状与理想几何形状相符合的程度。形状误差是指单一实际要素所允许的变动全量。影响形状精度的因素主要有以下几方面。

1.车床主轴回转精度对形状精度的影响

机床主轴是工件或刀具的位置基准和运动基准，它的误差直接影响着工件的加工精度。主轴轴颈误差和轴承误差引起主轴轴向窜动、径向圆跳动和轴向全跳动。主轴径向圆跳动：车削外圆或内孔时产生圆度误差；主轴轴向窜动：在车端面时产生平面度误差，车螺纹时将增大工件的螺距误差；主轴轴向全跳动：车削外圆或内孔时产生圆柱度误差，可采用提高主轴轴颈精度、更换滚动轴承、调整轴承间隙等方法减少主轴误差。

2.车床导轨精度对形状精度的影响

车床导轨主要用于支撑和连接车床的各个部件，在工作时有相对位置和运动的基准。床鞍和溜板箱纵向直线运动的准确性，主要由导轨的精度来确定。

车床导轨在水平面或垂直平面内的直线度误差会使车削后工件的外圆、内孔素线产生直线度误差，如图8-1和图8-2所示。两导轨间的平行度误差会使加工的工件产生圆柱度误差（鞍形、鼓形、锥形等）。

图8-1 车床导轨在水平面内变形引起的直线度误差

图8-2 车床导轨在垂直平面内变形引起的直线度误差

纵向导轨的平行度误差，会导致床身发生倾斜，床鞍沿导轨纵向移动，此时车刀刀尖发生偏移，如图8-3所示，设垂直于纵向进给方向的任意截面内两条导轨的平行度误差为δ，一般情况下δ值变化较小，工件半径的变化量ΔR近似地等于切削刃水平位移ΔY，即

一般车床H/B≈2/3，因此导轨平行度误差对加工精度的影响不容忽视。由于δ值随着在车削加工中所处的位置不同而变化，所加工的工件由此产生形状误差（鞍形、鼓形或锥形）。

图8-3 导轨平行度误差对加工精度影响

机床导轨的几何精度不仅取决于机床的制造精度，而且与机床的安装精度及使用时的磨损有关系。尤其是一些大型机床的导轨长度较长、刚度相对低，床身在自重作用下很容易变形，从而影响工件的尺寸精度和形位精度。为减少导轨误差对加工精度的影响，应提高导轨的制造精度和安装质量，经常对机床进行检测、调整、维修，保持其良好的精度。

3.机床传动链误差对加工精度的影响

机床的传动链误差是指内联传动链始末两端传动零件间相对运动的误差。传动机构的制造误差、装配间隙及磨损，将破坏正确的运动关系。如车削螺纹时，工件转一转，刀具不能准确地移动一个螺距（导程），则产生螺距误差。提高传动机构精度，缩短传动链长度，减小装配间隙，可减小传动机构的加工误差。

4.刀具和夹具误差对加工精度的影响

（1）刀具误差对加工精度的影响 车削加工时常用的刀具有：一般刀具、定尺寸刀具、成形刀具。不同的刀具误差对加工精度的影响不一样。

一般刀具（如90°外圆车刀、45°外圆车刀）的制造误差对加工精度没有直接的影响，但对于定程法加工的工件，刀具的磨损对工件的尺寸或形状精度有一定的影响。定尺寸刀具（如钻头、铰刀）的尺寸误差和形状误差直接影响工件的尺寸精度和形状精度，这类刀具的安装和使用不当，也会影响加工精度，如麻花钻装夹歪斜，会使钻出的孔径扩大歪斜。成形车刀的误差主要影响被加工面的形状精度，如三角形螺纹车刀刀尖角不是正确的60°，则车削出的螺纹牙型角就存在误差，螺纹车刀安装不正确也会产生牙型歪斜，造成牙型误差，如图8-4所示。

图8-4 普通螺纹车刀安装不正确对加工精度的影响

a）用对刀样板正确安装车刀 b）车刀安装歪斜而导致螺纹牙型不正确

刀具在切削过程中不可避免地要产生磨损，随着磨损量的增大，刀具尺寸也发生改变，并由此引起工件尺寸和形状的改变。因此在加工时，应及时刃磨、更换刀具，多次测量工件尺寸，控制工件尺寸在允许的公差范围内。

（2）夹具误差对加工精度的影响 夹具的作用是使工件相对于刀具和机床具有正确的位置。夹具的误差包括制造误差、工件的定位误差、夹紧变形误差、夹具的安装误差、分度误差及夹具的磨损。这些误差主要与夹具制造精度和装配精度有关。所以夹具的制造精度要高于被加工零件的加工精度。

