工艺系统制造误差及磨损分析

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：工艺系统中的各组成部分，包括机床、刀具、夹具的制造误差、安装误差、使用中的磨损都直接影响工件的加工精度。这里着重分析对工件加工精度影响较大的主轴回转运动误差、导轨导向误差和传动链传动误差和刀具、夹具的制造误差及磨损等。静压轴承由于是纯液体摩擦，摩擦系数为0.000 5，因此，摩擦阻力较小，可以均化主轴颈与轴瓦的制造误差，具有很高的回转精度。

工艺系统中的各组成部分，包括机床、刀具、夹具的制造误差、安装误差、使用中的磨损都直接影响工件的加工精度。这里着重分析对工件加工精度影响较大的主轴回转运动误差、导轨导向误差和传动链传动误差和刀具、夹具的制造误差及磨损等。

1.主轴回转运动误差

（1）主轴回转精度的概念。在理想状态下，主轴回转时，回转轴线在空间的位置应是稳定不变的，但是，由于主轴、轴承、箱体的制造和装配误差以及受静力、动力作用引起的变形、温升热变形等，主轴回转轴线瞬时都在变化（漂移），通常以各瞬时回转轴线的平均位置作为平均轴线来代替理想轴线。主轴回转精度是指主轴的实际回转轴线与平均回转轴线相符合的程度，它们的差异就称为主轴回转运动误差。主轴回转运动误差可分解为三种形式：轴向窜动、纯径向跳动和纯角度摆动，如图6-1所示。

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图6-1　主轴回转的运动误差

（a）径向跳动误差；（b）轴向窜动误差；（c）角度摆动误差

（2）影响主轴回转精度的主要因素。实践和理论分析表明，影响主轴回转精度的主要因素有轴的误差、轴承的误差、床头箱体主轴孔的误差以及与轴承配合零件的误差等。当采用滑动轴承时，影响主轴回转精度的因素有主轴颈和轴瓦内孔的圆度误差以及轴颈和轴瓦内孔的配合精度。对于车床类机床，轴瓦内孔的圆度误差对加工误差影响很小，因为切削力方向不变，回转的主轴轴颈总是与轴瓦内孔的某固定部分接触，如图6-2（a）所示，因而轴瓦内孔的圆度误差对主轴回转运动误差的影响几乎为零。

对于镗床类机床，因为切削力方向是变化的，轴瓦的内孔总是与主轴颈的某一固定部分接触。因而，轴瓦内孔的圆度误差对主轴回转精度影响较大，主轴轴颈的圆度误差对主轴回转精度影响较小，如图6-2（b）所示。

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图6-2　滑动轴承对主轴回转精度的影响

（a）车床类机床；（b）镗床类机床

采用滚动轴承的主轴部件影响主轴回转精度的因素很多，如轴承内圈与主轴颈的配合精度，轴承外圈与床头箱体孔的配合精度，外圈、内圈滚道的圆度误差，内圈孔与滚道的同轴度，以及滚动体的形状精度和尺寸精度等。床头箱体的轴承孔不圆，使外圈滚道变形；主轴轴颈不圆，使轴承内圈滚道变形，这些都会产生主轴回转误差。主轴前后轴颈之间、床头箱体的前后轴承孔之间存在同轴度误差，会使滚动轴承内外圈相对倾斜、主轴产生径向跳动和端面跳动。此外，主轴上的定位轴套、锁紧螺母端面的跳动等也会降低主轴的回转精度。

（3）主轴回转运动误差对加工精度的影响。考查原始误差对加工误差的影响要分析误差的敏感方向和非敏感方向。在误差的敏感方向，原始误差对加工误差影响最大，而在误差的非敏感方向，原始误差对加工误差的影响最小。如图6-3所示，设主轴瞬时回转中心与刀尖位置沿法向和切向都产生了偏移，从零件表面形状的形成过程看，回转误差沿刀具与工件接触点法线方向的分量ΔY [如图6-3（b）所示]对精度影响最大，而切向分量ΔZ [如图6-3（a）所示]对精度影响最小。切向分量所产生的半径误差可由公式（R+ΔR）2=ΔZ2+R2求出。整理公式并省去ΔR2 （高价微小量）项，得ΔR=。此值很小，完全可以忽略不计。因此，一般称法线方向为误差敏感方向，切线方向为非敏感方向。分析主轴回转误差对加工精度影响应着重分析误差敏感方向的影响。

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图6-3　主轴回转误差对加工精度的影响

①主轴纯径向跳动误差对加工精度的影响。主轴回转误差对加工精度的影响随加工方法而异。如图6-4所示，在镗床上镗孔时，设主轴的纯径向跳动的轨迹是一个方程为X=acosθ，Y=bsinθ 的椭圆1。如果镗孔半径为R，则实际孔的形状和尺寸应是镗刀刃尖的运动轨迹，即图6-4中的封闭曲线2。由于存在主轴回转误差（纯径向跳动），镗刀刃尖的瞬时位置Mθ的半径为

