第二节 影响机械加工精度的因素
机械加工系统(简称工艺系统)的组
成:机床、夹具、刀具和工件。
影响加工精度的主要因素有:
l)工艺系统的几何误差,包括机床、夹
具和刀具等的制造误差及其磨损。
2)工件装夹误差。
3)工艺系统受力变形引起的加工误差。
4)工艺系统受热变形引起的加工误差。
5)工件内应力重新分布引起的变形。
6)其他误差,包括原理误差、测量误差、
调整误差等。
一、工艺系统的几何误差
(一)机床的几何误差
加工中,刀具相对于工件的成形运动,
通常都是通过机床完成的。工件的加工精度
在很大程度上取决于机床的精度。
机床制造误差中对工件加工精度影响较
大的误差有:主轴回转误差、导轨误差和传
动误差。
1.主轴回转误差
机床主轴是用来装夹工件或刀具,并将
运动和动力传给工件或刀具的重要零件,主
轴回转误差将直接影响被加工工件的形状精
度和位置精度。
主轴回转误差,是指主轴实际回转轴线
相对其平均回转轴线的变动量 。
主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向
圆跳动和角度摆动三种不同形式的误差。
( 1)径向圆跳动,图 4-2a) 是主轴回转
轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量。
车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差 。
产生径向圆跳动误差的主要原因有:主
轴支承轴颈的圆度误差、轴承工作表面的圆
度误差等。
图 4-3
( 2)轴向圆跳动,图 4-2b) 是主轴回转
轴线沿平均回转轴线方向的变动量。
车端面时它使工件端面产生垂直度、平
面度误差。产生轴向国跳动的原因是主轴轴
肩端面和推力轴承承载端面对主轴回转轴线
有垂直度误差。
( 3)角度摆动,图 4-2c) 主轴回转轴线
相对平均回转轴线成一倾斜角度的运动。车
削时,它使加工表面产生圆柱度误差和端面
的形状误差。
提高主轴及箱体轴承孔的制造精度,选
用高精度的轴承,提高主轴部件的装配精度,
对主轴部件进行平衡,对滚动轴承进行预紧
等,均可提高机床主轴的回转精度。
2.导轨误差
导轨是机床中确定各主要部件相对位置
关系的基准。
( 1) 导
轨在水平
面内的直
线度误差
对加工精
度的影响
导轨在水平面内有直线度误差 Δy时,在
导轨全长上刀具相对于工件的正确位置将产
生 Δy的偏移量,使工件半径产生 ΔR=Δy的误
差。导轨在水平面内的直线度误差将直接反
映在被加工工件表面的法线方向(误差敏感
方向)上,对加工精度的影响最大。
( 2)导轨在垂直平面内的直线度误差对
加工精度的影响
导轨在垂直平面内有直线度误差 Δz时,
也会使车刀在水平面内发生位移,使工件半
径产生误差 ΔR。与 Δz值相比,ΔR属微小量,
由此可知,导轨在垂直平面内的直线度误差
对加工精度影响很小,一般可忽略不计。
( 3)导
轨间的平
行度误差
对加工精
度的影响
当前后导轨在垂直平面内有平行度误差
(扭曲误差)时,刀架将产生摆动,刀架沿
床身导轨作纵向进给运动时,刀尖的运动轨
迹是一条空间曲线,使工件产生圆柱度误差。
导轨间在垂直方向有平行度误差时,将
使工件与刀具的正确位置在误差敏感方向产
生偏移量,使工件半径产生 ΔR=Δy的误差,
对加工精度影响较大。
除了导轨本身的制造误差之外,导轨
磨损是造成机床精度下降的主要原因。选
用合理的导轨形状和导轨组合形式,采用
耐磨合金铸铁导轨、镶钢导轨、贴塑导轨、
滚动导轨以及对导轨进行表面淬火处理等
措施均可提高导轨的耐磨性。
图 4-7 滚齿机传动系统图







传动链误差,是指传动链始末两端传动
元件相对运动的误差 。一般用传动链末端元
件的转角误差来衡量。机床传动链误差是影
响表面加工精度的主要原因之一。
提高传动元件的制造精度和装配精度,
减少传动件数,均可减小传动链误差。