夹具在使用过程中，定位元件、导向元件等工作表面易磨损、碰伤，首先影响被加工工件的位置精度，其次影响尺寸精度和形状精度。所以，对于容易磨损的定位元件、导向元件，除采用耐磨的材料制作外还应做成可拆卸的，夹具应定期检验，及时修复或更换元件。

5.调整误差对加工精度的影响

车削加工中，为了获得较高的尺寸、形状、位置精度，根据车削过程中出现的各种差异，应对机床、夹具、刀具和辅助设施进行调整。调整只会减小各种误差，但不能完全消除误差，这种原始误差称为调整误差。调整误差与调整方法有关。

当用试切法加工时，影响调整误差的主要因素是测量误差和微量进给的影响。在微量进给中，进给系统常会出现爬行现象，导致刀具的实际进给量比刻度盘的数值要偏大或偏小些，造成加工误差。

在定程法加工中，对定程机构进行调整时，调整的精度取决于挡块、靠模及行程开关等定程装置的制造精度和刚度，以及与其配合使用的离合器、控制阀等灵敏度。当用样板或样块调整时，调整精度取决于样板或样块的制造、安装和对刀精度。

6.惯性力、重力、夹紧力等作用力引起的误差对加工精度的影响

（1）惯性力引起的加工误差 在加工过程中，由于工艺系统中旋转的零件、夹具或工件的旋转不平衡而产生离心力，离心力的方向在每一转中不断改变，因此图8-5所示Y方向的切削分力有时和切削力的方向相同，有时则相反，从而引起工艺系统的变形，造成加工误差。惯性力对机床精度的影响也较大，当离心力大于切削力时，车床主轴轴颈和轴套内孔表面的接触点则不停地变化，轴套孔的圆度误差会使工件产生圆度误差。

为减少惯性力对加工精度的影响，常采用配重平衡的方法和采取低速加工。

图8-5 惯性力引起的加工误差

（2）重力引起的加工误差 对于重型机床设备，由于自身部件较重，在加工过程中部件位置的移动改变了自重对床身其他作用点的位置，也会使工件产生加工误差。

（3）夹紧力引起的加工误差 对于刚度较差的工件，因夹紧力影响常会引起形状误差。例如，在自定心卡盘上装夹加工薄壁工件，薄壁工件夹紧后会产生弹性变形（见图8-6a），虽然车削出的内孔成圆形（见图8-6b），但当卡爪松开后，薄壁工件产生弹性恢复，使加工出的内孔呈三角棱圆形（见图8-6c）。为防止薄壁工件加工时产生变形，可采用增大装夹接触面积的方法，如使用开缝套筒和扇形软卡爪（见图8-7），使工件的局部受力变为圆周均匀受力，让夹紧力均匀分布，工件在夹紧时不易产生变形。还可以采用轴向夹紧装置和增加工艺肋（见图8-8）等方法以减少薄壁工件变形。

对于刚度较差的细长轴零件，为防止弯曲变形可采用中心架或跟刀架支撑的方法，另外尾座顶尖与中心孔之间接触均匀，顶力要适当，以防顶力过大造成工件弯曲变形。

图8-6 薄壁工件夹紧变形引起的形状误差

a）夹紧后 b）车削内孔 c）卡爪松开后的内孔形状

图8-7 增大装夹接触面积的方法

a）使用开缝套筒 b）应用扇形软卡爪

1—开缝套筒 2—扇形软卡爪 3—工件

7.工艺系统的刚性对加工精度的影响

机床、夹具、刀具和工件在车削运动中形成的一个整体，称为工艺系统。工艺系统在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等外力的作用下，会产生相应的弹性变形和塑性变形，从而破坏刀具和工件之间已调整好的正确位置，使工件产生几何形状误差和尺寸误差。弹性变形和塑性变形的大小与工艺系统的刚性有关。

工艺系统的变形通常是弹性变形，一般来说，工艺系统的刚性越好，工件变形越小，加工精度越高。

（1）刀架部分受力变形对加工精度的影响 车床部件在外力作用下所产生的变形，必然与组成部件的零件变形及每一对接触副的接触变形有关。如图8-9所示为车床刀架组成机构受力变形示意图，切削力F从刀具经刀架、小滑板、中滑板、床鞍到床身导轨，最后在床身完成封闭。图中切削刃相对于床身导轨的总位移量y是床鞍相对床身的位移y₁、中滑板相对床鞍的位移y₂、小滑板相对中滑板的位移y₃、刀架相对小滑板的位移y₄叠加的结果。

图8-8 增加工艺肋减少变形(www.xing528.com)

