钳工技师《钳工工艺》教案

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第一章复杂工件的划线第一节划线基准及其选择一、划线概述（一）划线的概念根据图样或实物的尺寸，在工件表面上（毛坯表面或已加工表面）划出零件的加工界线的操作称为划线。（二）划线的作用1．使零件在加工时有一个明确的界线。2．可以检验毛坯的几何形状和尺寸。3．便于复杂工件在机床上的安装、找正和定位。（三）划线的分类1．平面划线：在工件的一个表面上划线，即能明确反映出加工界线的划线。（图1）2．立体划线：在工件几个不同表面（通常时互相垂直，反映工件三个方向尺寸的表面）上都划线才能反映出加工界线的划线。（图2）二．划线基准（一）划线基准的概念基准：用以确定其它点、线、面的那些点、线、面。它是确定其它点、线、面位置的依据。划线基准：划线时，零件上用来确定其它点、线、面的那些点、线、面。（二）划线基准的类型1．以两个相互垂直的平面（或直线）为基准。（图3）2．以一个平面（或直线）和一条中心线为基准。（图4）3．以两条相互垂直的中心线为基准。（图5）（三）划线基准的的确定划线基准的确定应遵循以下几点要求：1.根据划线的类型确定基准的数量，在保证划线正常进行的情况下尽量减少基准的数量。2.划线时，所选划线基准应尽量与设计基准相一致（重合），以减少由于基准不符而产生的基准不重合误差，同时也能方便划线尺寸的确定。3.在光坯上划线时，应以已加工表面为划线基准。72 4.确定划线基准时，还应考虑工件安置的合理性。当工件的设计基准面不利于零件的放置时，为了保证划线的安全顺利进行，一般可选择较大的和平直的面作为划线基准。5.划线基准的确定在保证划线质量的同时，还要考虑划线效率的提高。三、划线实例分析1．平面划线（图6）2．立体划线（图7）四、分度头划线1.分度头的结构（图8）2.分度头的传动原理3.简单分度法4.分度盘的应用第二节复杂工件的划线一、畸形工件的划线1.阿基米德螺线的划线阿基米德螺旋线又称等速螺线。当圆盘凸轮以阿基米德螺旋线作轮廓线时，从动件运动规律为等速运动规律。阿基米德螺旋线有三种划线方法：逐点划线法、圆弧划线法和分段作圆弧法。逐点划线法的划线精度最高，但费工费时；圆弧划线法划线精度最低，但划线效率高；分段作圆弧法的划线精度与效率介于前两者之间。下面是阿基米德螺旋线的三种划法（图9）。（1）逐点划线法如图9a所示，先自点O作线段OA、OB，使其∠AOB的值等于已知的起止角度值。再以OA为半径作圆弧，交OB于A’点，A’B即为阿基米德螺旋线的升程。将∠AOB分成若干等分(图中为9等分)，然后将A’B也分成同样的等分。现以O为圆心，自A’点起对各等分点上作同心圆弧，分别与对应的等角分线相交得一系列交点，最后用曲线板光滑连接各点，即得阿基米德螺旋线。（2）圆弧划线法这是一种近似划线法，一般用来划精度要求不高的阿基米德螺旋线。其划线方法如图9b所示，先划起止角∠AOB，以O为圆心，0A为半径划圆弧交OB于A’点，得升程A’B，等分A’B得到中点C。作∠AOB的角平分线，以0为圆心，0C为半径划圆弧交角平分线于C’点，连接AC’、C’B,再分别作AC’和C’B的垂直平分线相交于0’，现以0’为圆心，O’A为半径划圆弧，则过A、C’、B三点的一段圆弧，即为近似的阿基米德螺旋线。72 （3）分段作圆弧法这是一种将逐点划线法和圆弧划线法结合起来的划线方法。如图9c所示，先以已知线段OA、OB作∠AOB等于已知起止角。以0为圆心，OA为半径划圆弧交0B于A’，得螺线的升程A’B。将∠AOB分为若干等分(图中为4等分)，将A’B亦分成相同的等分(图中也为4等分)，在OB线上，以0为圆心，从A’点起在各等分点上逐点作同心圆弧，分别与相应的角等分线相交，得到A、C、D、E各点。连接AC、CD、DE及EB，分别作它们的垂直平分线Ll、L2、L3、L4，得L1、L2的交点Ol，L2、L3的交点O2，L3、L4的交点O3。以Ol为圆心，以OlA为半径，划圆弧交L2线上的F点，以02为圆心，O2F为半径划圆弧交L3于G点，以O3为圆心，O3G为半径划圆弧至B点，即得近似的阿基米德螺旋线。2.以阿基米德螺线作盘形凸轮廓线的划线P4：例1（图10）3.畸形工件的划线畸形工件划线的工艺要点：（1）划线的尺寸基准应与设计基准一致，否则会增加划线的尺寸误差和尺寸几何计算的复杂性，影响划线质量和效率。（2）工件的安置基面应与设计基面一致，同时考虑到畸形工件的特点，划线时经常要借助于某些夹具或辅助工具来进行校正。（3）正确借料。由于畸形工件的形状奇特、不规则，划线时更需要重视借料这一环节。（4）合理选择支承点。划线时，畸形工件的重心位置一般很难确定，即使工件重心或工件与专用划线夹具的组合重心落在支承面内，也经常需要加上相应的辅助支承，以确保安全。二、大型工件的划线1.大型工件划线的工艺要点由于大型工件的体积大、质量大，划线时吊装、调整不易，为了保证划线质量、效率及安全因素，在划线过程中必须注意以下几点（P12-P13）：（1）正确选择尺寸基准（2）合理选定第一划线位置（3）正确选择工件安置基面（4）正确借料（5）合理选择支承点2.划线平板拼接（图11、图12、图13）72 第二章高精度测量仪器及其应用第一节常用精密测量仪器的基本原理一、合像水平仪合像水平仪是用来测量工件在水平位置或垂直位置上微小角度的角值量仪。一般常用来校正基准件的安装水平度，也可以用来测量各种机床或各类设备的导轨、基准平面的直线度误差和平面度误差以及垂直度误差等。①合像水平仪的结构和工作原理（图1）②合像水平仪的刻度值调节旋钮3下面的刻度盘沿圆周有100等分小格，每小格示值（刻度值）为0.01mm/1000mm,称为合像水平仪的示值精度。指针观视器1内也有刻线，每格刻度值为1mm/1000mm（或0.5mm/1000mm）③测量举例与普通水平仪比较，合像水平仪测量精度高；因合像水平仪水准器管比普通水平仪的曲率半径小，气泡达到稳定的时间短，测量效率高；示值范围大。但使用时需要注意：温度对气泡的影响较大，如果直接对准气泡呼吸或用灯照射，会使气泡长度发生变化，降低测量精度。二、自准直光学量仪1.光学自准直原理由几何光学可知：当光线通过凸透镜，①与主轴平行的光线，折射后通过焦点F；②通过焦点F的光线，折射后与主轴平行；③通过光心的光线经过凸透镜后方向不变。（图2）（1）光学自准直原理（图3）（2）结论：如果焦平面上物体完全对称，而且平面反射镜与物镜光轴垂直，那么物体在焦平面上的成像就会与物体完全重合；如果平面反射镜与物镜光轴不垂直，物体在焦平面上的成像就会与物体自身产生偏移。因此，将平面反射镜作为目标，反射镜置于被测物体的平面上，通过测量物镜焦平面上成像的偏移量就可以测量被测物体平面与基准平面的误差。2.自准直仪①自准直仪的工作原理（图4）72 ②自准直仪的用途：测量直线度、平面度、垂直度等误差。③国产自准直仪42J、JZC的主要技术参数3.光学平直仪①光学平直仪的工作原理（图5）②光学平直仪的精度（刻度值）③光学平直仪的用途：测量直线度、平面度、垂直度及角度误差（配标准角度块）。④光学平直仪测量导轨直线度误差的示意图（图6）4.测微准直望远镜（图7）5.经纬仪（图8）三、激光干涉仪首先介绍一点激光的基本知识。由物理学可知，原子在没有外界影响下，处在高能级的电子会自发地向低能级跃迁而发光，如白炽灯、日光灯等普通光源的发光，它们的发光过程称为自发辐射。自发辐射所发出的光是彼此独立的，光的频率、振动方向、相位都不一定相同，所以这些光源发出的光不是相干光。当原子处于高能级的电子在外来光子的激发下，由高能级向低能级跃迁而发光，这种发光过程叫做受激辐射。在受激辐射中，通过一个光子的作用，得到了两个特征完全相同的光子。如果这着两个光子再引起其它原子受激辐射，就得到更多的特征相同的光子。这样，在一个入射光子的作用下，可以引起大量原子产生受激辐射，从而产生大量特征相同的光子，这种现象叫做光放大。可见，在受激辐射中，各原子发出的光是互相联系的，它的频率、相位、振动方向和传播方向都相同。因此，由受激辐射得到的光是相干光。激光就是受激辐射得到的高能量的相干光。激光的产生需要一个光学谐振腔，或称为激光发生器。如氦氖激光器、CO2激光器、红宝石激光器等。1.激光的特性：（1）方向性好如果让一根氦氖激光管发光，就可以看到一条细而亮、笔直前进、很少发散的激光束，它几乎是一束平行光。激光束在几千米之外的扩散直径不到几厘米。（2）单色性好激光的颜色很纯，即单色性很好。单色性好就意味着带宽很窄，波长稳定。利用激光单色性好的特性，可把激光的波长作为长度标准用于精密测量。（3）能量集中72 激光器发出的激光，由于方向性好，几乎是一束平行光，通过透镜后，可以会聚在一个很小的范围内，产生几千度至几万度的高温，足以熔化甚至汽化各种金属及非金属材料。（4）相干性好所谓相干性好是指沿光波传播方向上，对一个观察点来说，在时间间隔Δt内，光源中由同一辐射元发出的光波之间的相位能保持恒定。利用这一特性，可制成激光干涉仪。它比普通干涉仪的检测速度快、精度更高。2.激光干涉仪的测量原理。先了解一下波的干涉（图9）。把两块外形、大小、质量相同的石头同时扔进平静的水池中，当这两块石头碰到水面，产生两个波动中心，发出形状和大小完全一致的波。这两束波不断扩大，形成越来越大的波圈，最后相互叠加。在它们的重叠部分，发生了波的增强或减弱——波的干涉。干涉仪是以光的干涉现象为基础的。波长（频率）相同、相位相关的两束光发生干涉（相交叠）时，光的强度也会出现增强或减弱的现象。单频激光干涉仪的测量原理采用了干涉计数法。即将同一激光器发出的激光光波经分光镜分成两束频率相同的参考光波和测量光波。这两束相干光波分别被固定的参考镜和工作台上的测量镜反射（图10）。两束光波在分光面重新会合而产生干涉。测量镜随工作台没移动一个半波长，干涉场的信号变化一个周期（即光强的明暗交替一次），相应的被测长度对应于一定的信号变化次数，通过光敏元件转化为电信号，由电路处理，从而求得相应的被测长度值。当光波接收装置相对光源作相对运动时，单位时间内接收装置所接收的光波数（即频率f）与光源实际发出的光波数量（即频率f0）随着光源与光波接收装置之间的相对速度v的不同而改变。这种现象称为光波的多普勒效应。如图10所示，激光束被分光镜分成两路后，一路从固定不动的参考镜返回，频率f0未改变；另一路从可动的测量镜返回。当测量镜以速度v移动时，由于多普勒效应，光波接收装置收到由测量镜返回的光的频率发生了变化，为f=f0+Δf。当两种频率的信号叠加后，发生“拍”的闪光现象（即光波干涉）。测量镜移动的距离可以由光波干涉的次数（即光强亮暗变化的次数）乘以该激光的半波长λ/2求得。双频激光干涉仪以两种频率的激光束的干涉进行测量，能避免零点漂移，有较强的抗干扰能力，测量速度和可测距离都大大超过单频加工干涉仪，其测量长度可达60m。四、三坐标测量机三坐标测量机是一种高效率的精密测量仪器，它主要应用于空间复杂曲面的几何尺寸、形状和相互位置的测量。如果配上辅助工具或辅助装置，还可以划线、定中心孔、钻孔、72 铣削模型和样板、刻制光栅及线纹尺、光刻集成线路板等，并可对连续曲面进行扫描，经计算机处理后显示出该曲面的立体图形。第二节机械装配维修中的精度测量一、直线度误差测量1.直线度直线度是用以限制被测实际直线对理想直线变动量的一项指标，用以控制平面内或空间直线的形状误差。根据零件的功能要求，直线度可分为在给定平面内、在给定方向和在任意方向上三种情况。①在给定平面内的直线度标注和公差带（图11）②在给定方向上的直线度标注和公差带（例三棱柱的棱边）③在任意方向上的直线度标注和公差带（例轴线）2.直线度误差的评定根据国标规定，直线度误差应按最小条件评定。在满足零件使用要求的条件下，也允许采用近似的评定方法。最小条件：在确定理想形状的位置时，应使理想形状与实际表面相接触，并使二者之间的最大距离为最小。（图12）3.直线度误差的测量方法1）直接测量法：用刀口尺、平尺、平板等模拟理想直线（即基准），直接测量被测素线。对于大型零件直线度误差的测量，可采用实物基准法、光线基准法等。（图13）2）间接测量法：用普通水平仪、合像水平仪或光学平直仪，并借助垫块（桥板）分段测量被测素线，将分段测出的被测线段的斜率变化，用误差处理方法换算成直线度误差。这种用垫块（桥板）分段测量的方法又称为跨距法。（图14）下面介绍使用间接测量法时的误差处理方法。例：用刻度值为0.01mm/1000mm的合像水平仪，测量长度L=1200mm导轨的直线度误差，测量分段长l=200mm，测得量读数值依次为：+3、+6、-3、-1、-3、+4格，该导轨的直线度误差为多少？间接测量法（跨距法）测量直线度误差的常用误差处理方法有两种：（1）图解法72 图解法的求解步骤是：先绘出直线度误差曲线图，然后进行误差计算。其中，误差计算又有两种方法。（图15）①两端点连线法：以误差曲线的两端点连线作为理想直线，误差曲线对该理想直线的最大变动量即为被测线的直线度误差。直线度误差的计算公式：△=nil式中△——直线度误差值（mm）；n——误差曲线中的最大误差格数；i——水平仪的精度；l——每测量段长度（mm）②最小包容区域法（符合最小条件的评定方法）：作两条平行包容线与实际误差曲线形成高、低、高或低、高、低相间的三点接触，此时，两平行包容线间沿纵坐标方向的距离即为被测线的直线度误差。（2）计算法计算法的实质是将各段读数的坐标位置进行变换，使两端点连线最终与横坐标轴重合（或平行）。此时，导轨直线度误差就等于其中最大纵坐标与最小纵坐标的代数差的绝对值。计算步骤：1）计算出各段读数代数和的平均值。2）求出相对值：每一测量位置上的相对值，等于该位置的读数与平均值的代数差。3）求出累计值：每一测量位置的累计值，等于该位置的相对值与该位置前所有相对值的代数和。4）用直线度误差计算公式计算误差值。二、平面度误差测量1.平面度平面度是限制实际平面对其理想平面变动量的一项指标，用以控制实际平面的形状误差。平面度的标注和公差带见图16。2.平面度误差的评定根据国标规定，平面度误差应按最小条件评定。在满足零件使用要求的条件下，也允许采用近似的评定方法。①平面度误差的评定：用两平行平面包容实际平面，两平行平面之间的最小距离（符合最小条件）即为该实际平面的平面度误差。72 ②理想平面的确定平面度误差评定的关键是如何找到由实际平面确定的、符合最小条件的理想平面。该理想平面的确定可依据以下三个评定准则：（1）三角形准则：被测表面上有三个等值最低点（或等值最高点）及一个最高点（最低点）分别与两平行包容平面相接触，且最高点（或最低点）能投影到三个等值最低点（或最高点）之间或在其边上，则该两包容平面之间的距离为该被测表面的平面度误差。（图17）（2）交叉准则：被测表面上有两个等值最高点和两个等值最低点分别和两个平行包容平面相接触，且两等值最高点或等值最低点投影于两等值最低点或最高点连线的两侧，则该量包容平面之间的距离为该被测表面的平面度误差。