(二)刀具的几何误差
刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的
不同而不同。采用定尺寸刀具(例如钻头、铰
刀、键槽铣刀、圆拉刀等)加工时,刀具的尺
寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度。采用
成形刀具(例如成形车刀、成形铣刀、齿轮模
数铣刀、成形砂轮等)加工时,刀具的形状误
差和磨损将直接影响工件的形状精度。对于一
般刀具(例如车刀、健刀、铣刀等),其制造
误差对工件加工精度无直接影响。
刀具的尺寸磨损量 NB是在被加工表面的
法线方向上测量的。刀具的尺寸磨损 NB与切
削路程 l的关系如 图 4- 8所示。新刃磨刀具切
削初期,刀具磨损较剧烈,这段时间的刀具
磨损量称为初期磨损量 NB;进入正常磨损阶
段后,磨损量与切削路程成正比,其斜率称
为相对磨损,相对磨损表示每切削 1000m路
程刀具的尺寸磨损量;当切削路程 时,
磨损急剧增加,这时应停止切削。
'll ?

刀具的尺寸磨损量可用下式计算
选用新型耐磨刀具材料,合理选用刀具
几何参数和切削用量,正确刃磨刀具,正确
采用冷却润滑液等,均可减少刀具的尺寸磨
损。必要时,还可采用补偿装置对刀具尺寸
磨损进行自动补偿。
? ?
1 0 0 01 0 0 0 0
0
0
lKNBllKNBNB NBNB ????? ? ?24?
(三)夹具的几何误差
夹具的作用是使工件相对于刀具和机床
占有正确的位置,夹具的几何误差对工件的
加工精度(特别是位置精度)有很大影响。
在 图 4- 9所示钻床夹具中,影响工件孔轴线
a与底面 B间尺寸 L和平行度的因素有:钻套
轴线与夹具定位元件支承平面 C间的距离和
平行度误差;夹具定位元件支承平面 C与夹
具体底面 d的垂直度误差;钻套孔的直径误
差等。

在设计夹具时,对夹具上直接影响工件
加工精度的有关尺寸的制造公差一般取为工
件上相应尺寸公差的 1/ 2- 1/ 5。
夹具元件磨损将使夹具的误差增大。为
保证工件加工精度,夹具中的定位元件、导
向元件、对刀元件等关键易损元件均需选用
高性能耐磨材料制造。
二、装夹误差
装夹误差包括:定位误差、夹紧误差。
(一)定位误差
定位误差,因定位不正确而引起的误差。
定位误差的产生:是由于定位基准与工
序基准不重合以及定位面和定位元件制造不
准确而引起。

定位误差 的组成,由基准不重合误
差 和定位副(含工件定位基面和定位元
件)制造不准确误差 两部分组成。
定位误差 值为上述两项误差在工序
尺寸方向上的代数和,dw?
dbjbdw ?????
? ?34?
dw?
jb?
db?
(二)夹紧
误差
工件或
夹具刚度过
低或夹紧力
作用方向、
作用点选择
不当,都会
使工件或夹
具产生变形,
造成加工误
差 。
例如,用三爪自定心卡盘装夹薄壁套简
镗孔时,夹紧前薄壁套筒的内外圆是圆的,
夹紧后工件呈三棱圆形;镗孔后,内孔呈圆
形;但松开三爪卡盘后,外圆弹性恢复为圆
形,所加工孔变成为三棱圆形,使镗孔孔径
产生加工误差。为减少由此引起的加工误差,
可在薄壁套筒外面套上一个开口薄壁过渡环,
使夹紧力沿工件圆周均匀分布。
三、工艺系统受力变形引起的误差
(一)工艺系统刚度
1.工艺系统刚度
机械加工中,工艺系统在切削力、夹紧
力、传动力、惯性力和重力等的作用下,将
产生相应变形,使工件产生加工误差。工艺系
统在外力作用下产生变形的大小,不仅取决
于作用力的大小,还取决于工艺系统的刚度。

