工艺系统的几何误差

2.3　工艺系统的几何误差

工艺系统的几何误差包括：机床、夹具、刀具的制造、安装和磨损所引起的误差、调整误差和工件的定位误差等。

2.3.1机床的误差

机床误差包括机床本身的制造误差、安装误差和磨损所引起的几何误差等。对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。

1）主轴回转误差

机床主轴是以其轴颈与主轴箱的前后轴承相配合而保持其空间回转轴线，因此使主轴产生回转误差的主要因素为主轴的精度、轴承的精度、主轴箱箱体和有关部分的精度。主轴的回转误差可以分为纯径向跳动、纯角度摆动和纯轴向窜动三种基本形式。

（1）主轴的精度

主轴与轴承相配合的轴颈如果圆度不好，当采用滚动轴承结构时，由于滚动轴承内环是一个薄壁零件，必然会使内环滚道发生变形，因而使主轴产生回转误差。

若主轴前后轴颈之间的同轴度误差较大，或主轴本身刚性较差，都会使轴承内外环滚道相对倾斜，从而引起主轴径向和轴向跳动。

（2）轴承的精度

机床所用的轴承有滑动轴承和滚动轴承两种类型。

在用滑动轴承结构中，主轴是以轴颈在轴承孔内旋转。对于工件回转的机床（如车床），主轴的受力方向是一定的，切削时受切削力的作用使主轴轴颈被压向轴承孔壁。因此主轴轴颈的圆度误差将传递给工件，而轴承孔的误差对加工精度的影响较小。对于刀具回转的机床（如镗床），作用在主轴上的切削力随镗刀旋转而旋转，因此轴承孔的误差将传递给工件，而轴颈的圆度误差影响不大，如图2.2所示。

图2.2　轴颈与轴承孔圆度误差引起的径向跳动

（a）车床类机床　（b）镗床类机床

在用滚动轴承的结构中，轴承内外环滚道的圆度误差对工件的影响与滑动轴承的情况相似，即对于工件回转类的机床，主要是轴承内环的外滚道圆度误差的影响；而对于刀具回转类机床，主要是轴承外环的内滚道圆度误差的影响。但因轴承的内外环均为薄壁件，滚道在载荷的作用下产生弹性变形会部分补偿某些误差，对工件的影响要比滑动轴承小。

滚动轴承滚动体的尺寸误差和圆度误差，也会产生主轴回转误差。当直径较大的滚动体进入承载区时，若承载区在轴承左侧，则主轴轴线会右移；当直径较小的滚动体进入承载区时，主轴轴线会左移，从而使主轴产生回转误差。由于轴承保持架的转速约是内环转速的一半，所以因滚动体尺寸误差而产生的主轴回转误差运动的频率约为主轴转速的一半，即具有双转跳动的特点。

滚动轴承的间隙对主轴回转精度有很大影响，如图2.3所示。除了使主轴在外力作用下产生静位移外，还会使主轴轴线产生复杂的周期运动。若承载区中心为K，与K相邻的两滚动体存在的间隙为Δ。当某一滚动体正处在承载区中心K时，主轴轴线处于极右位置；当滚动体向下滚动时，主轴轴线开始向左上方，继而向左下方移动；当两滚动体的中间位置正好处在中心K时，主轴轴线处于极左位置，直至下一个滚动体处于承载区中心时，主轴轴线又处于极右位置。这样便造成主轴回转轴线的跳动和漂移，直接影响机床的加工精度，因此在机床装配时，对主轴的滚动轴承常采取预加载荷的方法来消除其间隙。

图2.3　轴承间隙对主轴轴线位置的影响

滚动轴承滚道的端面跳动和推力轴承的端面跳动都会使主轴轴线产生轴向窜动。

（3）主轴箱箱体和有关部分的精度

主轴箱箱体的前后轴承孔与轴承外圈的配合精度，前后轴承孔之间的同轴度误差，压紧滚动轴承的螺母、轴承内外隔圈和垫圈等零件的轴线与端面的垂直度误差、端面与端面间的平行度误差等，都会使滚动轴承内外环相对倾斜，从而使主轴产生径向和轴向跳动。

由上述分析可知，主轴的回转精度对加工精度的影响十分显著。为了提高主轴的回转精度，在滑动轴承方面，采用静压轴承、动静压轴承等结构。在滚动轴承方面，除了选用高精度的轴承，提高与轴承配合件（主轴轴颈、箱体上的轴承孔）的加工精度之外，对轴承装配工艺的改进，如对轴承进行选配，使误差能相互抵消、补偿；对角接触轴承采取预加负荷方法，来消除轴承的间隙和提高轴承的刚度等，都是行之有效的措施。

另外，使机床的回转误差不反映到工件上去，这是一种更为积极的措施，如外圆磨床磨外圆时工件用死顶尖支承，头架主轴和顶尖不转动，只起定心作用。又如高精度外圆磨床的头架主轴与滑动轴承采用圆锥配合，可提高主轴的回转精度，并用刻度盘调整其配合间隙，当将刻度盘转到“0”位时，能完全消除主轴与轴承的间隙，提高主轴的支承刚性，以达到高精度磨削的要求。