（图18）（3）直线准则：被测表面上的同一截面内有两个等值最高点及一个最低点（或相反），分别和两个平行的包容平面相接触，则该量包容平面之间的距离为该被测表面的平面度误差。（图19）3.平面度误差的测量方法（1）直接测量法①用平晶模拟理想平面，利用光的干涉条纹测量平面度误差（图20）；②用标准平板研点，再用百分表或千分表测量凹点最大深度即为平面度误差。以上两种方法符合最小条件，测量结果精确，用于小尺寸、精密零件的检测。工厂中常用另两种测量方法：①三远点法：通过被测表面相距最远且不在一条直线上的三个点，建立一个基准面（用百分表或千分表调平），各测点对此平面的偏差中最大值与最小值之差，即为该被测表面的平面度误差。（图21）②对角线法：将被测表面对角线上的最远点分别调平，各测点中的最大值与最小值之差，即为该被测表面的平面度误差。（图22）以上两种方法中，对角线法的测量精度高于三远点法，但两者均不符合最小条件，仅适用于精度要求不太高的零件检测。（2）间接测量法间接测量法一般采用普通水平仪、合像水平仪、光学平直仪等仪器进行分段测量，其方法与直线度误差测量方法相同。间接测量法分水平面法和对角线法。对角线法的测点数据的采集一般按米字形布置（图23），使用的桥板72 根据被测线长度选用不同的长度。若被测表面为长方形时，需要三个不同长度的桥板；若被测表面为正方形时，需要两个不同长度的桥板。数据采后，平面度误差的评定需要进行数据处理。数据处理方法有截面固定法和逼近法。截面固定法比较繁琐，而逼近法相对简单。逼近法：在平面度误差检测数据中，通过坐标平移建立基面，再进行基面旋转，使处理后的数值符合平面度误差评定准则。逼近法的数据处理步骤：1）建立上（下）包容面将基面平移至被测平面的最高（或最低）点，使该点的平面度偏差为零（即建立零平面），并求出各测点相对于新基面（零平面）的相对值。2）基面旋转选择适当的旋转轴和旋转量，对基面进行旋转，直至最大平面度误差数值符合最小条件为止（即符合三个判别准则之一）。例1（图24）例2（图25）三、垂直度误差测量1.垂直度的分类①平面对平面；②平面对轴线；③轴线对平面；④轴（直）线对轴（直）线。2.垂直度误差的测量方法1）直接测量法：光隙法、测微仪法、方箱法。此法适用于中、小零件的测量。2）间接测量法：用框式水平仪、光学平直仪分段测量。此法适用于大型零件的测量。（图26）四、分度误差测量分度误差测量实例（图27）72 第三章机械振动和零部件的平衡第一节机械振动一、振动的基本特性旋转机械主要是指输出旋转运动的机械或机械中的重要部件以较高的转速做旋转运动的机械。如发动机、汽轮机、离心式压缩机、水泵、通风机以及发电机等。旋转机械中作旋转运动的部件称为转子。对于旋转机械来说，由于受力不能达到绝对平衡，只要转子一开始转动，就不可避免地要产生振动。振动会使机械工作性能降低或使机械无法工作；会加速零部件的疲劳损伤，降低使用寿命；会产生噪声而危害人身健康；严重的振动甚至会使机械遭受破坏，造成严重事故。但是，只要能找到产生振动的原因，采取适当的措施，把振动量控制在一定范围内，就能够确保机械的正常、安全工作。由于转子结构型式多种多样，为方便理论分析，一般将转子的力学模型简化为一圆盘装在一根没有质量的弹性转轴上，转轴两端由不变形（即刚性）的轴承及轴承座支承。这个转子的简化力学模型称为刚性支承转子。（图1）由理论分析可知，刚性支承转子在旋转时，会因离心力的干扰作用而产生振动，并表现出两个基本特性：1.转子涡动由于转子轴是弹性轴，转子的转动可分解为两种运动：一种是转子绕自身轴线的转动（即自转运动）；另一种是弓形转动（即转子绕轴承连线的运动）。当轴承和油膜的刚度各向同性时，圆盘中心O’的轨迹是一个圆；当轴承和油膜的刚性非各向同性时，O’的轨迹为一个椭圆，或是更复杂的运动轨迹（图2）。因此，我们把转子中心O’所作的这种圆运动、或椭圆运动以及更复杂的运动称为“涡动”或“进动”。转子的涡动方向与转子的转动角频率ω同向时，称为正进动；与转动角频率ω反向时，称为反进动。2.转子的临界转速①临界转速：在某些旋转机械的开机或停机过程中，当经过某一转速（数值上非常接近于转子横向自由振动的固有频率）附近时，会出现剧烈振动。这个与转子固有频率相对应的转速，称为转子的临界转速。转子的质量越大、刚度越低时，其临界转速越低，反之则越高。②一阶、二阶、多阶临界转速：与转子的一阶、二阶┅┅72 等一系列固有频率相对应的转子的临界转速称为一阶、二阶、多阶临界转速。其中一阶临界转速是最低的一个，在旋转机械中遇到的机会最多，而二阶及更高阶数的临界转速，只有在少数情况下才会遇到。③刚性轴与柔性轴刚性轴：如果机器的工作转速小于一阶临界转速，则该转轴称为刚性轴。柔性轴：如果机器的工作转速高于一阶临界转速，则该转轴称为柔性轴。④转子避免剧烈振动的条件转子避免产生剧烈振动的条件是：转子的工作转速不应等于或接近于转子的临界转速。对于柔性轴，一般都要求做到1.4n1＜n＜0.7n2对于刚性轴，一般要求做到n＜(0.55–0.8)n1式中n——工作转速（r/min）；n1——一阶临界转速（r/min）；n2——二阶临界转速（r/min）虽然按上述要求选择柔性轴的工作转速可避免正常工作时的剧烈振动，但在开机或停机的过程中，转子转速总要经过临界转速，而此时仍会产生较大的振动，但时间短暂，不致对机器造成损伤。二、旋转机械振动标准1.相对振动标准相对振动标准是以设备正常情况下的特定部位的振动值为原始值，在设备运行中进行定期检测，根据实测值与原始值的比值是否超过标准来判断设备的运行状态。相对振动标准一般应用在不适用于现有绝对振动标准的设备的故障诊断中。标准值的确定根据频率的不同分为低频（小于1000Hz）和高频（大于1000Hz）两段。表3-1“日本工业界推荐相对标准”。2.绝对振动标准（1）旋转机械振动通用标准旋转机械振动的通用标准用振动烈度来评定。振动烈度是振动速度的有效值。当转子轴心轨迹为圆周状态时，振动速度为：V=rω=Aω/2式中V——振动速度（mm/s）r——轴心轨迹圆周半径，即振动位移的单幅值（mm）72 A——振动双幅值（mm）ω——旋转时轴心的角速度（1/s），ω=2πf=2πn/60=πn/30振动速度的有效值为：Vrms=V/式中Vrms——振动速度有效值，即振动烈度（mm/s）振动烈度与振动位移双幅值之间的关系：Vrms=V/=Aω/2①大型旋转机械的振动烈度现场测量与评价标准：表3-2②一般机械振动标准：表3-3（2）旋转机械特定机种专用标准旋转机械特定机种主要指离心鼓风机、压缩机、蒸汽涡轮机、燃气涡轮机、汽轮发电机组、水轮机和水轮发电机组以及电动机和泵等。这些特定机种的振动标准除电动机和泵仍采用振动烈度表示外，其余的大多采用轴承或转轴振动位移双幅值表示（附表）。三、振动测量要比较精确地测量旋转机械的振动，需要采用振动测量仪器。测点位置一般选在轴承或转轴上。若有寻找振动原因，有时需要选择某些特殊的位置进行测量，例如测量基座或基础的振动、管道的振动等。1.常用测振仪器（1）位移型涡流式轴振动仪（2）速度型传感器振动仪（3）加速度型传感器振动仪2.正确选择检测仪器3.正确选择测点的位置（图3）4.正确安装固定传感器5.测试信号数据整理第二节旋转零部件的平衡一、旋转零部件不平衡的原因①零件材料内部组织密度不均②零件毛坯缺陷72 ③零件加工和装配的误差④旋转零部件非对称几何形状和结构由于上述原因，致使转子的质量中心（重心）与旋转中心发生偏移，在高速旋转时，将产生很大的离心力，转子失去运动平衡，从而产生振动。例1离心力的计算较大的离心力将通过轴承或轴作用到机械及其基础上，引起剧烈振动，产生噪声，加速轴和轴承磨损，降低机械的工作精度，缩短机械的工作寿命，严重时，会造成破坏性事故。因此，工程中常需要对高转速转子进行平衡。二、转子不平衡的形式转子上有不平衡量是客观存在的。由这些不平衡量所产生的离心力因其大小、方向和作用点位置不同，可能出现以下三种不平衡情况：①静不平衡图4a，轴上两轮的不平衡量在同一轴向剖面内的同侧，转子的重心C偏离轴线。只有当转子的重心在铅垂线下方时，作用在重心上的重力F才能通过轴线，对轴线之矩为零，此时，转子才能静止不动。而旋转时，离心力的合力Fe通过转子的重心C并与轴线垂直，使轴线产生向偏重方向弯曲，并使转子发生振动。这种不平衡称为静不平衡。②动不平衡（偶不平衡）图4b，轴上两轮的不平衡量在同一轴向剖面内的相反方位上，转子重心C在轴线上，作用于重心上的重力F在任何位置都通过轴线，即转子在任何位置都能保持静止不动。而旋转时，作用于轴上两轮的离心力Fe1、Fe2却形成对转子的偏转力矩，使转子轴线倾斜，从而使转子产生振动。这种不平衡称为动不平衡（或偶不平衡）。③动静不平衡图4c，轴上两轮的不平衡量不在同一轴向剖面内，转子的重心C偏离轴线，致使转子静不平衡。而旋转时，两轮离心力在轴向剖面B的两个分力构成了偏转力矩，会使转子产生动不平衡。因此，这种不平衡既包含静不平衡，又包含动不平衡，故称为动静不平衡。动静不平衡是最一般和最普遍的情况。三、平衡的方法对旋转零件或部件作消除不平衡的工作叫做平衡。要使一个不平衡的转子成为平衡的转子，就需要重新调整转子上旋转零件的质量的分布，以消除静不平衡和偶不平衡这两种情况，这就是平衡的实质。平衡分为静平衡和动平衡两种。静平衡是使转子轴线通过转子72 的重心，消除由于质量偏心引起的离心力；而动平衡除了要求达到力的平衡外，还要求校正由于力偶的作用而使转子轴线所产生的倾斜。对于刚性转子，当转速n＜1800r/min和长径比L/D＜0.5或者转速n＜900r/min时，只需要作静平衡；而当n＞900r/min和长径比L/D＞0.5，或者转速n＞1800r/min时，则必须进行动平衡。对于柔性转子，都必须要进行动平衡。1.平衡工艺（1）校正面校正面是指在平衡试验时，在回转体上所选择的、用于调整或消除偏心质量的平面。校正面一般应垂直于旋转轴线。对于刚性转子的静平衡，一般只需要一个校正面即可。此校正面应为重心C所在的平面或相距很近的平面，反之，则应选择两个校正面。对于刚性转子的动平衡，必须选择两个校正面。对柔性转子的动平衡，一般应根据工作转速超过其临界转速的阶数，选择三个以上的校正面。（2）校正方法不论是刚性转子，还是柔性转子，不论是静平衡，还是动平衡，校正方法均可划分为加重、去重或调整校正质量这三类方法。1）加重P70-712）去重P713）调整校正质量P71（图5）2.刚性回转体的静平衡刚性回转体的静平衡一般是在静平衡架或静平衡试验机上进行。1）静平衡原理2）静平衡方法：首先通过静平衡试验确定静不平衡量的大小和方向，然后用加重、去重或调整校正质量的校正方法消除该静不平衡量。（图6）比较精确的静不平衡量的确定一般采用时间平衡法。该方法原理较复杂，这里不作介绍。3.刚性回转体的动平衡动平衡的方法有两种：平衡机法和现场平衡法。（1）平衡机法72 ①平衡机法的优点②动平衡机的类型1）框架式平衡机的工作原理①框架式平衡机的结构简图（图7）②框架式平衡机的工作原理对于刚性回转体零件的动不平衡，可以认为是由分别处于两任选平面Ⅰ和Ⅱ内，回转半径分别为r1和r2的两个不平衡重量G1和G2所产生的。换句话说，对于刚性回转体零件的动不平衡，可以根据回转体零件的结构特点，选择两个校正面，用该两个校正面的偏重等效代替实际分布的偏重。因此，进行动平衡时，只需针对两个校正面的偏重G1、G2进行平衡就可以达到目的。由图可知，平面Ⅰ的不平衡离心力G1对框架振摆轴线O的力矩为零，不影响框架的振动，而平面Ⅱ的不平衡离心力G2的作用，会使框架绕轴线O摆动。当产生共振时，出现最大振幅，用指针7把最大振幅记录在记录纸上，经测定和计算后，可确定平面Ⅱ的不平衡量的大小和方向。然后，在平面Ⅱ上加上平衡配重，便可抵消平面Ⅱ上的不平衡力。平面Ⅱ的不平衡消除后，将转子反装，用同样方法可消除平面Ⅰ的不平衡力。2）电子动平衡机的工作原理（图8）（2）现场平衡法在现场平衡中，需要直接测出转子的振动情况作为平衡操作的原始依据。如果转子装在滚动轴承中，则可以在机壳上测量振动；如果转子装在滑动轴承中，为了避开油膜的影响，可采用非接触式的位移传感器直接测转子轴的振动。①现场平衡法原理（图9）②现场平衡过程的三个步骤四、平衡精度平衡精度是指转子从原来的不平衡状态，经过平衡调整后所达到的平衡优良程度。由于转子经过调整平衡后是达不到绝对平衡的，总存在一些剩余不平衡量，因此，平衡精度就是指允许剩余不平衡量的大小。因机器的结构特点、使用要求和工作条件的不同，故其平衡精度要求也不同。所以实际做法是，只能在保证经济运转的前提下，规定某一机器的合理平衡精度。平衡精度一般有两种表示方法：1.剩余不平衡力矩MM=TR=We72 式中T——剩余不平衡量（g）R——剩余不平衡量所在的半径（mm）W——回转体质量（kg）e——回转体重心偏心距（μm）2．偏心速度ve因回转体的重心偏离回转中心，故偏心速度就是指回转体重心的振动速度，即为ve=eω/1000（mm/s）式中e——偏心距（μm）ω——回转体角速度，单位1/s.（注;ω=πn/30，n为转速，单位为r/min）3．平衡精度国际标准化组织推荐，以重心C点旋转时的线速度eω为平衡精度等级，记为平衡精度等级G，单位为mm/s，并以G的大小作为精度标记。精度等级之间的公比为2.5，共分为G4000、G1600、┅┅、G0.4共十一级。平衡精度等级G与角速度ω和偏心距e之间的关系为：G=eω/1000若已知转子转速ω（ω=πn/30），并根据机器的结构特点、使用要求和工作条件选择了平衡精度G，则由上式可计算出平衡时的许可偏心距eper:eper=1000G/ω例2平衡精度校核例3许可偏心距和剩余不平衡力矩计算72 第四章编制工艺规程第一节工艺过程的概述工艺过程是将原材料转变成为成品的全过程，它包括生产准备工作、毛坯制造、机械加工、热处理、部件和产品的装配、检验、试车、油漆和包装等。一、机械加工工艺过程用机械加工方法改变毛坯的形状、尺寸、相对位置和材料性能，使之变为成品的过程，称为机械加工工艺过程。机械加工工艺过程由一系列工序组成。所谓工序，是指一个或一组工人，在一个工作地（如一台机床或一个钳工位置），对一个（或同时对几个）工件所连续完成的那一部分工艺过程。工序是工艺过程的基本组成部分，也是安排生产计划的基本单元。工序还可细分为若干个安装、工位、工步或进给等。二、装配工艺过程按规定的技术要求，将零件或部件进行配合、加工和联接，使之成为半成品或成品的过程，称为装配工艺过程。装配工艺过程由一系列装配工序组成，但从大的方面来看，它由四个部分组成：①装配前的准备工作；②装配工作；③调整、检验和试车；④喷漆、包装。三、工艺规程将合理的工艺过程的各项内容编写成指导生产的工艺文件，这种工艺文件称为工艺规程。工艺规程应包含工艺路线、各工序的工作与要求、工时定额、加工或装配设备、工具及工装、材料消耗等内容。工艺规程的作用：（1）工艺规程是指导生产的主要技术文件。合理的工艺规程既可保证产品质量，又能创造较好的经济效益。