垂直作用于工件加工表面的背向力与工
艺系统在该方向上的变形 y的比值,称为工
工艺系统刚度 ( N/㎜)
工艺系统在某一位置受力作用产生的变
形量 应为工艺系统各组成环节在此位置
受该力作用产生的变形量的代数和,即
系K
系y
工件夹具刀具机床系 yyyyy ???? ? ?54?
yFk p /?系 ? ?44?
根据刚度定义知:,
,,
,将它们代入上式得
由式( 4- 6)知,工艺系统刚度的倒数
等于系统各组成环节刚度的倒数之和。若已
知各组成环节的刚度,即可由式( 4- 6)求
得工艺系统刚度。 工艺系统刚度主要取决于
薄弱环节的刚度 。
? ?64?
工件夹具刀具机床系 kkkkk
11111 ????
工件工件 yFk p /?
机床机床 yFk p /?
刀具刀具 yFk p /? 夹具夹具 yFk p /?
2.机床刚度
机床结构较为复杂,它由许多零、部件
组成,其刚度值迄今尚无合适的简易计算方
法,目前主要还是用实验方法进行测定。
测得机床部件刚度,,
之后,就可以通过计算求得机床刚度。 主轴k 尾座
k 刀架k
? ?尾座主轴系 yyyy ???
2
1
刀架
由刚度定义,上式可写为
机床刚度与各组成部件的刚度的关系式为,
分析上式可知,机床刚度取决于其组成
部件的刚度,并主要取决于薄弱部件的刚度,
提高机床刚度要从提高弱刚度部件的刚度人
手。
尾座主轴刀架机床 kkkk 4
1
4
111 ???
?
?
?
?
?
?
???
尾座主轴刀架系 k
F
k
F
k
F
k
F pppp
222
1
3.机床部件刚度
是一台车床刀架部件的实测度曲
线图,曲线反映了三次加载、卸载过程中的
变形情况。分析 图 4- 14所示刀架刚度试验
曲线可知,机床部件刚度具有以下特点;
l)变形与载荷不成线性关系,曲线上
各点的实际刚度(各点斜率)是不同的,这
说明机床部件的变形不纯粹是弹性变形。
如图
2)加载曲线和卸载曲线不重合,卸载
曲线滞后于加载曲线;两曲线所包容的面积
代表加载和卸载循环中消耗的能量,它消耗
于克服部件内零件间摩擦力和接触塑性变形
所做的功。
3)第一次卸载后,刀架恢复不到第一
次加载的起点,这说明有残余变形存在,经
多次加载和卸载后,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)部件实测刚度远比按实体结构估算
值小。
一个外形尺寸很大的刀架,它的实测平
均刚度值只相当于一个截面积较小的铸铁悬
臂梁的刚度,其原因在于刀架外形尺寸看起
来很大,但它是由许许多多零件组装而成,
零件间有间隙,结合面间有接触变形,由于
这些因素的影响,总的变形就大了。
l
xFF
p?尾座
l
xlFF
p
??
主轴
? ?
l
xyyyyyyy
x 主轴尾座主轴刀架刀架系 ??????
?
?
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??
?
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?
? ?????
22
111
l
x
kl
xl
kk
Fyyy px
尾座主轴刀架
刀架系
(二)工艺系统刚度对加工精度的影响
1.加工过程中由于工艺系统刚度发生
变化引起的误差 图

2.由于切削力变化引起的误差
加工过程中,由于毛坯加工余量和工件
材质不均等因素,会引起切削力变化,使工
艺系统变形发生变化。从而产生加工误差。
误差复映现象,车削一具有锥形误
差的毛坯,加工表面上必然有锥形误差;待
加工表面上有什么样的误差,加工表面上必
然也有同样性质的误差,这就是切削加工中
的误差复映现象。