1—工艺肋 2—薄壁工件

（2）影响机床部件刚性的因素 在车削加工中，机床部件在各种外力作用下产生相应的变形，它与有关零件的变形及相关零件表面之间的接触变形有关。

1）配合表面间的接触变形。车削加工后的零件表面都存在着宏观和微观的几何形状误差，配合表面之间的实际接触面积只是配合面积的一小部分。在外力的作用下，这些接触处将产生较大的接触应力，引起接触变形，其中既有表面层的弹性变形，又有局部的塑性变形，接触表面的塑性变形造成了内变形。如尾座套筒内的圆锥面，原有的凸点经与配合外锥面多次接触后，凸点逐渐被压平，内锥面的弹性变形越来越大，塑性变形越来越小，接触状态逐渐稳定，不再产生塑性变形。

图8-9 车床刀架组成机构受力变形示意图

2）机床薄弱零件的变形。机床部件中薄弱零件的受力变形对部件刚性的影响最大。如车床中、小滑板镶条，因其精度高，薄又长，刚性差，且制造中极易变形，造成镶条与两侧表面接触不良，使中、小滑板和刀架的刚性降低。

3）配合表面间的摩擦。当载荷变动时，零件接触面间的摩擦力对接触刚性的影响较为明显。加载时，摩擦力阻止变形增加；而卸载时，摩擦力又阻止变形恢复。由于部件变形不均匀增减同样影响工件的加工精度。

4）配合表面间的间隙。组成部件的零件接触表面之间如存有间隙会影响机床部件的整体刚性。如车床中、小滑板丝杠与螺母间的间隙将影响刻度盘进给精确度，造成加工误差。

（3）工件的刚度对加工精度的影响 切削加工中刚度较低的工件，在外力的作用下极易产生变形，影响加工精度。如车削粗短轴时，工件的刚度较好，而机床的刚度较差，会使加工出的工件出现“鞍形”形状误差，如图8-10a所示。如车削细长轴时，采用一夹一顶或两顶尖之间装夹工件，因两端支撑点的刚性好于中间的刚性，在切削力的作用下工件因弹性变形而出现让刀现象，使工件加工后产生腰鼓形误差，如图8-10b所示。如在工件中间使用中心架或跟刀架，会有效地提高工件的刚度，如图8-11所示。

图8-10 工件受力变形

a）鞍形工件 b）鼓形工件

（4）刀具的刚度 刀具的刚度与刀柄截面积、装夹方法及刀头部分的结构有关系。刀柄截面积越大，刀具刚度越好；截面积越小，刀具刚度越差。装夹车刀时，车刀伸出的长度依加工的需求而定，但车刀伸出长度越长，车刀刚度越差。车削深孔工件时，刀柄的截面积受到孔径的限制，又有较大的悬伸量，导致车刀刚度较差，易引起振动和让刀现象，使被加工孔尺寸出现外大内小而形成锥孔。如将内孔车刀刀尖置于刀柄的中心线上，这样刀柄的截面积可达到最大程度，如图8-12所示。另外在加工深孔时为增加车刀的刚度，可采用导向垫或导向条。

图8-11 使用中心架车削细长轴

图8-12 刀柄截面积对比图

a）刀尖位于刀柄的上面 b）刀尖位于刀柄的中心

8.工艺系统受力变形对加工精度的影响

（1）切削力作用点位置的变化引起的加工误差 在加工过程中，刀具相对于工件的位置是在变化的，切削力的作用点及切削力的大小也随位置而变化。工艺系统在各作用点位置上的刚度也不相同。因此，工艺系统的受力变形也随之变化。

下面以采用一夹一顶或两顶尖之间车削光轴为例进行介绍。如在两顶尖之间车削短粗轴，工件的刚度较高，车刀悬伸长度较短，刚度较好，如果车床的刚度低，当车刀靠近卡盘或尾座时因其变形较大，从工件上切除余量少，工件中间变形小而切除的余量多，因此加工出来的工件呈马鞍形，由于主轴的刚度总是大于尾座的刚度，所以靠近尾座一端的直径略大于卡盘端直径。如车削细长轴工件，因工件的刚度较低而卡盘及尾座处的刚度较好，则加工出来的工件呈腰鼓形。

（2）切削力大小的变化引起的误差复映规律 在切削加工中，由于被加工表面的余量或硬度不均匀引起切削力的变化，使工艺系统的受力变形不一致，造成加工误差产生误差复映现象。