（2）工艺规程是生产准备和管理工作的基本依据。如原材料、半成品的采购；刀具、工装的制造和采购；毛坯的制造；劳动力的组织；生产计划的安排；生产成本的核算等，都是以工艺规程作为基本依据。四、生产纲领企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划，称为生产纲领。产品（或零件）的生产纲领是指每年所需制造的产品（或零件）的数量。根据生产纲领的大小不同，产品（或零件）的生产可分为三种类型：72 （1）单件生产单件生产的基本特征是生产的产品品种繁多，每种产品仅制造一个或几个，而且很少再重复生产。（2）成批生产成批生产的基本特征是生产产品的品种不多，每种产品均有一定数量，各种产品分期分批轮番生产。（3）大量生产大量生产的基本特征是成批的品种少，产量大，大多数工作都是长期、重复进行。生产纲领是编制工艺规程和组织生产的重要依据。第二节机械加工工艺规程编制中的几个重要问题一、毛坯的选择在制订工艺规程时，正确地选择毛坯有着重大的技术经济意义。1.毛坯的种类2.毛坯种类的选择二、基准的确定确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面称为基准。1.设计基准在零件图上用以确定其他点、线、面位置的基准称为设计基准。（图1）2.工艺基准零件在加工、检验、装配工艺过程中所采用的基准称为工艺基准。按用途分，工艺基准可分为定位基准、测量基准、装配基准和工序基准。（1）定位基准用来确定工件在机床上或夹具中的位置所使用的具体表面称为定位基准。（图2）定位基准又可细分为粗基准和精基准。在第一道工序中只能使用毛坯表面定位，这种定位基准称为粗基准。在以后各工序加工中，采用已加工表面作为定位基准，这种基准称为精基准。1）粗基准的选择原则：①余量均匀原则对于具有较多加工表面的工件，选择粗基准时应保证各加工表面都有足够的加工余量，特别是对某些主要表面，应尽可能使加工余量分布均匀。②保证加工面位置正确的原则若工件必须首先保证加工表面与不加工表面的位置要求，则应选不加工面为粗基准，以达到壁厚均匀、外形对称的要求。若有几个不加工面，则粗基准应选位置精度较高者。72 ③表面平整光洁、定位可靠原则④一次性使用原则2）精基准的选择原则：①基准重合原则尽量选用设计基准作为定位基准，即定位基准与设计基准重合，可避免基准不重合引起的定位误差。②基准统一原则对于多工序加工，各工序尽可能统一定位基准，有利于保证各表面间的相互位置要求，避免基准转换带来误差。③自为基准原则有些零件的精加工工序，要求余量小而均匀，可用加工表面本身作为精基准，称为自为基准原则。如导轨磨床上磨削床身导轨，安装床身时，用百分表找正工件导轨面本身，然后进行磨削。（图3）④互为基准原则当工件上的A、B两个加工表面相互位置要求较高时，可以用A面为精基准加工B面，再以B面为精基准加工A面，这样反复进行，可不断定位基准的精度，从而提高加工面A、B之间的位置精度。（2）测量基准测量时所选用的作为起始的点、线、面称为测量基准。（图4）（3）工序基准在工序图上用来确定本工序被加工表面位置所采用的基准称为工序基准。（图5）（4）装配基准装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准称为装配基准。三、表面加工方法的选择1）表面加工方法的选择要考虑以下因素：①零件的形状、尺寸、精度、材质及热处理②生产类型③本厂加工条件2）外圆、内孔、平面的加工方案表4-5、表4-6、表4-7四、加工顺序的安排1.划分加工阶段零件的加工质量要求较高时，往往不可能在一个工序内完成全部加工工作，必须把整个加工过程划分为几个阶段：1）粗加工阶段2）半精加工阶段3）精加工阶段72 4）光整加工阶段划分加工阶段的主要目的：1）保证加工质量2）合理使用设备3）便于安排热处理4）及早发现毛坯缺陷2.工序的集中与分散1）工序集中的主要特点2）工序分散的主要特点3.加工顺序的安排在安排加工顺序时，有几个原则需要考虑：1）先基面后其他2）先粗后精3）先主后次4）先面后孔4.热处理工序安排1)预备热处理2）最终热处理3）消除内应力处理4）调质处理五、工艺尺寸链及其应用1.尺寸链的定义和特征①引出（图6）②定义由按一定顺序相互连接、互相关联的尺寸所形成的封闭的尺寸组合，称为尺寸链。③尺寸链的特征：1）封闭性：尺寸链中各尺寸应构成封闭形式，并且按照一定顺序首尾相接。2）相关性：尺寸链中任何一个尺寸的变化将直接影响其他尺寸的变化。④尺寸链的分类2.尺寸链的组成1）环：组成尺寸链的每一个尺寸。72 2）封闭环：是在零件加工过程或装配过程中最终形成的环（间接获得的尺寸）。一个尺寸链只有一个封闭环。3）组成环：除封闭环之外的其他环。①增环：凡是该环的变动（增大或减小）引起封闭环作同向变化（增大或减小）的环称为增环。②减环：凡是该环的变动（增大或减小）引起封闭环作反向变化（减小或增大）的环称为减环。3.尺寸链分析1）确定封闭环2）画尺寸链图画尺寸链图的步骤：①找出该尺寸链中的封闭环。②从封闭环任意一端开始，按零件上各表面间的尺寸联系，大致按比例依次绘出有关直接获得的尺寸作为组成环，直到尺寸的终端回到封闭环的始端，形成一个封闭的尺寸链图形为止。3）判定增、减环（图7）4.工艺尺寸链计算的基本公式（1）封闭环的基本公式封闭环的基本尺寸等于所有增环的基本尺寸之和减去所有减环的基本尺寸之和。（2）封闭环的极限尺寸封闭环的最大极限尺寸等于所有增环的最大极限尺寸之和减去所有减环的最小极限尺寸之和。封闭环的最小极限尺寸等于所有增环的最小极限尺寸之和减去所有减环的最大极限尺寸之和。（3）封闭环的上、下偏差封闭环的上偏差等于所有增环的上偏差之和减去所有减环的下偏差之和。封闭环的下偏差等于所有增环的下偏差之和减去所有减环的上偏差之和。（4）封闭环的公差封闭环的公差等于各组成环公差之和。5.工艺尺寸链的应用（1）定位基准和设计基准不重合的尺寸换算72 例1P106（图8）（2）测量基准和设计基准不重合的尺寸换算例2补充（图9）（3）多工序尺寸换算例3P107（图10）第三节装配工艺规程的编制一、编制装配工艺规程的过程1.编制装配工艺规程所需的原始资料装配工艺规程是规定产品装配工艺过程和操作方法等的工艺文件。它既是产品装配工作的指导性文件，也是产品生产计划及技术准备的主要依据。装配工艺规程必须依照产品的特点、要求、工厂的设备和产品的生产类型等具体情况来编制。因此，编制装配工艺规程时，需要下列原始资料。（1）产品的总装配图、部件装配图以及主要零件的工作图（2）零件明细表（3）产品验收技术条件（4）产品的生产类型2.装配工艺规程的内容装配工艺规程必须具备下列内容：1）规定所有零件和部件的装配顺序。2）对所有的装配单元和零件规定出既能保证装配精度，又能保证生产率和经济性要求的装配方法。3）划分工序，决定工序内容。4）决定必须的工人技术等级和工时定额。5）选择完成装配工作所必需的装配用设备和工艺装备。6）确定验收方法和装配技术条件。3.制定指定装配工艺规程的步骤（1）分析装配图（2）决定装配的组织形式（3）确定装配顺序72 （4）划分工序（应考虑两点）（5）选择工艺装备（6）确定检查方法（7）确定工人技术等级和工时定额（8）编写工艺文件装配工艺规程的格式没有统一的国家或行业标准，但各机械制造厂都有自己的格式和卡片，其格式和内容可参考表4-10.二、保证装配精度的方法机器的装配精度主要包括四项精度：相对运动精度、相互位置精度、配合精度和接触精度。装配精度的高低直接影响到机器的工作性能和使用寿命。因为机器是由零件组装而成的，零件的制造精度对装配精度有直接影响。但是，零件的制造精度要受到加工技术、加工效率和加工成本的限制，不可能都做得很高，因此，要想提高装配精度，在一定程度上必须依赖于装配工艺技术和方法。保证装配精度的工艺方法有：互换装配法、选配装配法、修配装配法和调整装配法四大类。1.互换装配法零件按图纸规定的精度和技术要求加工，装配时，各配合零件不经任何修理、选择或调整即可达到规定的装配精度要求的方法，称为互换装配法。互换装配法的优、缺点：①优点P124②缺点：当装配精度要求很高时，零件的制造成本会成倍增加。互换装配法适合于大量生产中，组成零件数目较少，装配精度不太高的场合。2.选配装配法将零件的制造公差放大到经济可行的程度，然后选择合适的零件进行装配，以保证装配精度的方法，称为选配装配法。选配装配法可分为两种：（1）直接选配法（2）分组装配法分组装配法的优、缺点：①优点P124②缺点P12572 分组装配法常用于成批或大量生产中，装配精度较高，配合件的组成数很少、又不便于采用调整装置的场合。如柴油机的活塞与缸套、活塞与活塞销；滚动轴承的内外圈及滚子等。3.调整装配法零件按经济精度加工，装配时，用改变某些零件的位置或加入一个适当尺寸的调整件，以消除因零件扩大公差而增大的累积误差，从而达到装配精度要求的方法，称为调整装配法。其中，前者称为动调整法，后者称为固定调整法。调整装配法的优、缺点：①优点P125②缺点：增加了调整环节，使装配结构变复杂，接触刚度降低；装配效率降低。4.修配装配法零件按经济精度加工，装配时，修去某配合件上的预留余量，以消除其累积误差，从而达到装配精度要求的方法，称为修配装配法。修配装配法的优、缺点：①优点P125②缺点P125修配装配法适用于单件小批生产中，装配精度要求高而组成件较多的场合。四、装配尺寸链及其应用在机器装配中可以看到，某一装配精度的获得，与其中一些组成零件的尺寸存在关联关系。如图11a中的装配间隙A0的大小，与孔和轴的直径A1、A2直接相关；图11b中的齿轮端面与箱体孔端面的间隙B0的大小，与箱体孔两端面尺寸B1、齿轮宽度B2和垫圈厚度B3直接相关；图11c中，机床溜板和导轨之间的配合间隙C0的大小，与尺寸C1、C2、C3的大小有关。如果把这些影响某一装配精度的有关尺寸依次连接起来，就能构成一个封闭的尺寸组合，该尺寸组合称为装配尺寸链。装配尺寸链揭示了装配精度与各有关尺寸之间的关系，是控制和保证装配精度的重要依据。1.装配尺寸链的建立装配尺寸链可在装配图找出。为了分析方便，通常需绘出装配尺寸链图。在绘制装配尺寸链图时，不需绘出该装配部分的具体结构，只需大致按一定比例依次绘出各有关尺寸，最终自然排列形成具有封闭形状的尺寸链简图。因此，装配尺寸链图的画法与工艺尺寸链图基本相同，不同之处在于，装配尺寸链中的每一个组成环均为一个独立零件上的尺寸，即不允许一个独立零件上出现两个或两个以上的环。72 在装配尺寸链中，由于装配精度往往是由有关组成零件装配后间接获得的，故装配精度即为封闭环。装配尺寸链中组成环的增环和减环的判别方法与工艺尺寸链相同。例1．画装配尺寸链图（图12）2.装配尺寸链的计算方法装配尺寸链的常用计算主要有方法：极值法和概率法。极值法适用于单件、小批生产，概率法适用于大批大量生产。下面只介绍极值法的应用。用极值法解装配尺寸链的计算公式与工艺尺寸链的极值法计算公式相同。3.装配尺寸链的解法装配工作的任务就是保证机器在装配后能达到规定的技术要求。从尺寸链的角度看，解尺寸链就是计算或校核封闭环尺寸，看它是否与装配精度要求相符。解装配尺寸链的方法与装配方法是相对应的，有以下几种：（1）完全互换法例1P130(图13)例2补充（图14）（2）分组装配法①分组装配法原理(图15)②应用举例例3P133（图16）（3）修配装配法①修配装配法原理②应用举例例4P134-135（图17）（4）调整装配法①可动调整法法（图18）②固定调整法（图19）72 第五章机械加工精度与误差分析第一节加工精度与加工误差一、加工精度与加工误差的概念机器都是由许多相互关联的零件装配而成的，机器质量的好坏与零件质量密切相关。因此，要提高机器质量，必须首先提高零件质量。零件质量的好坏主要取决于零件材料的性能和加工质量，其中，加工精度就是零件加工质量的一项重要指标。所谓加工精度，是指零件在加工以后几何参数（尺寸、形状和相互位置）的实际值与理想值的符合程度。符合程度越高，精度越高。然而，任何加工方法都不可能把零件加工得绝对精确。由此，又引出了一个与加工精度相对应的概念，即加工误差。所谓加工误差，是指零件在加工以后几何参数的实际值与理想值的偏离程度。偏离程度越大，误差越大。零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度三项。这三者之间存在着一定的联系。比如一对孔轴配合，孔的几何参数完全合格，而轴的直径合格，但轴线弯曲严重（即存在较大的形状误差），因此，这根轴将无法装入孔内。这说明轴的直线度误差影响了轴的直径，使实际作用尺寸变大。又如，两个平行平面之间的距离尺寸就与两个平行平面的平行度误差有关。由此，人们总结出了一套处理三者关系的办法：一般情况下，零件的形状精度应高于尺寸精度，而相互位置精度在大多数情况下也应高于相应的尺寸精度。二、产生加工误差的因素零件经切削加工后，总是存在着各种加工误差。这些加工误差的产生，从本质上说，是由于工件与刀具在切削运动中的相互位置发生变化（即偏离了正确位置）而引起的。使工件与刀具的相互位置发生改变的影响因素很多，这就要从工艺系统这样一个大范围内来研究。所谓工艺系统，是指由机床、夹具、刀具和工件构成的一个完整的系统。在这个系统内，刀具和工件安装在机床和夹具上，它们要受到机床和夹具的约束，因此，机床、夹具、刀具和工件是密切相连的。通常，我们把工艺系统各部分因位置变化而引起的误差称为原始误差。原始误差是造成零件加工误差的根源。原始误差包括：原理误差、安装误差、机床误差、夹具误差、刀具误差、测量误差、受力变形误差、热变形误差、内应力变形误差、调整误差等。原始误差不是在任何情况下都会同时出现的，并且在不同情况下，它们对加工精度72 的影响程度也是不同的。因此，在分析生产中存在的精度问题时，一定要分清主次，抓住重点。原始误差按误差性质可归纳为四个主要方面：1.工艺系统的几何误差2.工艺系统受力变形所引起的误差3.工艺系统受热变形所引起的误差4.工件内应力所引起的误差。第二节引起加工误差的几种因素一、工艺系统的几何误差工艺系统的几何误差是指机床、夹具、刀具的制造、安装、磨损所产生的误差以及工件毛坯和半成品所存在的误差等。这些误差在不同的加工条件下会不同地反映到工件上去。1.加工原理误差加工原理误差是指由于采用近似的刀具轮廓或近似的加工运动方式或近似的成形运动加工工件而产生的加工误差。（1）采用近似刀具轮廓造成的误差例如中小模数齿轮的成形法铣齿，一般采用标准的盘状模数铣刀加工。由齿轮基圆半径公式rb=zmcosα/2可知，当m一定时，rb随z的变化而变化；而rb不同，渐开线的形状也不同。因此，从理论上说，同一模数不同齿数的齿轮应有相应的模数铣刀，才能保证齿形吻合。为了减少刀具数量，一种刀号的铣刀允许加工几种齿数的齿轮，其中加工与铣刀刃形设计齿数不符的齿轮时，刀具的刀刃轮廓就属近似轮廓，从而在加工原理上产生误差。（2）采用近似加工运动造成的误差例如用数控车床车削工件的锥面。