误差复映系数,加工前后误差之比值,称
为误差复映系数,它代表误差复映的程度。
分析式( 4- 11)可知 ε与 成反比;
这表明工艺系统刚度愈大,误差复映系数愈小,
加工后复映到工件上的误差值就愈小。
尺寸误差和形位误差都存在复映现象。如
果我们知道某加工工序的复映系数,就可以通
过测量待加工表面的误差统计值来估算加工后
工件的误差统计值。
系k
当工件表面加工精度要求高时,须经多
次切削才能达到加工要求。第一次切削的复
映系数 ;第二次切削
的复映系数, …,则
该加工表面总的复映系数
因每个复映系数均小于 1,故总的复映
系数将是一个很小的数值。
待加工表面加工表面1 ??? /?1
加工表面1加工表面2 ??? /2 ?
n总 ????? ?321?
(三)减小工艺系统受力变形的途径
由工艺系统刚度表达式( 4- 4)可知,
减少工艺系统变形的途径为:提高工艺系统
刚度;减小切削力及其变化 。
1.提高工艺系统刚度
提高工艺系统刚度应从提高其各组成部
分薄弱环节的刚度入手,这样才能取得事半
功倍的效果。提高工艺系统刚度的主要途径
是:
( 1)设计机械制造装备时应切实保证关键
零部件的刚度 在机床和夹具中应保证支承件
(如床身、立柱、横梁、夹具体等)。主轴部
件和传动件有足够的刚度。
( 2)提高接触刚度 提高接触刚度是提
高工艺系统刚度的关键。减少组成件数,提高
接触面的表面质量,均可减少接触变形,提高
接触刚度。对于相配合零件,可以通过适当预
紧消除间隙,增大实际接触面积。
( 3)采用合理的装夹方式和加工方法
提高工件的装夹刚度,应从定位和夹紧两个
方面采取措施。
2.减小切削力及其变化
改善毛坯制造工艺,减小加工余量,适
当增大前角和后角,改善工件材料的切削性
能等均可减小切削力。为控制和减小切削力
的变化幅度,应尽量使一批工件的材料性能
和加工余量保持均匀。
四、工艺系统受热变形引起的误差
工艺系统在热作用下产生的局部变形,
会破坏刀具与工件的正确位置关系,使工件
产生加工误差。热变形对加工精度影响较大,
特别是在精密加工和大件加工中,热变形所
引起的加工误差通常会占到工件加工总误差
的 40%- 70%。随着高精度、高效率及自动
化加工技术的发展,工艺系统热变形问题日
益突出。
(一)工艺系统的热源
l.切削热
切削加工过程中,消耗于切削层弹、塑性
变形及刀具与工件、切屑间摩擦的能量,绝
大部分转化为切削热。切削热将传入工件、
刀具、切屑和周围介质,它是工艺系统中工
件和刀具热变形的主要热源。
在车削加工中,传给工件的热量占总切
削热的 30%左右,切削速度越高,切屑带走
的热量越多,传给工件的热量就越少;在铣
削、刨削加工中,传给工件的热量占总切削
热的比例小于 30%;在钻削和健削加工中,
因为大量的切屑滞留在所加工孔中,传给工
件的热量往往超过 50%;磨削加工中传给工
件的热量有时多达 80%以上,磨削区温度可
高达 800~ 1000℃ 左右。
2.摩擦热和动力装置能量损耗发出的

机床运动部件(如轴承、齿轮、导轨等)
为克服摩擦所做机械功转变的热量,机床动
力装置(如电动机、液压马达等)工作时因
能量损耗发出的热,它们是机床热变形的主
要热源。
3.外部热源
主要是指周围环境温度通过空气的对流
以及日光、照明灯具、取暖设备等热源通过
辐射传到工艺系统的热量。
外部热源的热辐射及环境温度的变化对
机床热变形的影响,有时也是不可忽视的。
靠近窗口的机床受到日光照射的影响,上下
午的机床温升和变形就不同,而且日照通常
是单向的局部的,受到照射的部分与未经照
射的部分之间就有温差。
热平衡,工艺系统在工作状态下,一方面
它经受各种热源的作用使温度逐渐升高,另一
方面,它同时也通过各种传热方式向周围介质
散发热量。当工件、刀具和机床的温度达到某
一数值时,单位时间内传出和传人的热量接近
相等时,工艺系统就达到了热平衡状态。在热
平衡状态下,工艺系统各部分的温度保持在某
一相对固定的数值上,工艺系统的热变形将趋
于相对稳定。
(二)工艺系统热变形对加工精度的影响
1.工件热变形对加工精度的影响
机械加工过程中,使工件产生热变形的
热源主要是切削热。对于精密零件,环境温
度变化和日光、取暖设备等外部热源对工艺
系统的局部辐射等也不容忽视。
车削或磨削轴类工件外圆时,可近似看
成是均匀受热的情况。工件均匀受热影响工
件的尺寸精度,其变形量 ( mm)可按下
式估算:
L?
?? ??? LL ? ?134 ?
对于精密加工,热变形是一个不容忽视
的重要问题。热变形对精密加工件的影响是很
大的。
磨削加工薄片类工件的平面,所示,
就属于不均匀受热的情况,上、下表面间的温
差将导致工件中部凸起,加工中凸起部分被切
去,冷却后加工表面呈中凹形,产生形状误差。
工件凸起量与工件长度上的平方成正比,且工
件越薄,工件的凸起量越大。