如车削短轴工件，由于毛坯存在形状误差（例如椭圆），车削时的背吃刀量也在变化，如图8-13所示，背吃刀量大时（a_p1）切削力大，背吃刀量小时（a_p2）切削力小，刀具的让刀位移量也随背吃刀量的大小而变化，因此加工后的工件具有与毛坯偏移方向相同的微小偏移误差。

图8-13 误差复映现象

（3）减少工艺系统受力变形采取的措施

1）提高工艺系统零部件的配合表面质量，可提高零件间接触刚度。调整和减少机床零部件之间的配合间隙，减少机床导轨表面和其他配合表面的表面粗糙度值，提高配合表面的形状精度和接触面积，减少微观表面和局部区域的弹性变形和塑性变形，增强机床的接触刚度。

2）设置辅助支撑，提高机床部件的刚度。根据加工需求可采用专用辅助装置提高部件的刚度，如图8-14所示为增强转塔车床刀架刚度而采用的辅助装置。在转塔车床上加工内孔时，可先将刀架上的加强杆插入辅助支撑导套内，如图8-14a所示，也可将镗杆插入主轴孔内的导套内（见图8-14b），均可提高刀架的刚度。

图8-14 增强转塔车床刀架刚度的辅助装置

1—辅助支承导套 2—加强杆 3、6—转塔刀架 4—装在主轴孔内的导套 5—加强杆

3）缩短切削力和支承点的距离以提高工件的刚度。车削刚度较差的轴类零件时，可采用中心架以提高工件的刚度，如图8-15a所示。也可采用跟刀架来提高工件的刚度，如图8-15b所示。如工件的刚度良好，长度不是很长，可采用一夹一顶的方式加工（见图8-15c）。

图8-15 用辅助支承提高工件的刚度

9.工艺系统的热变形对尺寸和形状精度的影响

（1）机床热变形 不同类型的机床，因其结构与工作条件的差异而使热源和变形的形式不同。车床、铣床、钻床等机床的主要热源是主轴箱。部分的床身温度升高，导致主轴的抬高和倾斜，从而影响工件的尺寸精度。

（2）工件热变形 工件的热变形是由切削热引起的，热变形与加工方法和工件的受热是否均匀有关，车削加工和磨削外圆时工件因均匀受热而产生的热伸长量计算公式如下：

ΔL=αLΔt

式中 α——工件材料的热膨胀系数（1/℃）；

L——工件在热变形方向上的尺寸（mm）；

Δt——平均升高温度（℃）。

有些工件由于切削热引起的热伸长而产生的误差比公差大，从而产生加工误差。

（3）刀具热变形 使刀具产生热变形的热源主要是切削热，尽管这部分热量很小（占总热量的4%左右），但因刀具体积较小，热容量小，车削过程中车刀工作表面的温度很高而产生热伸长，影响工件的尺寸精度和形状精度。

10.残余应力引起的变形对加工精度的影响

残余应力是指当外部的载荷去掉后，工件的内部仍残存的内应力，它是在热加工和冷加工中由于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。

零件的内部具有内应力就会处于一种不稳定状态。在常温下零件的尺寸、形状逐渐地变化，工件原有的精度受到破坏，直至内应力全部消失为止。若机床设备中装配有内应力的零件，它的变形会影响整台设备的精度。

（1）毛坯制造中产生的内应力 在锻造、铸造、焊接及热处理等过程中，由于材料各部分冷、热收缩不均匀和金相组织转变的体积变化，使毛坯内部产生较大的内应力。毛坯的结构越复杂，散热的快慢差别就越大，毛坯内部产生的内应力也就越大，这种毛坯的内应力暂时处于相对平衡状态，但当切去一层金属后，原有的平衡状态就被破坏，内应力重新分布，工件就会出现明显的变形。

（2）冷校直产生的内应力 常见一些细长工件由于刚度低，产生弯曲变形，对此常用冷校直的方法进行校直，如图8-16所示，弯曲的工件在外部载荷F的作用下，在产生塑性变形的同时内部产生较大内应力，当外部载荷F去除后，工件的弹性恢复受到外层塑性变形的阻止，使工件内部的内应力重新分布。由此可见，工件冷校直后内部产生的残余应力，处于不稳定状态，若进行车削加工，工件将重新产生弯曲变形。因此，高精度的丝杠不采用冷校直的方法进行校直，而采用粗精车的方式或时效处理来消除内应力。

（3）切削加工产生的内应力 在切削加工过程中产生切削力和切削热的作用下，被加工表面产生塑性变形也会产生相应的残余应力，工件加工后会产生变形。因此，对一些精度较高的零件，粗加工后要进行高温时效处理，半精加工后进行低温时效处理，以消除加工中产生的内应力。

图8-16 冷校直应力