对于数控车床的刀架，它的纵向运动和横向运动分别由两台伺服电动机驱动。其运动轨迹是按插补法走的，不是走的笔直的斜线，属于近似加工运动，从而在加工原理上产生误差。（3）近似传动比成形运动造成的误差例如用普通车床车削蜗杆。蜗杆的轴向齿距px=πm，车床挂轮的齿数是自然数，搭不出一个无理数π，只能按π的近似值选配挂轮，属于近似传动比成形运动，从而在加工原理上产生误差。72 2.机床、夹具、刀具的制造误差（1）机床的几何误差机床的几何误差主要来自于机床本身的制造、安装以及机床磨损三个方面。其中，尤其以机床本身的制造误差影响最大。一般说来，决定与衡量一台机床的制造精度的主要项目是：主轴回转误差、导轨误差及传动链误差。1）主轴回转误差机床主轴是决定工件或刀具的位置的重要部件，它的误差直接影响工件的加工精度。对于主轴的精度要求，最主要的是在运转时能保持轴线的位置稳定不变，即保证主轴轴线的回转精度。主轴回转轴线的运动误差主要有三种基本形式：即径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动。（图1）产生主轴径向圆跳动误差的主要原因是主轴轴颈和主轴箱轴承孔不圆，安装时造成轴承内外圈变形，运动时造成主轴轴线的径向跳动。主轴径向圆跳动误差对不同的加工方法，其影响结果是不同的。例如镗床镗孔，主轴径向圆跳动会使镗出的孔呈椭圆形。而对车床车削，则不会带来形状误差，但会造成工件回转面的同轴度误差（即位置误差）。产生主轴窜动误差的主要原因是主轴推力轴承的滚道不平行或向心推力轴承调整间隙过大。主轴轴向窜动误差会使车削后的工件端面出现平面度和垂直度误差；车螺纹时出现螺距误差。产生主轴轴线角度摆动误差的主要原因是主轴箱前后轴承孔不同轴，或前后轴承偏心。主轴轴线角度摆动误差对不同的加工方法，其影响结果也不同。对于圆柱面车削，会产生锥度误差；对镗床镗孔，会出现椭圆误差。2）导轨误差以车床导轨为例，导轨误差分三种情况：①导轨在水平面内的直线度误差（图2）在纵向车削过程中，刀尖的运动轨迹相对于工件轴线不能保持平行，使刀尖在水平面内产生Δy的位移，引起工件半径方向的误差为ΔR，大小与Δy相等，或者说工件直径产生2Δy的尺寸误差。当导轨向后凸，工件产生鞍形误差；当导轨向前凸，工件产生鼓形误差。②导轨在垂直面内的直线度误差（图3）在纵向车削过程中，刀尖会产生垂直面内的位移Δz，使工件半径方法增大ΔR，ΔR≈Δz2/2R。由于Δz很小，Δz272 就更小，因此，导轨在垂直面内的直线度误差对工件直径的尺寸影响可忽略不计。③两导轨在垂直面内的平行度误差（图4）在纵向车削过程中，刀尖（刀架）随导轨的扭转会产生Δy的水平位移，使工件半径产生ΔR=Δy的误差。由图中几何关系得：ΔR=Δy=HΔh/B。式中：H为车床中心高，Δh为前后导轨的高度差，B为导轨宽度。这种误差使工件加工后产生鞍形或鼓形的圆柱度误差。3）传动链误差在车螺纹、滚齿等切削加工中，为了获得正确的成形表面，必须严格要求刀具与工件之间有精确的运动关系。比如车螺纹时，要求工件转一转，刀具正好移动一个导程。又如滚齿加工时，要求滚刀转一转，工件正好转过k/z转。然而，因机床传动链的传动元件的制造误差、安装误差及机械磨损，不可避免地会产生传动链误差。传动链误差是指传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差，一般用传动链末端（输出端）元件的转角误差来衡量。传动链误差会影响成形运动的精度。以滚齿传动链为例（图5），设始端件（滚刀）等速转动，滚刀轴上的齿轮由于制造和装配误差，在某一时刻产生转角误差Δφ始，则由它所引起的传动链末端件（滚齿机工作台心轴及工件产生转角误差Δφ末为：Δφ末=u(1/z蜗)Δφ始=u总Δφ始式中Δφ末——传动链中末端件的转角误差；u——滚刀轴上齿轮到分度蜗杆轴上齿轮之间的传动比；z蜗——分度蜗轮齿数；Δφ始——滚刀轴上齿轮的转角误差；u总——始端件到末端件之间的传动比。由上式可知，当u总＞1（升速运动）时，则始端件的Δφ始传到末端件，误差会扩大；当u总＜1（降速运动）时，则始端件的Δφ始传到末端件，误差会缩小。因此，在机床传动链中，各传动元件都存在转角误差，它们对末端件转角误差的影响大小，取决于该传动元件对末端件的传动比是否大于1.在生产实际中，常采用如下措施来减少传动链误差：①尽可能减少传动链中的元件数目，缩短传动链，以减少误差来源。②提高传动元件的精度，特别是提高末端件的制造和安装精度。③消除齿轮传动间隙。④采用传动误差校正装置。72 （2）刀具、夹具误差及工件定位误差1)刀具误差①刀具制造误差A．定尺寸刀具、成形刀具的制造误差对工件加工精度影响大。B．单刃刀具制造误差对工件加工精度影响小。②刀具磨损（影响大）③刀具安装误差（定尺寸刀具和成形刀具影响大）2）夹具误差工件通过夹具定位，使被加工表面相对于机床和刀具具有正确位置。当夹具存在制造误差、安装误差以及定位、引导元件出现磨损时，会影响工件的正确定位，使工件产生加工误差。如三爪自定心卡盘。3）工件定位误差当工件定位基面存在形状、尺寸误差时，若采用调整法加工，会使工件加工出现基准位移误差。二、工艺系统受力变形所引起的加工误差（一）工艺系统刚度及其对加工精度的影响1.工艺系统刚度的概念由于工艺系统是由各种零、部件按不同的连接方式和运动方式组合而成的，在切削过程中，要受到切削力、夹紧力、传动力、重力和惯性力等的作用，其受力后的变形和位移是非常复杂的。其中，既有弹性变形和塑性变形，又有间隙和磨损引起的位移。这些变形和位移，破坏了已经调整好的刀具与工件之间的相对位置，给工件造成几何形状和尺寸误差。例如车削细长轴时，如不采取任何工艺措施，轴在径向切削力作用下会出现不均匀让刀，即出现弯曲变形，使加工后的轴产生腰鼓形。因此，工艺系统受力变形是影响加工精度的一项重要的误差来源。为了比较工艺系统抵抗变形的能力和分析计算工艺系统受力变形对加工精度的影响，需要建立刚度的概念。刚度的概念是建立在弹性系统基础上的。对于工艺系统来说，其受力变形远大于塑性变形，因此，可近似地认为工艺系统为弹性系统。弹性系统抵抗外力使其变形的能力称为刚度。工艺系统的刚度是以切削力和在该力方向上引起的刀具和工件之间相对变形位移的比值表示的，即k=F/y（N/mm）72 由上式可知，刚度即等于工艺系统产生变形位移量为1mm所需的外力。刚度越大，说明工艺系统抵抗外力使其变形的能力越强。在分析工艺系统刚度时，可认为工艺系统刚度由机床刚度、刀具刚度和工件刚度三部分组成。其中机床刚度包含了夹具刚度，即把夹具视为机床的附加装置。工艺系统刚度与机床、刀具及工件刚度的关系为：kxt=1/（1/kj+1/kd+1/kg）式中，kxt——工艺系统刚度；kj——机床刚度；kd——刀具刚度；kg——工件刚度。2.工件的刚度为了分析方便，通常采用单因素分析法。即讨论工件刚度时，假设机床和刀具的刚度很大，受力后仅考虑工件变形，而机床和刀具的变形忽略不计。下面以车削轴为例：①工件一端夹紧(悬臂梁，图6)：yg=FyL3/(3EI)kg=Fy/yg=3EI/L3式中，yg——工件的挠度；Fy——切削力的径向分力；L——轴的长度；E——工件材料的弹性模量；I——工件的惯性矩。②工件双顶（简支梁，图7）：yg=Fyx(L–x)/(3EIL)kg=Fy/yg=3EIL/〔x(L–x)〕当刀尖在轴的中间（即x=L/2）时，ygmax=FyL3/(48EI)kgmin=48EI/L3讨论：①双顶挠度远小于单夹挠度；②要减小双顶变形，需减小Fy，或采用跟刀架、中心架作辅助支承。3.刀具的刚度72 刀具的刚度随刀具的结构、安装方式和工作条件的不同相差很大。如外圆车刀虽为悬臂梁，但外伸长度小，变形也小，对加工精度的影响小。又如磨孔加工，砂轮轴在磨削时属悬臂梁，因砂轮轴较长，若刚度小，变形大，会使工件孔呈喇叭形（图8）。4.机床的刚度（图9）机床是由许多零、部件组成的，其受力比单个弹性体零件的变形要复杂得多。因此，机床的刚度一般采用试验方法测定。以上简略介绍了工艺系统刚度的概念和工艺系统刚度的组成与确定方法。应当指出，在加工过程中，工艺系统在各种力的作用下，将在各个受力方向上产生相应的位移，从加工精度的观点出发，零件被加工表面在其法线方向相对于刀具的位移，对加工精度的影响最大。5.提高工艺系统刚度的措施（1）提高接触刚度①接触刚度接触刚度是指物体受外力作用时抵抗接触面上变形的能力。由于工艺系统中各组成零件的宏观几何误差和表面粗糙度的存在，使零件之间的连接表面的实际接触面积很小，在外力作用下会产生较大的接触应力，致使表面层形成较大的接触变形，它包含弹性变形和少量的塑性变形，从而降低了接触刚度。②提高接触刚度的措施（2）设计合理的结构（3）设置辅助支承，提高部件刚度（4）采用合理的安装和加工方法。（图10）（二）受力变化对加工精度的影响1.切削力变化对加工精度的影响误差复映规律（图11）2.惯性力变化对加工精度的影响（图12）三、工艺系统热变形所引起的加工误差机械加工过程中，工艺系统在热的作用下将产生热胀变形。由于系统各组成部分的热容量、线膨胀系数、受热和散热条件不尽相同，各部分热胀不均匀，常产生复杂变形，从而破坏了工件与刀具的相对运动和相对位置的准确性，引起加工误差。工艺系统热变形对加工精度的影响程度随加工对象的不同而不同。对于粗加工或小件加工，可忽略不计；对精加工或大件加工的影响就很大。一般情况下，在精密或大件加工中，由热变形引起的加工误差约占总误差的40％-70％。72 1.工艺系统的热源工艺系统的热源可分为两类：内部热源和外部热源。内部热源包括切削热和摩擦热；外部热源是指其它热源，通过传导、对流和辐射传入工艺系统。（1）切削热在切削过程中，刀具与工件切削表面、刀具与切屑之间有强烈摩擦作用，所消耗的能量绝大部分转化为了切削热。切削热传导给工件部分的多少与加工方式有关。外圆车削、平面刨削、铣削等加工传入工件的切削热相对较少；钻孔和卧式镗孔时，因有大量切屑留在孔内，传给工件的热量较高，可以达到50﹪以上；磨削时，传给工件的热量可达80﹪以上，工件磨削区温度可达800-1000℃.由此可见，切削热是引起工艺系统热变形的主要热源。（2）摩擦热摩擦热主要来源于轴承、齿轮副、离合器、导轨副等的运动摩擦以及电动机、液压系统等动力源能量损耗的发热。摩擦热使机床各部分形成温差，带来不均匀热膨胀，破坏了机床原有的几何精度，从而造成工件的加工误差。（3）环境温差和辐射热环境温差主要是指不同时刻的室内温度变化和室内不同位置的温差。如室内一天24小时可能有十几度的温差。又如靠窗安置的机床，床身导轨面可能受到阳光直接照射，床身导轨面与床身底部的温差就很大。辐射热主要是指日光、灯光、加热器等产生的辐射热。环境温差和辐射热对精密加工的影响比较大。2.机床的热变形切削过程中，机床在热源影响下，各部分温度将发生变化，由于热源分布不均匀以及机床结构和工作条件的复杂性，机床热变形的形式是多种多样的，它对加工精度影响的本质是改变了机床主轴、导轨、刀具、工件之间的相对位置。如车床的热变形主要表现为主轴轴线升高和水平偏移（图13）；牛头刨床的热变形主要表现为刀架抬高和倾斜；外圆磨床的热变形主要表现为砂轮架向工件方向靠近。为了减少机床热变形对精密零件加工精度的影响，可采取以下措施：（1）机床热平衡所谓机床热平衡是指机床因摩擦而发出的热量与散失的热量相等。这样可以使热变形趋于稳定，使加工误差易于控制和补偿。要使机床达到热平衡，通常是将机床先开机空转几个小时，热变形稳定后，再进行机加工。（2）建立恒温环境72 为了避免环境温差给加工带来影响，需建立恒温室，使机床在恒温条件下进行加工。3.工件的热变形引起工件热变形的主要热源是切削热。对于精密零件和某些大型零件的加工，还要考虑环境温度变化和辐射热的影响。工件热变形分两种情况：一是均匀受热，如车、镗、磨一些形状简单的轴类、套类、盘类零件时，其热变形主要影响尺寸精度。这种影响比较容易控制和补偿。二是不均匀受热，如刨、铣、磨平面（图14）等，其热变形主要影响形状精度。这种影响难以控制和补偿。另外还需注意：工件在热态下达到规定的尺寸，冷却收缩后尺寸会变化，甚至会超差，必须考虑冷缩影响。减少工件热变形的措施主要有：加工时用切削液进行强制冷却；选择合理的切削用量，减小发热，提高排屑速度；工件在精加工前给出充分的冷却时间；及时刃磨到机场和修整砂轮；细长轴的车削和磨削，应采用弹簧后顶尖，用以补偿热伸长。4.刀具的热变形切削热是刀具热变形的主要热源。虽然传给刀具的热量比例通常较小，但刀具体积较小，热容量小，温升很大。如高速钢车刀粗加工时，刀刃温度可达700-800℃，刀具热伸长量可达0.03-0.05mm。刀具的热变形一般影响工件的尺寸精度。解决刀具热变形的主要措施是施加冷却液进行充分冷却；排屑要顺畅。四、工件内应力所引起的加工误差1.内应力的概念及特点零件在外载荷去除后，其内部仍存在的应力称为残余内应力，简称为内应力。在毛坯制造和工件加工中，由于受热和力的作用，其金属内部的宏观或微观组织发生不均匀的体积变化，使工件产生了内应力。具有内应力的零件，在外观上一般没有什么表现，只有当应力值超过材料的强度极限时，零件才会出现裂纹。但是，内应力使材料内部组织处于不稳定状态，它有恢复到无应力状态的强烈倾向，即使在常温下，内应力也在不断地变化和重新分布，直到全部消失为止。而在内应力重新分布和消失的过程中，零件可能产生变形，使原有的精度逐渐丧失。2.内应力的产生及其影响内应力的产生主要来自于以下三个方面：（1）热应力在铸、锻、焊、热处理等热加工中，由于毛坯各个部分冷却收缩不均匀，从而产生热应力。毛坯结构愈复杂、各部分的壁厚愈不均匀、散热条件相差愈大，则在毛坯内部产生的内应力愈大。（图15）72 （2）塑变应力塑变应力是由于工件在冷态受力较大，局部发生塑性变形而产生的内应力。如冷冲压加工、冷校直、冷挤压等加工中，都会产生塑变应力。（图16）（3）组织应力在切削加工过程中，工件表面层受切削热（特别是磨削热）的作用，使表面层的金相组织发生转变，使工件表面层产生了内应力。3.减少或消除内应力的措施1）用铸、锻、焊等工艺获得毛坯后，以及在工件粗加工后，需安排自然时效、人工时效或振动时效进行去应力处理。2）在机器零件的结构设计中，应尽量减少各部分的壁厚差。3）尽量不采用冷校直。特别是对于精密件，严禁冷校直。4）机加工过程中，设法减少切削力和切削热。第三节提高加工精度的工艺措施在机械加工中，由于工艺系统存在各种原始误差，会不同程度地反映为工件的加工误差。为了提高零件的加工精度，可采用以下方法来控制这些误差的产生或控制这些误差对加工精度的影响。一、直接减少或消除误差法直接减少或消除误差法的实质就是通过采取适当的措施来减少工艺系统的几何误差、提高工艺系统刚度、减少切削热、或使毛坯和工件均匀受热以及消除工件内应力。如高精度零件的精加工应选择高精度的机床；低刚度零件的加工应采用辅助支承来提高系统刚度；精加工中应尽可能使用切削液冷却；毛坯制造后或工件粗加工后应安排热处理去除内应力等。