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图6-4　镗孔时纯径向跳动对孔的圆度的影响

X=Rcosθ+XM=Rcosθ+acosθ=(R+a)cosθ

同样

Y=(R+b)sinθ

经进一步整理得

由此可知，镗出的孔为一长轴是R+b，短轴是R+a 的椭圆2。

车削时，主轴的纯径向跳动对工件的圆度影响较小。以图6-5所示车外圆为例，当工件回转中心在M 点时，刀尖与工件的回转中心的距离为

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图6-5　车削时纯径向跳动对圆度的影响

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讨论上式：

当θ=0°时，R′=R-a；

当θ=180°时，R′=R-a；

当θ=90°时，R′=；

当θ=270°时，R′=。

上式说明，纯径向跳动对工件圆度有较小的影响。

②主轴轴向窜动误差对加工精度的影响。主轴的纯轴向窜动对内、外圈加工没有影响，但所加工的端面却与内外圆中心线不垂直，所加工的螺纹产生螺距的小周期误差。

③纯角度摆动误差对加工精度的影响。主轴的纯角度摆动对加工精度的影响也因加工方法而异。车外圆时会产生圆柱度误差（锥体），镗孔时孔将成为椭圆形。

（4）提高主轴回转精度的措施。

①提高主轴及主轴箱体的制造精度。主轴回转精度只有20%决定于轴承精度，而80%取决于主轴及其箱体的精度和装配质量。

②高速主轴部件要进行动平衡，以消除激振力。

③滚动轴承采取预紧措施。轴向施加适当的预加载荷（为径向载荷的20%～30%），消除轴承间隙，使滚动体产生微量弹性变形，可提高刚度、回转精度和使用寿命。

④采用多油楔动压轴承（限于高速主轴）。

⑤采用静压轴承。静压轴承由于是纯液体摩擦，摩擦系数为0.000 5，因此，摩擦阻力较小，可以均化主轴颈与轴瓦的制造误差，具有很高的回转精度。

⑥采用固定顶尖结构。如果磨床前顶尖固定，不随主轴回转，则工件圆度只和一对顶尖及工件顶尖孔的精度有关，而与主轴回转精度关系很小，主轴回转只起传递动力从而带动工件的作用。

2.导轨的导向误差

导轨在机床中起导向和承载作用。它既是确定机床某些主要部件相对位置的基准，也是运动的基准。导轨的各项误差直接影响工件的加工质量。

（1）水平面内导轨直线度的影响。由于车床的误差敏感方向在水平面（图6-6中Y 方向），所以这项误差对加工精度影响极大，导轨误差为Δy，使刀尖在水平面内产生位移Δy，造成工件在半径方向上的误差Δd=2Δy，使工件产生圆柱度误差（鞍形或鼓形）。

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图6-6　车床导轨在水平面内直线度引起的误差

（2）垂直面内导轨直线度的影响。对车床来讲，垂直面内（图6-7中Z 方向）不是误差的敏感方向，但也会产生直径方向误差。刀尖产生Δz 的位移，造成工件在半径方向上产生误差ΔR=（Δz）22R。

（3）两导轨平行度误差（扭曲）对加工精度的影响。如图6-8所示，车床的三角形导轨与平导轨之间有扭曲，造成两导轨高度差δ，使刀架倾斜，工件半径方向产生误差Δy，由图可知：

Δy：δ=H：B

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图6-7　车床导轨在垂直面内直线度引起的误差

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图6-8　车床导轨平行度误差

即Δy=。

车床类导轨跨距：

B=(1.2～2.0)H

所以Δy=δ/（1.2～2.0）=（0.5～0.8）δ。

如果δ=0.1 mm，则Δy=0.05～0.08 mm。可见两条导轨不平行对加工精度的影响大于垂直面内导轨的直线度的影响，使工件产生形状误差（锥度）。

3.传动链传动误差

切削过程中，工件表面的成形运动是通过一系列的内联系传动机构来实现的。传动机构的传动元件有齿轮、丝杠、螺母、蜗轮及蜗杆等。这些传动元件由于其加工、装配和使用过程中磨损而产生误差，这些误差就构成了传动链的传动误差。传动机构越多，传动路线越长，则传动误差越大。为了减小这一误差，除了提高传动机构的制造精度和安装精度外，还可采取缩短传动路线或附加校正装置的方法。

4.刀具、夹具的制造误差及磨损

一般刀具（如车刀、镗刀及铣刀等）的制造误差对加工精度没有直接的影响。

定尺寸刀具（如钻头、铰刀、拉刀及槽铣刀等）的尺寸误差，直接影响被加工零件的尺寸精度。同时，刀具的工作条件，如机床主轴的跳动或因刀具安装不当引起的径向或端面跳动等，都会使加工面的尺寸扩大。

成形刀（成形车刀、成形铣刀及早齿轮滚刀等）的误差，主要影响被加工面的形状精度。

夹具的制造误差一般指定位元件、导向元件及夹具等零件的加工和装配误差，这些误差对被加工零件的精度影响较大。所以在设计和制造夹具时，凡影响零件加工精度的尺寸都控制较严。

刀具的磨损会直接影响刀具相对被加工表面的位置，造成被加工零件的尺寸误差；夹具的磨损会引起工件的定位误差。所以在加工过程中，上述两种磨损均应引起足够的重视。

工艺系统制造误差及磨损分析

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