2.刀具热变形对加工精度的影响
使刀具产生热变形的热源主要是切削热。
切削热传入刀具的比例虽然不大(车削时约
为 5%左右),但由于刀具体积小,热容量
小,所以刀具切削部分的温升仍较高。
粗加工时,刀具热变形对加工精度的影
响一般可以忽略不计;对于加工要求较高的
零件,刀具热变形对加工精度的影响较大,
将使加工表面产生尺寸误差或形状误差。
3.机床热变形对加工精度的影响
使机床产生热变形的热源主要是摩擦热、
传动热和外界热源传入热量。
由于机床内部热源分布的不均匀和机床
结构的复杂性,机床各部件的温升是各不相同
的,机床零部件间会产生不均匀的变形,这就
破坏了机床各部件原有的相互位置关系。不同
类型的机床,其主要热源各不相同,热变形对
加工精度的影响也不相同。
车床、铣床和钻、镗类机床的主要热源来
自主轴箱。车床主轴箱的温升将使主轴升高;
由于主轴前轴承的发热量大于后轴承的发热量,
故主轴前端比后端高;主轴箱的热量传给床身,
还会使床身和导轨向上凸起。
磨床通常都有液压传动系统和高速回转的
磨头,并使用大量切削液,它们都是磨床的主
要热源。