二、补偿或抵消误差法误差补偿法，是指人为地造成一种新的误差去抵消原来工艺系统中的原始误差。误差抵消法是指利用原有的一种误差去抵消另一种误差，尽量使两者等值、反向。这两种方法五本质区别。如摇臂钻床、立式车床。三、误差转移法72 对工艺系统的原始误差，可在一定条件下，使其转移到不影响加工精度的方向或误差的非敏感方向。这样就可以在不减少原始误差的情况下，获得较高的加工精度。如镗孔时若镗床主轴回转精度低，孔的尺寸精度和形状精度用浮动镗刀加工来保证；或孔的尺寸精度和孔系的位置精度由镗模和镗杆的精度来保证，而镗杆与镗床主轴之间采用挠性联接。四、就地加工法在加工和装配中，有些精度问题牵涉到零部件间的相互关系，相当复杂。如果单纯地提高零部件的精度来满足设计要求，有时不仅困难，甚至不可能。就地加工法就是保证零部件相互关系的加工方法。如平面磨床的工作台就是在装配后用自磨自的最终加工方法，来保证工作台平面与磨床主轴的平行度。五、误差分组法在成批生产条件下，对配合精度要求很高的装配，当不可能用提高加工精度的方法来获得时，则可采用误差分组法，也就是用分组选配法进行装配。六、误差平均法对配合精度要求很高的孔、轴以及平面等，常采用相配件对研或互研的方法来达到。这种表面间相对研磨的过程，就是误差相互比较的过程，也称为误差平均法。72 第十章数控机床第一节数控机床的特点和组成一、数控机床的产生与发展过程数控机床是采用了数字控制技术的机械设备（简称NC）。它是通过数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制，实现要求的机械动作，自动完成加工任务。数控机床是典型的技术密集且自动化程度很高的机电一体化加工设备。第一台数控机床是由美国Parsons公司与美国麻省理工学院(MIT)于1952年合作研制成功的，当时是为了加工直升飞机螺旋桨叶片轮廓的检查样板。此后，其他一些国家(如德国、英国、日本、前苏联等)都开展了数控机床的研制开发和生产。1959年，美国克耐·杜列克公司首次成功开发了加工中心（简称MC），这是一种有自动换刀装置和回转工作台的数控机床，可以在一次装夹中对工件的多个平面进行多工序的加工(包括钻孔、锪孔、攻丝、镗削、平面铣削、轮廓铣削等)。20世纪60年代末，出现了直接数控系统DNC,即由一台计算机直接管理和控制一群数控机床。1967年，英国出现了由多台数控机床连接而成的柔性加工系统，这便是最初的柔性制造系统(简称FMS)。20世纪80年代初，出现了以加工中心或车削中心为主体，配备工件自动装卸和监控检验装置的柔性制造单元(简称FMC)。近几年，又出现了以数控机床为基本加工单元的计算机集成制造系统(简称CIMS)，实现了生产决策、产品设计及制造、经营等过程的计算机集成管理和控制。随着微电子技术、计算机技术的发展，数控系统也在不断进步。第一台数控机床的数控装置全部采用电子管元件，而后采用了晶体管元件和印刷电路板(1959年)，1965年出现了小规模集成电路。以上三代数控系统都是专用控制计算机数控系统，称为硬件NC系统，只能完成固定的控制功能。1970年采用了大规模集成电路及小型计算机取代专用控制计算机数控系统，通过编制程序并存入计算机的专用存储器中，构成"控制软件"来实现多种控制功能，显著提高了系统的功能特性和可靠性，称为第四代数控系统(简称CNC)，又称为"软件NC"系统。1974年又研制出以微处理器为核心的数控系统，这就是第五代数控系统(简称MNC)。二、数控机床的特点72 1．柔性高2．精度高3．效率高4．劳动强度低三、数控机床的组成1．主机数控机床的主机包括床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件．用于完成各种切削加工。数控机床的主体结构相对于普通机床而言，已作了大大简化，没有了普通机床的复杂的传动系统，即传动链大大缩短。数控机床的主体结构具有如下特点：(1)刚度、抗振性高和热变形小。(2)简化机械传动结构，缩短传动链。(3)采用效率高、无间隙、低摩擦的传动。如滚珠丝扛副、静压螺杆－螺母副和预加载荷双齿轮－齿条机构、聚四氟乙烯塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨等。2．数控装置CNC装置是数控机床的核心，它是采用存储程序的专用计算机，由硬件和软件组成。硬件由各种输人输出接口电路、微处理器(CPU)、存储器等组成。软件是为了实现CNC系统各项控制功能而编制的专用软件，又称为系统软件。数控装置的软件系统分为管理软件和控制软件。CNC装置的工作是在硬件的支持下执行软件的全过程，控制机床按规定的动作执行加工任务。3．驱动装置驱动装置又称伺服驱动系统，是数控机床的执行机构之一，执行由CNC装置输出的运动指令。它的作用是把来自CNC装置的指令信息转换成机床移动部件的运动。数控机床的伺服系统包括进给驱动、主轴驱动及位置控制等三个部分。按位置控制方法的不同，伺服驱动系统可分为开环、闭环和半闭环3种方式。常用伺服驱动元件有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。4．辅助装置数控机床在实现整机的全自动化控制中，为了提高生产率、加工精度等，还需要配备许多辅助装置，如液压和气动装置、自动换刀装置、自动工作台交换装置、自动对刀装置、自动排屑装置等。(1)自动换刀装置72 自动换刀装置的基本类型有三种：回转刀架换刀、多主轴转塔头换刀和刀库自动换刀装置。(2)自动工作台交换装置（用于加工中心）(3)自动对刀装置对刀仪是通过数控机床生产率的必不可少的辅助装置之一。按检测对象的不同，对刀装置分数控车床对刀仪和数控镗铣床、加工中心对刀仪两类。(4)自动排屑装置常用有传送带或螺旋式排屑装置。除了简易型的数控机床之外，一般数控机床还有一个装置，即检测装置。检测装置是采用闭环或半闭环控制系统的数控机床的重要组成部分，其作用是对数控机床的实际位移和速度进行检测，将检测结果转化为电信号反馈给数控装置或伺服控制系统，实现闭环或半闭环控制。(1)速度检测元件其作用是测量执行部件的运动速度，以实现速度的闭环控制。一般采用测速发电机或光电编码器。(2)位置检测元件根据检测元件在数控机床上的安装位置不同，可分为直接测量与间接测量。如果是采用直接测量的方法来测量机床工作台的直线位移，一般使用直线感应同步器；如果是采用间接测量的方法来测量机床工作台的直线位移，一般使用光电脉冲发生器。光电脉冲发生器通常安装于伺服电机轴或滚珠丝杠上，通过测量其回转角间接反映工作台的直线位移量。第二节数控机床的基本工作原理一、数控机床的基本工作原理数控机床就是用电子计算机数字化指令控制机床各运动部件的动作，从而实现机床加工过程的自动化。数控机床基本工作原理框图如图1所示。1．程序用数控机床加工零件时，需要根据零件图纸上的信息制定加工工艺，将全部加工过程编制成加工程序。加工程序可直接存入CNC的存储器，也可存储在某种信息载体上。信息载体有穿孔纸带、磁带、磁盘等，早期常用的信息载体为穿孔带，目前常用的为磁盘。2．输入输出设备存储在信息载体上的加工程序(数控代码)需要通过输入装置送给CNC装置。CNC机床72 上的加工程序输入方式有四种：纸带输入、磁盘输入、键盘输入和由编程计算机用RS232串行通信接口直接传送输入。目前常用的输入装置有纸带阅读机和软盘驱动器。大多数CNC机床也可通过键盘用输入方式输入。输出装置的作用是将CNC装置中存储的加工程序存储到信息载体(如磁盘)上。3．数控装置数控装置由主控制器控制，由译码器译码，存储器存储，运算器运算，通过信息处理后，部分指令信息传给伺服驱动装置驱动机床的刀架或工作台，使其走出与零件轮廓形状相吻合的轨迹；另一部分指令信息则直接控制机床的其它必要的动作（如主轴的变速、换向和起停；刀具的选刀和换刀；冷却泵的起停等），使刀具与工件能严格按照加工程序规定的动作顺序、运动轨迹和切削参数进行工作，从而加工出符合图样要求的零件。二、数控系统的分类1．按运动轨迹分类（1）点位控制系统（图2）：特点是控制刀具或机床工作台，从一点到另一点准确定位，而点与点之间的运动轨迹和速度不需严格控制。移动过程中刀具不进行切削加工。该系统一般用于数控钻床、坐标镗床和冲床等。（2）点位直线控制系统（图3）：特点是不仅控制两相关点之间的位置，而且还要控制刀具在这两点间的运动轨迹为一直线。刀具在移动过程中对工件进行切削加工。有简易数控车床或铣床采用这种系统。（3）连续（轮廓）控制系统（图4）：特点是可以同时严格控制刀具相对于工件在两个或两个以上坐标方向上的运动速度和轨迹，以保证形成所需的斜线、曲线和曲面。这类系统的应用最广泛，大多数数控车床、铣床、磨床、齿轮加工机床以及加工中心等。2．按控制方式分类（1）开环控制系统（图5）（2）闭环控制系统（图6）（3）半闭环控制系统（图7）三、插补的基本原理数控机床通过控制刀具相对工件的运动实现对零件的加工。数控装置按加工程序规定的运动轨迹要求，将刀具对工件的运动分割成最小的位移量，通过不断地向各坐标轴方向输出脉冲形式的指令，使刀具沿各坐标移动若干个脉冲当量，实现刀具对工件的相对运动，完成对零件的加工。72 在进行曲线或曲面加工时，由于刀具运动轨迹是沿两个或两个以上坐标轴运动的合成轨迹，因此，数控机床加工采用插补的方法来确定刀具的轨迹。例如数控车床车圆锥面的加工采用逐点比较法直线插补。①直线插补（图8）②圆弧插补（图9）第五节数控机床的编程一、数控编程的方法与内容与普通机床不同，数控机床加工零件的过程完全自动地进行，加工过程中人工不能干预。因此，首先必须将所要加工零件的全部信息，包括工艺过程、刀具运动轨迹及方向、位移量、工艺参数（主轴转速、进给量、切削深度）以及辅助动作（换刀、变速、冷却、夹紧、松开）等按加工顺序用数控代码和规定的程序格式正确地编制出数控程序，输入到数控装置，数控装置按程序要求控制数控机床，对零件进行加工。所谓数控编程，一般指包括零件图样分析、工艺分析与设计、图形数学处理、编写并输入程序清单、程序校验的全部工作。数控编程方法可分为手工编程和自动编程两种。（一）、手工编程从零件图样分析、工艺处理、数据计算、编写程序单、程序输入到程序校验等各步骤主要由人工完成的编程过程称为手工编程。图10是手工编程的工作过程。1．零件图纸分析首先明确图纸上标明的零件的材料、形状、尺寸、精度和热处理要求，以便确定零件毛坯形状是否适合在数控机床上加工，或适合在哪种类型的数控机床上加工，并明确加工的内容和要求。2．确定加工工艺过程通过对零件图样的全面分析，确定零件的加工方法(如采用的工夹具、装夹定位方法等)、加工路线(如进给路线、对刀点、换刀点等)及工艺参数(如进给速度、主轴转速、切削速度和切削深度等)等。在大多数情况下，选用通用性工夹具，以便于安装及协调工件和机床坐标系的尺寸关系。对刀点应选在容易找正，并在加工过程中便于检查的位置。进给路线应尽量短，并使数值计算容易，使加工安全可靠。3．数值计算72 数值计算是指根据加工路线计算刀具中心的运动轨迹。对于带有刀补功能的数控系统，只需计算出零件轮廓相邻几何元素的交点(或切点)的坐标值，得出各几何元素的起点、终点和圆弧的圆心坐标值。如果数控系统无刀补功能，还应计算刀具中心运动的轨迹。对于非圆曲线，需要用直线段或圆弧段来逼近，根据要求的精度计算出各节点的坐标值。4．编写零件的加工程序单根据计算出的刀具运动轨迹坐标值和已确定的加工参数及辅助动作，结合数控系统规定使用的坐标指令代码和程序段格式，逐段编写零件加工程序单，并输入CNC装置的存储器中。5．程序校验及首件试切通常需要校对检查程序，也可利用数控机床的空运转功能进行检验，即在数控机床上用笔代替刀具，以坐标纸代替工件进行空运转画图，检查机床的动作和运动轨迹的正确性。为了检查出由于编程计算不准确或刀具调整不当造成的加工误差的大小，还需经过试切(用铝件或木件)进行实际检验。根据试切情况可对程序进行修改，采取尺寸补偿措施，直到加工出满意的零件为止。手工编程适用于点位加工和几何形状不太复杂的零件的加工，以及计算较简单、程序段不多、编程易于实现的场合等。但对于几何形状复杂的零件（尤其是空间曲面组成的零件），以及几何元素不复杂，但需编制程序量很大的零件，由于编程时计算数值的工作相对繁琐，工作量大，容易出错，程序校验也较困难，因此用手工编程难以完成。为了缩短生产周期，提高数控机床的利用率，有效解决复杂零件的数控程序编制，自动编程是必然的发展方向。（二）、自动编程自动编程也称为计算机辅助编程，即程序编制工作的大部分或全部由计算机完成。目前，数控语言式自动编程除工艺处理仍主要靠人工进行外，其余的工作(如数学处理、编写零件加工程序单、纸带穿孔、程序校验及自动输出打印加工程序等)均可由计算机自动处理。典型的自动编程有人机对话式自动编程及图形交互自动编程。在人机对话式自动编程中，从工件的图形定义、刀具的选择、起刀点的确定、走刀路线的安排，到各种工艺指令的插入，都可由计算机完成，最后得到所需的加工程序。图形交互自动编程72 是一种可以直接将零件的几何图形信息自动转化为数控加工程序的全新的计算机辅助编程技术。它通常以机械计算机辅助设计(CAD)为基础，利用CAD软件的图形编辑功能将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，然后调用数控编程模块，采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加工的部位，输人加工参数，计算机便可自动进行数学处理并编制出数控加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。自动编程大大减轻了编程人员的劳动强度，提高了效率，同时解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。二、数控编程的有关标准及术语为了满足设计、制造、维修和普及数控机床的需要，机床坐标系、加工指令、辅助功能及程序段格式等方面的标准已逐步趋向统一。目前已形成两种国际通用的标准，即ISO国际标准化组织标准和EIA美国电子工业协会标准。我国也制定了相应的数控标准．目前正在执行的数字控制标准有JB3050～82(《数字控制机床用七单位编码字符》)、JB3112--82(《数控机床自动编程用输入语言》)、JB3208—83(《数字控制机床穿孔带程序段格式中的准备功能G和辅助功能M代码》)、JB3051—82(《数字控制机床坐标和运动方向的命名》)等。由于国内外各类数控机床生产厂家所使用的代码、指令及含义尚未完全统一，所以编程时必须严格按照所使用的数控机床使用说明书及编程手册的具体规定进行程序编制。1.程序的结构与格式（1）.零件加工程序的结构一个完整的零件程序由若干程序段组成，每个程序段由若干个指令字组成。指令字表示一个信息单元，每个指令字又由字母(地址符)数字、符号组成。下面是某一零件的加工程序：（图10）该程序由12个程序段组成。00005是程序编号，放在程序的开头，便于区别其他程序和从数控装置的程序存储器中检索、调用该加工程序。