（4）主轴回转精度的测量

常用测量主轴回转精度的方法是：将一根精密测量棒装入主轴锥孔中，在其圆周表面两处和端部用千分表测量，如图2.4所示。测量端部时，需在中心孔处用润滑脂粘结一钢珠，用平头千分表进行测量。这种方法简单方便，但不能反映主轴在工作转速下的回转精度；也不能把性质不同的误差区分出来。如测量主轴的径向跳动时，既包含主轴回转轴线的跳动，又含有主轴锥孔相对回转轴线的同轴度误差所引起的径向跳动。

图2.4　主轴回转精度的测量

图2.5　镗床主轴回转精度的测量

为了能真实地反映主轴工作状态下回转精度，可采用图2.5（a）所示的测量方法。这种测量方法用于刀具回转型机床主轴回转精度的测量（如镗床）。在机床主轴上固定一调整盘5，在盘上粘结一个精密的测量球3，将测量球的中心调整到和主轴的回转轴线有一微小的偏心量e。在测量球的相互垂直位置处安装两个位移传感器1和2，传感器和测量球之间保持一定的间隙。当主轴旋转时，由于主轴轴心线的漂移引起测量间隙产生微小变化，两个传感器就发出信号，经放大后分别输入到示波器4的水平和垂直的偏置板上。假如测量球绝对圆，主轴也没有回转误差，示波器的荧光屏上将显示出一个以测量球偏心e（经过放大后的值）为半径的真圆。如果主轴存在回转误差，则传感器输出的信号中，将这误差叠加到测量球所作的圆周运动上。这时荧光屏上的光点将描绘出一个相当于回转刀具加工出来的孔的李沙育图形，如图2.5（b）所示。它是由主轴每转回转误差曲线叠加而成，包容该图形半径差为最小的两个同心圆的半径差ΔRmin，即为主轴轴线的漂移量，它影响工件的圆度。图形轮廓线宽度B表示随机径向漂移，它影响工件的表面粗糙度。

2）导轨误差

导轨是机床中确定各主要部件相对位置的基准和运动基准，它的误差将直接影响被加工零件的精度。机床直线运动的导轨误差有：在水平面内的直线度误差、在垂直面内的直线度误差和两导轨的平行度。下面以磨床导轨误差为例，说明导轨误差对加工精度的影响。

（1）导轨在水平面内的直线度误差

图2.6　导轨在水平面内的直线度误差

这种误差只产生于V形导轨，而对于平导轨就不会产生。图2.6为磨削外圆时，V形导轨在水平面内的直线度误差，使工件在x方向产生位移Δ，引起工件在半径方向的误差ΔR。当磨削长工件时，刚性较差的工作台贴合在床身导轨上作往复运动，其运动轨迹受导轨直线度误差的影响，产生工件的圆柱度误差。在平面磨床上磨削工件平面时，这项误差对工件的加工精度没有影响。

（2）导轨在垂直平面内的直线误差

这种误差在V形导轨和平导轨上都会产生，图2.7为磨削外圆时，V形导轨在垂直面内的直线度误差，引起工件相对砂轮的切向位移h，使工件在半径方向产生的误差ΔR≈h²／2r，这对工件的加工精度影响极小。但对于平面磨床、龙门刨床和铣床等，这项误差会引起工件相对砂轮（或刀具）的法向位移，直接影响工件的加工精度。

图2.7　导轨在垂直面内的直线度误差

（3）两导轨的平行度误差

这种误差会使工作台移动时产生倾斜（图2.8），对工件的尺寸精度影响不大，主要造成形状误差。

图2.8　两导轨的平行度误差

3）传动链误差

当加工螺纹、齿轮、蜗杆、蜗轮等零件时，要求刀具和工件间具有精确的传动比，这种传动比是由机床的传动链来保证的。若传动链存在误差，将会直接影响到工件的加工精度。

传动链误差是由于传动链中传动元件的制造误差和装配误差引起的，使用过程中的磨损，也会引起传动链误差。

为了减少传动链误差对加工精度的影响，可采取下列措施：

（1）尽可能减少传动元件，缩短传动链；

（2）提高各传动元件，特别是末端元件的制造和装配精度；

（3）传动元件间存在的间隙，同样会产生传动链误差，因此要消除传动间隙；

（4）采用误差校正机构来提高传动精度。

2.3.2　刀具和夹具的误差

1）刀具误差

刀具误差对加工精度的影响，随刀具的种类不同而异。

（1）定尺寸刀具（如钻头、铰刀、拉刀和键槽铣刀等）加工时，刀具的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度。刀具的安装误差会使加工面的尺寸增大。

（2）展成法刀具（如滚齿刀、插齿刀等）加工时，刀具的制造误差和安装误差，也会直接影响工件的加工精度。

（3）成形刀具（如成形车刀、成形铣刀等）加工时，刀具的形状精度会直接影响工件的加工精度。

（4）单刃刀具（如车刀、刨刀、单刃镗刀等）对加工精度没有直接影响。

刀具的磨损会影响刀具与工件被加工表面的相对位置，直接造成工件的尺寸误差和形状误差。

2）夹具误差

夹具误差主要指定位元件、导向元件和夹具体等零件的加工和装配误差，这些误差对工件的加工精度影响较大。

夹具的磨损主要是定位元件和导向元件的磨损，它们都会增大加工误差。

为了减少夹具误差所造成的加工误差，夹具的制造误差必须小于工件的公差，一般常取工件公差的1／3～1／2。对于容易磨损的定位元件和导向元件，除应采用耐磨性好的材料制造外，还应采用可拆卸结构，以便磨损到一定程度时可以及时更换。