(三)减小工艺系统热变形的途径
1.减少发热量
机床内部的热源是产生机床热变形的主要
热源。凡是有可能从主机分离出去的热源,如
电动机、液压系统和油箱等,应尽量放在机床
外部。
为了减小热源发热,在相关零部件的结
构设计时应采取措施改善摩擦条件。例如,选
用发热较少的静压轴承或空气轴承作主轴轴承,
在润滑方面也可改用低粘度的润滑油、锂基油
脂或油雾润滑等。
通过控制切削用量和刀具几何参数,可
减少切削热。
2.改善散热条件
向切削区加注冷却润滑液,可减少切削
热对工艺系统热变形的影响。有些加工中心
机床采用冷冻机对冷却润滑液进行强制冷却,
效果明显。
3.均衡温度场
在外移热源时,还应注意考虑均衡温度
场的问题。
4.改进机床结构
1— 主轴 2— 主轴箱 3— 套筒
五、工件内应力重新分布引起的误差
(一)内应力及其对加工精度的影响
1.内应力
内应力,亦称残余应力,是指在没有外
力作用下或去除外力作用后残留在工件内部
的应力。 工件一旦有内应力产生,就会使工
件材料处于一种高能位的不稳定状态,它本
能地要向低能位转化,转化速度或快或慢,
但迟早总是要转化的,转化的速度取决于外
界条件。
当带有内应力的工件受到力或热的作用
而失去原有的平衡时,内应力就将重新分布
以达到新的平衡,并伴随有变形发生,使工
件产生加工误差。
2.内应力产生的原因
( 1)热加工中产生的内应力
在铸造、锻压、焊接和热处理等加工中,
由于工件壁厚不均、冷却不均或金相组织转
变等原因,都会使工件产生内应力。
( 2)冷校直产生的内应力 一些刚
度较差容易变形的轴类零件,常采用冷校直
方法使之变直。
3.内应力重新分布引起的变形
如果工件内部存在拉、压平衡的内应力,经
过加工后,原有的内应力平衡状态受到破坏,工
件就将通过变形重新建立新的应力平衡。
a)铸件内应力平衡状态 b)刨去一层材料时应力状态 c)
通过变形建立新的应力平衡 d)工件的变形情况
(二)减小或消除内应力变形误差的途径
( 1)合理设计零件结构 在设计零件结
构时,应尽量做到壁厚均匀、结构对称,以减
小内应力的产生。
( 2)合理安排工艺过程 工件中如有内
应力产生,必然会有变形发生,但迟变不如早
变,应使内应力重新分布引起的变形能在进行
机械加工之前或在粗加工阶段尽早完成,不让
内应力变形发生在精加工阶段或精加工之后。
铸件、锻件、焊接件在进人机械加工
之前,应安排退火、回火等热处理工序;
对箱体、床身等重要零件,在粗加工之后
尚需适当安排时效工序;工件上一些重要
表面的粗、精加工工序宜分阶段安排,使
工件在粗加工之后能有更多的时间通过变
形使内应力重新分布,待工件充分变形之
后再进行精加工,以减小内应力对加工精
度的影响。
六、其他误差
l.原理误差
原理误差,是指由于采用了近似的成形运
动、近似的刀刃形状等原因而产生的加工误差 。
例如,用模数铣刀铣齿,理论上要求加工不同
模数、齿数的齿轮,就应该用不同模数、齿数
的铣刀。生产中为了减少模数铣刀的数量,每
一种模数只设计制造有限几把(例如 8把,15
把,26把)模数铣刀,用以加工同一模数各种
不同齿数的齿轮。当所加工齿轮的齿数与所选
模数铣刀刀刃所对应的齿数不同时,就会产生
齿形误差。此种误差就是原理误差。
机械加工中,采用近似的成形运动或近
似的刀刃形状进行加工,虽然会由此产生一
定的原理误差,但却可以简化机床结构和减
少刀具数,只要加工误差能够控制在允许的
制造公差范围内,就可采用近似加工方法。
2.调整误差
在机械加工过程中,有许多调整工作要
做,例如,调整夹具在机床上的位置,调整
刀具相对于工件的位置等。
调整误差,由于调整不可能绝对准确,
由此产生的误差,称为调整误差 。引起调整
误差的因素很多,例如调整时所用刻度盘、
样板或样件等的制造误差,测量用的仪表、
量具本身的误差等。
3.测量误差
测量误差,是工件的测量尺寸与实际尺
寸的差值 。加工一般精度的零件时,测量误差
可占工序尺寸公差的 1/ 5~ 1/10;加工精密零
件时,测量误差可占工序尺寸公差的 1/ 3左右。
产生测量误差的原因主要有,量具量仪本
身的制造误差及磨损,测量过程中环境温度的
影响,测量者的测量读数误差,测量者施力不
当引起量具量仪的变形等。
七、提高加工精度的途径
1.减小和消除原始误差
减小和消除原始误差是提高加工精度的
主要途径。
这表明,采用图 b所示刀架安装形式转移误差,可以显著
降低转塔刀架的转位误差对加工精度的影响。
图 4-29 立轴转塔车床刀架转位误差的转移
2.转移原始误差
3.均分原始误差
加工中如果有因上一道工序的加工误差
过大,由于误差复映等原因,使得本工序不
能保证工序加工要求时,可以采用误差分组
的办法,将上工序加工的工件按实测尺寸分
为 n组,使每组工件的误差分散范围缩小为
原来的 1/ n,然后按组调整刀具与工件的相
对位置,就可以显著减小上工序加工误差对
本工序加工精度的影响。
例如:在精加工齿轮齿圈时,为保证加
工后齿圈与内孔的同轴度要求,应尽量减小
齿轮内孔与心轴的配合间隙;为此可将齿轮
内孔尺寸分为 n组,然后配置相应的 n根不同
直径的心轴,一根心轴相应加工一组孔径的
齿轮,这样做,可显著提高齿圈与内空的同
轴度。
4.误差补偿
误差补偿技术在机械制造中的应用十分
广泛。 图 4- 30是车精密丝杠时所用的一套螺
距误差补偿装置。车床主轴每转一转,光电
码盘发出 1024或 2048个脉冲;光栅式位移传
感器测量刀架纵向位移量信号经 A/ D转换同
步输人计算机,经数据处理实时求取螺距误
差数据后,再由计算机发出螺距误差补偿控
制信号,驱动 if电陶瓷微位移刀架(它装在溜
板刀架上)作螺距误差补偿运动。

实测结果表明,采取误差补偿措施后,
单个螺距误差可减少 89%,累积螺距误差可
减少 99%,误差补偿效果显著。
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