M30是程序的结束指令，放在程序的结尾。每个程序段完成一种动作，由若干指令字构成，每个指令字表示数控机床的一个位置或一个动作，例如N0001表示程序段号．由N后跟2—4位数字组成。G91为准备功能字，由G后跟2位正数组成。X2.0、Y1.0、Z-98.O等为尺寸指令字，表示刀具的位置。F100为进给功能字。指定切削的进给速度。S300表示主轴转速功能字，指定主轴加工时的转速。M03代表辅助功能字．控制主轴启动、旋转、停止及辅助装置的开关等。此外还有刀具功能T(用来表示刀具选择)、刀具补偿功能D或H等。指令字是程序中指令的最小单位。每个程序段的结束处要用“；”或LF、CR、EOB等结束符。不同的数控机床对于一个程序段的字符数有不同的限制。（2）.程序段格式72 程序段的格式是指在同一程序段中的指令字、字符和数字的排列顺序的规则。不同数控系统的程序格式往往不同，所以编程时必须按数控系统要求的格式编写程序段。否则会产生出错报警，停止运行。数控机床有三种程序段格式：字地址可变程序段格式、固定顺序程序段格式和带分隔符可变程序段格式。目前国内外都广泛采用字地址可变程序段格式。字地址可变程序段格式的每一个指令字段均以字母、数字和符号表示．字首是一个英文字母，称为字的地址，字的功能类别由地址字母决定。目前国内外数控系统广泛采用的字地址可变程序段格式的一般表达形式为：N4G2X±5.3Y±5.3Z±5.3F22S4T4M2*其中：(1)N4——程序段序号，用4位数表示；(2)G2——准备功能字，用2位数表示；(3)X±5.3、Y±5.3、Z±5.3分别为z、y、z坐标指令字，可带正负号．数值长度为8位，小数点前最多用5位小数点后用3位;(4)F22——进给速度功能字，用4位数表示，小数点前2位，小数点后2位;(5)S4—主轴转速功能字，用4位数表示;(6)T4——刀具功能字，用4位数表示;(7)M2——辅助功能字，用2位数表示；(8)*——程序段结束符号。坐标指令字的数值长度以及表示进给功能主轴转速功能、刀具功能等数位的大小与不同的数控系统有关。国际标准化组织规定的地址字母的意义。（见表10-1）2.数控机床的坐标轴与运动方向在编程中要进行正确的数值计算，保证描述机床运动的正确性，必须明确数控机床的坐标轴和运动方向的有关规定。ISO841制定了《机床数字控制坐标——坐标轴和运动方向命名》的国际标准（图11）。我国也颁布了JB3051—82的标准，它规定的关于坐标轴和运动方向的规则。例如：数控车床坐标系的判定（图12）：Z轴坐标是由传递切削动力的主轴所确定，平行于主轴轴线，一般Z轴的正方向为远离主轴的方向。X轴坐标是沿工件的径向且平行于横向导轨，一般X轴的正方向为远离工件旋转中心的方向。立式加工中心坐标系的判定（图13）：Z轴坐标是由传递切削动力的主轴所确定，平行于主轴轴线，一般Z轴的正方向为远离工件的方向。72 X轴坐标是水平的，一般平行于工件的装夹表面，X轴的正方向由右手直角笛卡尔坐标系判定。y轴坐标是由右手直角笛卡尔坐标系来判定。3.数控机床坐标系的原点与参考点数控机床坐标系是机床的基本坐标系，机床坐标系的原点也称机械原点或零点，这个零点是机床固有的点，由生产厂家事先确定，不能随意改变，它也是其他坐标系和机床内参考点的出发点。不同数控机床坐标系的零点也不同。图14所示为数控车床的机床零点，它在主轴(z轴)前端面的中心上；图15所示为数控铣床的机床零点，位于机床的左前上方；图16所示为加工中心的机床零点，一般在机床最大加工范围平面的左前角。参考点也称基准点，是大多数具有增量位置测量系统的数控机床所必须具有的。它是数控机床工作区确定的一个点，与机床零点有确定的尺寸联系。参考点在各轴以硬件方式用固定的凸块或限位开关实现。机床每次通电后，都要有回参考点的操作，数控装置通过参考点确认出机床原点的位置。数控车床、数控铣床与加工中心的参考点如图14、图15图16。用机床坐标系原点计算被加工零件上各点的坐标并进行编程是很不方便的，在编写零件加工程序时，常常还要选择一个工件坐标系(又称编程坐标系)。工件坐标系的原点(编程零点)最好选择在工件的定位基准或夹具的适当位置上。在加工时，工件随夹具安装在机床上，并建立起工件坐标系，其原点与机床零点间的尺寸联系可以通过指令设定，也可通过各控制面板的操作设定。所以编程人员可以不考虑工件上各点与机床零点的关系，而且可根据工件坐标系确定刀具的轮廓轨迹。数控车床的工件坐标系原点常选在零件轮廓右端面或左端面的主轴线上(图17中的W)。数控铣床的工件坐标系原点一般选在工件的一个外角(图18中的W)。4.绝对坐标与增量坐标编程时表示刀具(或机床)运动位置的坐标值通常有两种形式，一种是绝对坐标，另一种是增量(相对)坐标。绝对坐标是指刀具(或机床)的位置坐标值都是以固定的坐标原点(工件坐标系原点)为基准计算的，此坐标系称绝对坐标系。增量坐标是指刀具(或机床)的位置坐标值都是相对于前一位置计算的，相当于坐标原点总是在平行移动，此坐标系称为增量坐标系。增量坐标与运动方向有关。在图19中A、B、C三点的绝对坐标与相对坐标。三、数控车床的程序编制72 数控加工中描述数控机床加工过程的动作，如加工种类，主轴的启停、转向、计划中停、正向停止，冷却液的开、关，刀具的更换，运动部件的夹紧与松开等都是在加工程序中用指令的方式予以规定的。这类指令称为工艺指令。工艺指令包括准备功能指令(G指令)和辅助功能指令(M指令)两种。1.准备功能指令准备功能指令由字母G和其后的二位数字组成，从G00到G99。该指令的作用主要是指定数控机床的加工方式，为数控装置的辅助运算、刀补运算、固定循环等作好准备。准备功能指令G代码及其功能（见表10-2）G指令有两种：①模态G指令，又称续效指令。只要指定一次模态G指令，在同组的其他G指令出现以前该功能一直有效。所以在连续指定同一G指令的程序段中．只要指定一次模态G指令，在后来的程序段中就不必再指定；②非模态G指令。这种G指令只有在被指定的程序段才有意义。G指令虽然很多，但国际上实际使用G指令的标准化程度较低，只有若干常用G指令的功能在各类数控系统中基本相同。所以编程时不能硬记标准，必须严格按照具体机床的编程手册进行。下面介绍一些常用的G功能：（1）G00快速定位（2）G01直线插补（3）G02顺时针圆弧插补、G03逆时针圆弧插补（4）G32螺纹切削1）加工直螺纹2）加工端面螺纹3）加工锥螺纹（5）G04暂停（6）G40取消刀尖圆弧补偿、G41左边刀尖圆弧补偿、G42右边刀尖圆弧补偿（7）G50设定工件坐标系2.辅助功能指令辅助功能指令由字母M和其后的2位数字组成，从M00到M99，主要用来指定机床加工时的辅助动作及状态，如主轴的启停、正反转，冷却液的通、断，刀具的更换，滑座或有关部件的夹紧与放松等，也称为开关功能。辅助功能指令M代码及其功能（见表10-3）72 M指令也被分为模态和非模态,同时还规定了M功能在一个程序段中起作用的时间。例如，M03、M04主轴转向指令与程序段中运动指令同时开始起作用；与程序有关的指令MOO、M01、M02等在程序段运动指令执行完后开始起作用。M指令因生产厂家及机床结构和规格的不同而异，但与标准规定出入不大。下面介绍一些常用辅助功能指令：（1）M02程序结束、M30程序结束并返回程序头（2）M00无条件程序暂停、M01有条件程序暂停（3）M03主轴正转、M04主轴反转、M05主轴停止（4）M98子程序调用、M99子程序结束3.进给功能指令进给功能指令由地址符F及后面的数值构成，用来指定刀具进给的速度或表示螺纹的螺距。用于指定刀具进给速度时，F功能指令的数据有两种，一种为每分钟进给，单位为mm／min。另一种为每转进给，单位为mm/r。这两种进给分别由模态的G功能代码G98（每分钟进给）和G99（每转进给）所确定。4.主轴功能指令主轴功能指令由地址符S及后面的数值构成，用于指定主轴旋转的速度，单位为r／min。S功能指令的数据由两种。一种为恒线速，也就是刀具的线速度恒定不变，即主轴的旋转速度随着刀具在X轴上移动而改变，刀具越靠近主轴轴线，主轴的旋转速度就越高。另一种为恒转速，也就是主轴的旋转速度恒定保持不变。这两种转速控制则是由模态的G功能代码G96（主轴恒线速控制）和G97（主轴恒转速控制）所确定。5.刀具功能指令刀具功能指令由地址符T及后面的四位数字构成，用来指定所需要的刀具及所需要的刀具补偿值。前两位为刀具号后两位为刀具补偿号。在实际应用中，T地址后面的数字最高位为零时可省略；如刀具号与刀具补偿号相同时，T地址后面直接跟两位刀具号，形如T××；若不带刀具补偿值，T地址后面的低两位为零，形如T××00.6.刀具补偿功能刀具补偿号功能是数控系统所具有的为方便用户精确编程而设置的功能。它分为两大类：刀具位置偏置补偿和刀尖圆弧补偿。（图20）（1）刀具位置偏置补偿刀具位置偏置补偿是对编程时假想的刀具（一般为编程点）与实际使用的刀具的差值进行补偿。它可分为刀具形状补偿（几何形状补偿）和刀具磨损补偿（磨损补偿）两种。72 刀具形状补偿是对刀具形状及刀具安装的补偿。刀具磨损补偿是对刀具磨损进行的补偿。刀具位置偏置补偿通过用T代码指令的后两位确定形状补偿或磨损补偿的偏置号实现。一旦确定了偏置号，相应的偏置量也就确定。当偏置号为00时，偏置量为0.偏置值可预先通过手动或外部设备设定。（2）刀尖圆弧补偿刀具圆弧补偿是在车锥度和圆弧时，对由于刀尖圆弧半径形成的实际轮廓和理想轮廓的差值进行补偿。根据工件表面相对于刀具的位置，刀尖圆弧补偿可分为左边刀尖圆弧补偿（G41）和右边刀尖圆弧补偿（G42）。若工件表面在刀具运动方向的左侧，使用左边刀尖圆弧补偿。若工件表面在刀具运动方向的右侧，使用右边刀尖圆弧补偿。（图21）7.编程实例（图22）P32872 补充一工件的定位与定位误差分析第一节工件的定位工件在加工前，应首先使它在机床上与刀具和切削运动相对处于正确的加工位置，我们把工件加工前，使工件在机床上占有一个正确的位置，称为工件的定位。工件定位后，为了使它在加工过程中始终保持这一位置，必须把它夹紧压牢，称为工件的夹紧。从定位到夹紧的整个过程统称为工件的安装。工件的安装方式分三种，即直接找正安装、按划线找正安装和在夹具中安装。本章将要讨论的工件定位是指工件在夹具中安装时的定位，即指同一批工件在夹具中按定位要求与定位元件相接触或配合，占有正确加工位置的过程。工件在夹具中定位正确与否，对工件的加工精度、生产率、夹具结构与制造成本以及操作的安全性都有直接和重大的影响。一、六点定位原理一个未受约束的刚体（自由刚体）可以向任何方向移动和转动。为了便于研究其运动规律，可以将它放到一个空间直角坐标系中来讨论。（图1）由运动学可知，自由刚体在空间的任何复杂运动都可以看作是对该坐标系的六种基本运动的合成，或者说自由刚体存在六个自由度。所谓自由度是指刚体的运动或位置变化的可能性。自由刚体的六个自由度是针对六种基本运动而言的，即它有发生六种基本运动的可能性。六个自由度的表示见图1.工件在定位前，也像自由刚体一样，具有六个自由度。要使工件在空间处于相对固定不变的位置，就必须限制其六个自由度。限制的方法见（图2）。通常把按一定规律分布的六个支承点用以消除工件六个自由度，使工件在夹具中的位置完全确定的方法，称为“六点定位原理”。应用此原理，可以正确地分析和解决工件安装时的定位问题。但是，要正确理解工件的定位原理，必须注意以下三点。（1）定位支承点与工件的定位基准一般要始终保持紧密接触或配合，两者一旦脱离，就会造成定位不准确，甚至失去定位的作用。（2）用支承点限制工件某一方向的自由度，并不意味着工件失去另一个方向运动的可能性，而要消除这种可能性，必须用夹紧机构来实现。72 同时要注意，工件在外力作用下，有时完全失去运动的可能性，但不一定被限制了六个自由度。例如平面磨床磨削工件表面时，磁力工作台把工件牢固地吸附在台面上，但工件仅仅是底面与工作台接触，只限制了三个自由度。由此可见，定位和夹紧是两个不同的概念，不能混淆。（3）每个支承点只能限制工件的一个自由度，决不能用一个以上支承点去限制同一个自由度。因此，支承点数目不能随意确定，六个支承点不能任意布置。二、工件定位形式及分析1.完全定位与不完全定位（1）完全定位1）完全定位的概念工件的六个自由度全部被夹具的六个支承点限制，在夹具中占有完全确定的唯一位置，这种定位称为完全定位。2）完全定位的应用①平行六面体工件的完全定位（图2）a.主要定位基准（三点定位）b.导向定位基准（两点定位）c.止动定位基准（一点定位）②盘类工件的完全定位（图3）③轴类工件的完全定位（图4）（2）不完全定位1）不完全定位的概念工件在夹具中定位时，有时并不需要限制六个自由度，即限制自由度的数目少于六个的定位，称为不完全定位。2）不完全定位的应用工件的定位需要限制哪些自由度，应根据工件的加工要求来决定。需要限制的是那些对加工精度有影响的自由度。一般说来，工件在三个坐标方向均有尺寸要求的，则必须限制六个自由度；工件在两个坐标方向有尺寸要求的，则需限制五个或四个自由度；工件只在一个坐标方向有尺寸要求的，则只需限制三个自由度。（图5、6、7）选择不完全定位时，要注意两种情况：①由于工件的形状特点，没有必要也无法限制工件某些方向的自由度。（图8、9）②由于加工特点，工件某些方向自由度的存在并不影响加工精度。（图5、6、7）72 一般说来，限制自由度数目越多，夹具结构越复杂。因此，在保证加工要求的条件下，限制自由度数目应尽可能少。但在实际生产中，不论在任何条件下对任何工件的定位，所限制的自由度数目都不得少于三个。否则，工件不会获得稳定的位置。2.欠定位和过定位（1）欠定位1）欠定位的概念工件实际定位所限制的自由度数目少于按其加工要求所必须限制的自由度数目，称为欠定位。若按欠定位方式进行加工，则应该限制的自由度未予限制，必然无法保证工序所规定的加工要求。2）欠定位举例（图10、图11）（2）过定位1）过定位的概念夹具上的定位支承点多于六点或虽少于六点，但由于布局不合理，造成重复限制工件的一个或几个自由度的现象，这种重复限制工件自由度的定位称为过定位。2）过定位举例（图12）工件在夹具中定位时，由于采用过定位，重复限制工件的一个或几个自由度，会产生下列不良后果：①使工件定位不稳定，增加了同批工件在夹具中位置的不一致性，影响定位精度，降低了加工精度。②阻碍工件顺利安装到夹具中去与定位元件相配合。③使工件或定位元件受外力后产生变形，以致无法夹紧、安装和加工。对于图12这样的细长轴车削，正确的定位方式应为图13.由于细长轴刚性差，受径向切削力作用会产生轴线弯曲，在实际生产中，常用中心架或跟刀架作辅助支承。辅助支承不起定位作用。三、定位基准的选择工件在加工中作定位的用点、线、面，称为定位基准。工件的定位是通过工件上的定位表面（或点与线）和定位元件相接触或配合来实现的。工件定位基准一旦确定，工件在夹具中的定位位置也随之确定。定位基准的选择及定位基准的精度直接影响定位精度。1.定位基准的选择原则1）尽量使工件的定位基准与设计基准重合，避免出现基准不重合误差。2）尽量选用已加工面作为定位基准，提高定位基准精度，减少基准位移误差。3）应使工件安装稳定，受力变形小。72 4）定位方便，夹紧可靠，便于操作，夹具结构简单。2.定位基准的形式（1）平面定位基准工件以平面定位，需用三个互成一定角度的平头支承钉或两个互相平行的条形支承板作支承元件。为了提高工件的定位精度，定位元件在布局上应尽量增大距离，以减少工件的转角误差。（2）圆孔定位基准在生产中，套筒类、盘盖类等工件常以工件上的孔作为主要定位基准。在具体的定位方式上，主要有下列三种情况：1）用定位销或定位心轴定位（图14、15）此类定位方式为间隙配合，存在基准位移误差，但安装方便。短销或短心轴定位可限制两个自由度，称为两点定位。长销或长心轴定位可限制四个自由度，称为四点定位。2）用小锥度心轴定位（图16）此类定位方式无配合间隙，定位精度高，但轴向位置变动量大。小锥度心轴定位可限制四个自由度，属四点定位。3）用圆锥销组合定位（图17）此类定位方式无配合间隙，可限制五个自由度，属五点定位。（3）外圆柱面定位基准在加工轴类工件时，常以工件外圆柱面作为定位基准。在具体定位方式上，主要有下列两种情况：1）用V形块定位（图18、19）V形块分窄V形块和长V形块两种。窄V形块可限制两个自由度，属两点定位；长V形块可限制四个自由度，属四点定位。若将两个同规格的窄V形块组合使用，与长V形块的作用相同。2）用定位套定位（图20）用定位套的孔来定外圆柱面，其定位性质取决于内外圆柱面的接触长度。接触面短，属两点定位，接触面长，属四点定位。（4）用中心孔定位（图21）轴类工件加工时，常用中心孔定位。用双顶尖进行中心孔定位，可限制五个自由度，属五点定位；用单顶尖进行中心孔定位（如一夹一顶），可限制两个自由度，属两点定位。72 第二节定位误差分析一、定位误差的概念所谓定位误差，是指工件在定位时，由于定位不准确所产生的误差，用Δ定位表示。当使用夹具加工时，往往采用调整法加工工件，刀具的位置主要根据工件在夹具中的定位基准来调整，夹具相对于刀具的位置一旦调定，就不再变动。而工件的定位准不准确，取决于两个方面：①定位基准与设计基准是否重合；②定位元件和工件定位基准制造误差的大与小。因此，定位误差包括以下两项：（1）基准不重合误差基准不重合误差是指定位基准与设计基准不重合所引起的设计基准对工件定位基准在同批工件中可能产生的最大位移，用Δ不重合表示。（图22）（2）基准位移误差基准位移误差是指定位元件和工件定位基准面本身的制造公差及配合间隙所引起的同批工件定位基准的最大位移，用Δ位移表示。（图22）Δ定位=Δ不重合+Δ位移式中，Δ不重合与Δ位移为矢量和。如果Δ不重合与Δ位移方向相同且与加工尺寸方向一致，则两项相加；如果Δ不重合与Δ位移方向相反且与加工尺寸方向一致，则两项相减；如果Δ不重合、Δ位移方向与加工尺寸方向不一致，则将两项误差分别投影到加工尺寸方向来计算。二、典型定位方式的定位误差分析与计算定位误差是使用夹具加工时的一项最主要的误差因素。定位误差的计算是夹具设计时，根据定位方式，对工件定位误差进行具体分析，计算由定位基准位移误差和基准不重合误差而综合引起的工件尺寸的误差，并以此为依据，来正确选取定位方式和确定定位元件与工件定位基准面的公差。1.工件以平面定位时的定位误差分析与计算（图23）分析：①基准不重合误差：分析基准不重合误差，首先要分析定位基准与设计基准是否存在联系尺寸，若存在联系尺寸，则该联系尺寸的公差即为基准不重合误差。Δ不重合=δA1②基准位移误差：Δ位移=0在分析基准位移误差时应注意：一般情况下，用已加工平面作定位基准，因表面不平整所引起的基准位移误差较小，在分析计算时，可忽略不计。定位误差：Δ定位=Δ不重合=δA172 2.工件以圆柱孔定位时的定位误差分析与计算（1）固定单边接触1）车外圆加工（图24）分析：①基准不重合误差：Δ不重合=0②基准位移误差：Δ位移=（Dmax–dmin）/2若工件圆孔直径为D，其公差为δD，心轴外圆直径为d，其公差为δd，工件圆孔与心轴间的最小配合间隙为Xmin，则Δ位移=（Dmax–dmin）/2=〔(Dmin+δD)–(dmax–δd)〕/2=〔δD+δd+(Dmin–dmax)〕/2=〔δD+δd+Xmin〕/2∴Δ定位=Δ位移=〔δD+δd+Xmin〕/22)铣平面或铣槽加工第一种情况（图25）：Δ定位=Δ位移=（Dmax–dmin）/2=〔δD+δd+Xmin〕/2第二种情况（图26）：Δ不重合=δ外圆/2Δ位移=〔δD+δd+Xmin〕/2分析：Δ不重合与Δ位移没有公共项，Δ定位为Δ不重合与Δ位移之和。Δ定位=Δ不重合+Δ位移=〔δ外圆+δD+δd+Xmin〕/2第三种情况（图27）：Δ不重合=δD/2Δ位移=〔δD+δd+Xmin〕/2分析：Δ不重合与Δ位移有公共项δD，Δ定位为Δ不重合与Δ位移之和还是之差，需分析公共项δD的变化对Δ不重合、Δ位移的影响。对于Δ不重合，δD↑，孔↑，设计基准上移，使工艺尺寸H↓；对于Δ位移，δD↑，孔↑，孔中心下移，槽深↓，使工艺尺寸H↑。因此，δD↑对实际加工尺寸的影响是相反的，故Δ定位为Δ不重合与Δ位移之差：Δ定位=Δ位移-Δ不重合=〔δd+Xmin〕/2（2）非固定边任意接触（图28）Δ位移=〔δD+δd+Xmin〕Δ不重合要根据具体加工面进行分析，要特别注意的是，Δ不重合与Δ位移72 要按矢量关系合成。3.工件以外圆柱面定位时的定位误差分析与计算工件以外圆柱面定位时主要采用V形块。V形块本身是一种定心元件，当V形块精度较高时，在水平分析上是没有定位误差的。但在垂直方向上有定位误差存在，并与工件直径和V形块夹角大小有关。（图29）（1）基准位移误差分析当用V形块定位时，虽然工件定位面是外圆柱面，但定位基准却是外圆柱面的轴线。由于工件定位直径d的变化，使定位基准产生基准位移误差OO1，即Δ位移=OO1∵OO1=OP–O1POP=OM/sinαO1P=O1N/sinα而OM=d/2，O1N=(d-δd)/2∴OO1=d/(2sinα)-(d-δd)/(2sinα)=δd/(2sinα)即Δ位移=δd/(2sinα)（2）基准不重合误差分析由于待加工尺寸的设计基准不同，加工尺寸标注也不同，所以工件在V形块上定位时，基准不重合误差分三种情况（图30）：①以圆柱体中心线为设计（工序）基准（图30—2尺寸HA的标注）Δ不重合=0Δ定位=Δ位移=δd/(2sinα)②以圆柱体上母线为设计（工序）基准（图30—3中尺寸HB的标注）Δ不重合=δd/2由Δ不重合=δd/2和Δ位移=δd/(2sinα)可知，Δ不重合与Δ位移有公共项δd。分析：对于Δ不重合，d↑，设计基准上移,HB↑；对于Δ位移，d↑，定位基准上移，HB↑。因此，d↑对实际加工尺寸的影响是相同的，故Δ定位为Δ不重合与Δ位移之和：Δ定位=Δ不重合+Δ位移=δd/2+δd/(2sinα)=δd(1/sinα+1)/2③以圆柱体下母线为设计（工序）基准（图30—4中尺寸HC的标注）Δ不重合=δd/2由Δ不重合=δd/2和Δ位移=δd/(2sinα)可知，Δ不重合与Δ位移有公共项δd。分析72 ：对于Δ不重合，d↑，设计基准下移,HC↑；对于Δ位移，d↑，定位基准上移，槽底至中心的尺寸↓，HC↓。因此，d↑对实际加工尺寸的影响是相反的，故Δ定位为Δ不重合与Δ位移之差：Δ定位=Δ位移-Δ不重合=δd/(2sinα)-δd/2=δd(1/sinα-1)/2从上述三种不同加工尺寸标注的定位误差分析可知，以外圆柱体下母线为设计基准时，定位误差最小。再就是定位误差与V形块夹角α有关。2α↑，Δ定位↓。但2α过大，对中性↓。一般多采用2α=90°。72 补充二设备维修专业基础知识第一节项目性修理（项修）一、项修的确认及准备1.项修定义对设备的某个部件或某项精度的修理，称为项修。2.项修的确认当设备仅某个部件的精度超差，而其他部件或精度均可以完成一个大修周期内的正常生产时，可确认为项修。（1）设备在日常点检、维修中所记录的集中故障源。（2）已丧失的某项几何精度。（3）出现明显、严重的拉毛、损坏，已不能再工作的运动副。（4）因突发性事故致使某部件损坏或精度的丧失。3.项修前的准备项修前的准备工作针对性非常强，绝对不能破坏整机的其他相关几何精度和装配精度，这样才能缩短项修的周期，确保项修的质量。（1）技术准备1）准备好说明书、装配图等技术文件、资料。2）依据修理项目确定出修理工艺、作业计划书、精度标准等。3）依据有关维修、设备修理记录，提出备件、配件的更换清单。（2）物资的准备（3）工、量具的准备二、项修工艺的制定1.项修工艺的特点（1）项修工艺是设备大修工艺的一部分，根据具体情况，部件可以不完全解体，只需修理损坏或应修的部分。（2）制定修理工艺时，不但要考虑项目的修理工艺，而且要考虑该项目的修理对其他部件相关位置、尺寸链、几何精度的影响。制定出相应的修复方案，以确保项修工作对精度的要求，而且还能保证整机的完整性、完善性以及对受影响的部分有所弥补。72 2.项修工艺举例图1为一台C620-1型卧式车床，其床鞍导轨1拉毛近1.5mm，无法再继续生产，经确认：必须进行导轨几何精度的项目修理。（1）修理工艺方案：将导轨1面刨削、磨削1.5mm。（2）此方案对其他部件及几何精度的影响从图中不难看出：1）齿轮、齿条的接触精度受影响。2）因溜板箱螺母的倾斜，丝杠水平方向的位置度受影响。（3）解决办法：修复工艺应考虑使床鞍平行下降，为达到此目的，导轨面2、3均应采用刨削、磨削加工，其加工量可提高几何关系算出。导轨面2加工量为0.69mm,导轨面3的加工量为1.66mm。所以，床鞍平行下降1.66mm。（4）床鞍平行下降带来新的影响1）丝杠的A、B、C三点同轴度受影响（螺母位置下降，发生干涉）。2）齿轮与床身齿条的间隙也受影响（增大）。（5）解决办法：在床身导轨面上粘接同样尺寸的聚四氟乙烯塑料板（注：导轨胶的厚度一般要留0.1-0.15mm余量作为粘接后的刮削量。三、项修对设备尺寸链的影响从上面例子可以看出，项修可能会影响到设备尺寸链。消除项修对设备尺寸链影响的常用方法有：（1）调整法：在设备修理时，充分利用尺寸链中原有的补偿件，使封闭环达到极度要求。（2）修配法：在补偿件上去除一层或增加一层材料，以改变补偿件的实际尺寸，使封闭环达到公差和极限偏差的要求。项修除对设备尺寸链有影响外，在某些情况下，也会对相关的几何精度带来影响。这就要求在项修完成后，根据相关的技术要求，对受影响的相关几何精度作检测对比，对达不到技术要求的，需进行调整或修整。第二节工序能力及工序能力指数计算一、加工误差的数理统计概念72 在生产实际中，影响加工精度的因素往往是多方面的。对于大批量生产中的质量分析，有时很难用单因素分析法来分析计算某一工序的加工误差，这时就必须通过对生产现场中实际加工出的一批工件进行测量，运用数理统计的方法加以处理和分析，从中便可发现误差规律。这种加工误差分析方法称为统计分析法。根据加工一批工件时误差出现的规律，加工误差可分为系统误差和随机误差。1.系统误差在顺序加工一批工件中，加工误差的大小和方向都保持不变，或者按一定规律变化，统称为系统误差。如机床、夹具、刀具的制造误差，工艺系统的受力变形等引起的加工误差均与加工时间无关，其大小和方向在一次调整中也基本不变，属于常值系统误差。又如机床、夹具、刀具等在热平衡前的热变形误差，刀具磨损等，都是随加工时间而有规律地变化，属于变值系统误差。2.随机误差在顺序加工的一批工件中，其加工误差的大小和方向的变化是属于随机性的，称为随机误差。如毛坯误差（余量大小不一、硬度不均匀等）的复映，定位误差（基准面精度不一），夹紧误差，残余应力引起的变形误差，测量误差等。对于工件的加工来说，系统误差和随机误差是同时出现的，因此，工件加工误差的规律性只能通过统计分析法找出。例如将一批铰孔的工件，根据铰孔后的孔径按组距（尺寸间隔）0.002mm进行分组，并套在分组统计盘的相应的木杆上，由此可以直观地看到工件孔径的分布状态（图2）。其分布状态的表现形式可演变为直方图（图3）。由分组统计盘或直方图可知，所加工的这一批工件的孔径，中间尺寸的较多，两边的逐渐减少。尺寸有一定的“分散范围”。所谓分散范围就是最大尺寸与最小尺寸之差。如果一批工件抽检的数目足够的大，分组足够的细，这时，直方图的形状将逐渐趋于一条曲线（图4），该曲线称为加工误差分布曲线。在实际生产中，加工误差分布曲线的形式有多种，但最具代表性的正态分布曲线（图5），其误差规律称为正态分布规律。（1）正态分布曲线的数学表达式正态分布曲线的数学表达式用概率密度函数表示：（图6）（2）标准差σ的直观意义（图7）（3）工件加工误差概率（图8）二、工序能力及相关的常用名词术语1.工序质量工序质量指操作者、设备、材料、方法、检验和环境等因素，在制造过程中对产品质量综合作用所起的效果。72 2.工序能力工序能力是指工序处于控制状态下的实际加工能力。它具体表现为工件加工误差分散范围的大小。如果分散范围小，说明工序能力强；反之，工序能力弱。工序能力是某工序生产合格产品的固有条件，通过测试能得出定量值。3.控制状态控制状态是指操作者、设备、材料、方法、环境、检验等六大因素控制在某一水平上，此时质量特性值呈现的随机波动状态。三、工序能力的数量表示和用途1.工序能力的数量表示工序能力的数量，一般常用质量特性分布总量标准差的6倍表示，即工序能力为6σ。1）σ为处于控制状态下工序的标准差。2）当工序处于控制状态时，工序总体标准差将被样本的标准差S代替，即工序能力为6S。3）6σ表示的工序能力是随机波动的数学形态。2．工序能力的用途（1）选择工序方案：当某工序有多个工序方案时，可通过不同方案的工序能力6σ值的测定，选定合理的方案。工序能力6σ数值越小，工序质量保证能力越大。但并非6σ越小越好，过小的6σ往往是不经济的，因此，6σ必须与对产品的要求相适应。（2）选用设备：根据工序能力的定量分析，合理地、经济地选择加工设备。（3）研究上、下道工序间的相互关系：一个零件从毛坯到成品要经过多道工序加工才能获得，故研究分析每道工序的能力对安排整体工序是非常必要的。四、工序能力与公差的关系通过数理统计图表，把工序能力6σ与零件公差范围做比较，即能反映工序能力与公差的关系。并可得出不合格率，从而定量地显示出工序满足公差要求的能力。1．常见的几种关系1）图9-1，工序能力满足公差要求，出现不合格品的概率趋于0。2）图9-2，工序能力不能满足公差要求，出现不合格品的概率较大。3）图9-3，数据分布中心偏移，出现不合格品的概率增大。4）图9-4，数据分布中心偏移较大，出现不合格品的概率很大。2．几点结论72 1）大多数工序中，不仅存在着分散失控的情况，而且工序的分布中心也偏离公差中心。2）制定工艺时，要考虑一定的安全系数。五、工序能力指数及其计算用公差范围与工序能力的比值来表示工序能力满足公差范围要求程度的量值即为工序能力指数。1.工序能力指数与工序能力的区别1）工序能力指数是直接定量地表示工序能力满足公差范围要求的程度。2）工序能力是工序本身的属性，只有将工序能力与技术要求(公差)进行比较，才能得出工序能力能不能满足公差要求的结果。2．计算公式Cp=公差范围/工序能力=T/(6σ)式中Cp——工序能力指数；T——公差范围σ——工序总体的标准差。3．两种情况工序能力指数的计算方法因测量数据较多，故工序(总体)的均值M和标准差σ可近似用样本均值的标准差S来代替。（1）双向公差1）无偏移(即工序分布中心与公差中心重合)，此时，M=，如图10所示。公式为Cp=T/(6σ)≈（TU-TL）/（6S）式中TL——下偏差；TU——上偏差；T——公差范围（T=TU-TL）;——样本均值（分布中心）；M——公差中心值（M=（TU-TL）/2，即工序（总体）的均值。图2中PL——超下偏差的不合格品率；PU——超上偏差的不合格品率。2）有偏移(即工序分布中心与公差中心有偏移)，如图11所示，此时工序能力指数用符号CPK表示。CPK=（T–2ε）/6σ72 式中CPK——修正后的工序能力指数；ε——分布中心与公差中心的绝对偏移量，简称偏移量；k——分布中心与公差中心的相对偏移量，也称偏离度或偏离系数。从上式不难看出：当工序分布中心=T/2时，∣-M∣=0，即分布中心与公差中心重合，则CPK=CP。（2）单向公差1）只有上限要求（注：只有上限要求绝不能理解为对下限没有要求，而是质量特性自身不存在下限，多数情况下限为零。）：CPU=（TU–M）/（3.5σ）=（TU–）/(3.5S)2）只有下限要求：CPL=（M–TL）/（3.5σ）=（–TL）/(3.5S)六、工序能力的判断及处置1．工序能力判断准则1）当工序能力指数为CP＞1.67时，则工序满足公差要求的能力为过剩。2）当工序能力指数为1.33＜CP≤1.67时，工序满足公差要求的能力为理想。3）当工序能力指数为1.00＜CP≤1.33时，工序满足公差要求的能力为正常。4）当工序能力指数为0.67＜CP≤1.00时，工序满足公差要求的能力为不足。5）当工序能力指数为CP≤0.67时，工序满足公差要求的能力为严重不足。6）当工序能力指数为CP＞1.33、偏离系数为0＜k＜0．25时，对平均值不必调整。7）当工序能力指数为CP＞1.33、偏离系数为0.25＜k＜0.50时，对平均值要引起注意。8）当工序能力指数为1.00＜CP≤1.33、偏离系数为0＜k＜0.25时，对平均值要密切观察。9）当工序能力指数为1.00＜CP≤1.33、偏离系数为0.25＜k＜0.50时，对平均值要采取措施。2．处置办法（1）当CP＞1.67时，其处置办法为：1）提高对产品的质量要求。若该质量特性是产品的关键项目或重要项目，可缩小公差和改善产品的性能、寿命。2）放宽波动幅度或者移动波动的平均水平，如延长切削加工工具的调整周期；放宽刀具调整尺寸范围；加大切削用量，以降低成本或提高工效。72 3）更换机械设备，降低对机械设备的精度要求——即用精度较低的设备加工，以延长调整周期，降低成本。（2）当1.33＜CP≤1.67时，其处置办法为：1）若不是产品和零件的关键特性，则应放宽波动幅度。2）简化检验工作。如抽样检验或减少抽样频次。（3）当1.00＜CP≤1.33时，其处置办法为：1）对于批量生产，则必须用控制图或其他方式对工序过程进行控制和监督，及时发现异常波动。2）对产品按正常规定进行检验，若采用抽样，其方式、频次必须合理。3）CP值接近1.0时，出现不合格品的可能性增大，此时应对影响工序能力的主要因素严加控制。（4）当0.67＜CP≤1.00时，其处置办法为：1）分析离散性(6σ)大的原因，制定措施加以改进。2）加大公差范围，但不能影响最终产品性能和增加装配困难。3）实行全数检验，剔除不合格品或进行分级筛选。（5）当CP≤0.67时，其处置办法为：1）停止加工，找出原因，采取措施，改进工艺，提高CP值。2）必须进行全数检验，挑出不合格品。72 补充三设备故障诊断的基本知识一、设备故障模式（1）属于机械零部件材料性能方面的故障：包括疲劳、断裂、裂纹、蠕变、过度变形、材质劣化等。（2）属于化学、物理状况异常方面的故障：包括腐蚀、油质劣化、绝缘绝热劣化、导电导热劣化、溶融、蒸发等。（3）属于机械设备运动状态方面的故障：包括振动、渗漏、堵塞、异常噪声等。（4）多种原因的综合表现：如磨损造成配合件的间隙增大或过盈丧失或紧固装置松动与失效等。二、设备故障分类1.临时性故障临时性故障又称间断故障，它多半是由机械设备的外部原因引起的。例如：操作失误。当外部干扰消除后，运转即可正常。2.永久性故障（1）按故障发生时间分类1）早发性故障：这是由于机械设备在设计、制造、装配、安装、调试等方面存在问题引起的。如新购入的机床液压系统严重漏油或噪声很大。2）突发性故障：这是由于各种不利因素和偶然的外界因素共同作用的结果。故障发生的特点是具有偶然性和突发性，事先无任何征兆，一般与使用时间无关，难以预测。但它容易排除，通常不影响寿命。3）渐进性故障：它是因机械设备技术特性参数的劣化过程，包括腐蚀、磨损、疲劳、老化等，逐渐发展而成的。其特点是故障发生的概率与使用时间有关，只是在机械设备有效寿命的后期才明显地表现出来。故障一经发生，就标志着寿命的终结。通常它可以进行预测，大部分机械设备的故障都属于这一类。4）复合型故障：这类故障包括上述故障的特征，其故障发生的时间不定。机械设备工作能力耗损过程的速度与其耗损的性能有关。如摩擦副的磨损过程引起渐进性故障，而外界的磨粒会引起突发性故障。（2）按故障表现形式分类72 1）功能故障：机械设备应有的工作能力或特性明显降低，甚至根本不能工作，即丧失了它应有的功能。这类故障可通过操作者的直接感受或测定其输出参数而判断。例如精度丧失、传动效率降低、速度达不到标准值。2）潜在故障：故障逐渐发展，但尚未在功能方面表现出来，却又接近萌发的阶段。当这种情况能够鉴别时，即认为是一种故障现象称为潜在故障。（3）根据故障产生的原因分1）人为故障：由于在设计、制造、大修、使用、运输、管理等方面存在问题，使机械设备过早地丧失了应有的功能。2）自然故障：机械设备在其使用和保有期内，因受到外部或内部各种不同的自然因素影响而引起的故障，如磨损、老化等。（4）按故障造成后果分1）致命故障：这是指危及或导致人身伤亡，引起机械设备报废或造成重大经济损失的故障。2）严重故障：是指严重影响机械设备正常使用，在较短的有效时间内无法排除的故障。3）一般故障：明显影响机械设备正常使用，在较短的有效时间内可以排除的故障。4）轻度故障：轻度影响机械设备正常使用，能在日常保养中用随机工具轻易排除的故障，如零件松动等。分析故障时，通常要综合运用上述分类法，来判定故障的复杂性、严重性和起因等。三、故障概率、故障率及故障规律1．故障概率机器的技术状况总是随着使用时间的延长而逐渐恶化的，因而机器的使用寿命总是有限的。由此可知，机器发生故障的可能性总是随着使用时间的延长而增大的。由于机器故障的发生具有随机性，即无论哪一类故障、人们都难料它的确切的发生时间。故机器发生故障的情况都只能用概率来表示，称为故障概率。它表示发生故障的可能性大小。2.故障率故障率是指在每一个时间段内产生故障的次数或在某一时间之前尚未发生故障，而在随后的一个时间段内可能发生故障的条件概率。3.故障规律根据机器不同的使用期，故障率的类型（即故障规律）也不一样：（1）渐减性故障率：即故障率是随时间的延长而故障减小，如图1所示。72 这种故障率通常反映机械设备早期发生故障的情况。由于产品设计、制造、检验和装配中存在着缺陷和失误，因而在开始投入运转时便有很高的故障率。随着运转时间的延长和对出现故障的不断排除，故障率逐渐降低。这种情况在机械设备投入生产时比较常见。（2）恒定性故障率：即故障率为一常数，它不随时间而发生变化，如图2所示。这种故障率可以来描述突发性故障，因为突发性故障与机械使用时间无关，即与其新旧程度无关，它是任何时候都可能发生的，即任何时候发生的机会都相等，因此，其故障率可以看作是常数。（3）渐增性故障率：渐增性故障率是指故障率随机械设备使用时间的延长而升高的情况，如图3所示。这是由于组成机械的零件在使用过程中逐渐丧失其功能而引起的现象，因此，它通常反映了产品使用寿命的后期的特点。由于难以通过一般方法来消除，因此也将这种故障称为耗损故障。（4）机械产品在整个寿命期内的故障规律：机械产品在整个寿命期内的故障率曲线，如图4所示。由前三条故障率曲线叠加而成，称为“浴盆曲线”从不同故障出现的时机来看，机械设备在开始使用阶段具有较高的故障率，而且此故障率是渐减性。机械设备到了有效寿命的后期，其故障率便不断增大，是渐增性的。而在其他使用期内，故障为恒定性，而且其值甚小。因此，对应各不同故障率曲线的时间范围分别称为早期故障期、随机故障期和耗损故障期。然而，从机械设备使用者的角度出发，对于曲线所表示的早期故障，由于机械设备在出厂前和安装过程中经过充分调试，可以认为已基本得到消除，因而可以不必考虑。随机故障通常容易排除，且一般不决定机械设备的寿命。惟有耗损故障才是影响机械设备有效寿命的决定因素。四、故障产生的影响因素在机械制造和维修中，影响零部件参数变化快慢的因素主要有以下几个方面。（1）设计规划设计方案不完善、设计图样和技术文件的审查不严是产生故障的重要原因。（2）材料选择材料选用不当、或材质不符合标准规定、或选用了不适当的代用品是产生磨损、腐蚀、过度变形、疲劳、破裂、老化等现象的主要原因。此外，在制造和维修过程中，很多材料要经过铸、锻、焊和热处理等热加工工序，在工艺过程中材料的金相组织、力学性能等要经常发生变化，其中加热和冷却的72 过程尤为突出。如果这些因素考虑不周，也可能成为影响故障的原因（3）制造质量在制造工艺的每道工序中都存在误差。除零件的尺寸误差和形位误差外，铸、锻、焊、热处理和切削加工过程中还会积累应力集中、局部和微观的金相组织缺陷、微观裂纹等。这些都是影响故障的重要原因。（4）装配质量装配中初始间隙过大，各零部件之间的相互位置精度不能保证，以及产生附加应力、偏载等，都会使设备的有效寿命期缩短。（5）合理维修应根据工艺合理、经济合算、生产可能的原则，合理进行维修、保证维修质量。如果维修质量不高，故障率会显著提高。（6）正确使用正确使用是降低故障率的重要条件。在设备的使用中，要注意三点：1）载荷：机械设备发生耗损故障的主要原因一般是磨损和疲劳破坏。零件的磨损在单位时间内与载荷大小成正比。即载荷越大，磨损越严重。对于受交变载荷的零件，其疲劳损伤的程度也与载荷大小成正比。因此，严重超载是故障产生的重要因素。2）环境：环境包括气候、腐蚀介质和其他有害介质影响，以及工作对象的状况等。温度、湿度、粉尘及腐蚀介质是影响腐蚀和磨损的重要因素，也是产生故障的重要因素。3）保养和操作：建立合理的维护保养制度，严格遵守操作规程，是保证机械设备工作的可靠和提高使用寿命的重要条件。此外，需要对操作人员进行培训，提高素质和水平。六、故障诊断技术1.故障诊断技术故障诊断技术是指机械设备在不拆卸的情况下，用仪器仪表获取有关输出参数和信息，并据此判断机械设备运行状态是否正常的技术。2.故障诊断技术的形式和方法（1）机械设备运转中的检测运转中的检测是根据外部现象推断内部原因的技术。它与拆卸检查不同，仅作定性的初步的判断，而确切的、定量的结果还得经拆卸检查后作出。但它可作为拆卸检查的依据。机械设备运转中的检测主要有以下几种方法：1）凭五官进行外部检查72 利用人体的感官，听其音、嗅其味、看其动、感其温，直接收集故障信息，并以经验和维修技术判定故障可能出现的部位和原因，达到预测预报的目的。2）振动测量振动是一切回转或往复运动机械设备的普遍的现象，而振动的增强一般都是由故障引起的。振动测量就是利用测振仪器检测机械设备运动时的振幅、频率和相位等参数，将它进行分析处理和与原始数据进行比较，并做出诊断。3）噪声检测机械振动在物质中是以机械波的形式传播的，如果机械波的频率在人的听阈范围内，人们就能听到振动的声音。发出声音的振动系统称为声源。由机械振动系统发出的声音称为机械噪声。噪声的大小既是反映机械设备技术状况的一个指标，也是减少环境污染的控制指标。噪声的大小能反映出机械振动的强弱，因此，机械噪声的异常增大即可反映机械设备出现了故障。噪声的检测一般采用声级计，评定声音强弱的单位是分贝（dB）。4）温度检测温度是一种表象，它的升降反映了机械设备发热和散热的状态和过程。异常的温升或温降说明其产生了热故障。例如：内燃机、加热炉燃烧不正常，温度分布不均匀；运动副润滑不良；轴承损坏；冷却系统故障等。温度检测仪器分接触式传感器和非接触式传感器两类。接触式传感器是利用热传导原理设计的，它包括液体膨胀式传感器如水银或酒精温度计，双金属传感器、电热偶传感器和电阻传感器等。非接触式传感器是利用热辐射原理设计的，它包括光学高温计、辐射高温计、红外测量仪、红外热像仪等。5）油样分析在机械设备中的运转过程中，润滑是必需的。通过对润滑油样的分析可间接监测磨损的类型和程度，判断磨损的部位，找出磨损的原因，进而预测寿命，为维修提供依据。润滑油样分析包括采样、监测、诊断和处理等步骤。常用的采样方法有磁塞检查法、光谱分析法和铁谱分析法。磁塞检查法是利用带磁的塞头插入润滑系统中的主要通道或油池中，吸附润滑油中的残渣（如钢铁等磁性金属材料的磨粒），然后借助显微镜观察磨粒的大小、多少和形状，以此判断机器零件的磨损状态。72 光谱分析法是利用光谱分析润滑油样中金属的成分和含量，判断零件的磨损程度。这种方法特别适用于有色金属材料。铁谱分析法是将油样按一定的严格操作步骤，稀释在玻璃试管内，使其通过一个强磁场。在强磁场的作用下，不同大小的残渣所能通过的距离不同。根据油样中残渣沉淀的情况即可判断机器零件磨损的程度。6）泄漏检测在机械设备运行中，气态、液态和粉尘状的介质从其裂纹、孔眼和空隙中逸出或进入，造成泄漏。泄漏会使能耗增大、工况劣化、环境污染、损坏加速。泄漏检测的方法主要有皂液检测法、声学法、触媒燃烧器、压力真空衰减测试法等。72 补充四设备技术改造的基本知识一、机床（设备）技术改造（精化）的原因1.机床不能满足工件在尺寸、结构方面的加工要求；2.机床不能满足工件加工精度、表面粗糙度等技术要求；3.机床不能满足工件加工批量的需要。二、机床（设备）技术改造的目的1.提高机床的加工精度；2.提高机床的可靠性和工序能力；3.提高劳动生产率；4.提高机床自动化程度，减轻操作者劳动强度。三、机床（设备）技术改造的依据1.被加工工件；2.机床的使用要求和制造条件。四、机床（设备）技术改造的基本思路以如何制造出合格的工件为核心，从机床、夹具、刀具三个方面展开。五、机床（设备）技术改造（精化）的原则1.重视改造的可行性分析和效益分析；2.保证工件加工精度和表面粗糙度的要求；3.具有一定范围的工艺可能性；4.先进性与实用性相结合；5.注意技术安全问题；6.结合机床维修进行改造。六、设备技术改造的基本途径1.对部件用改变摩擦原理的方法进行改造；2.在修理中对部件进行局部改造；3.从整体上对设备进行结构改造；4.利用技术上成熟且已形成标准化、系列化、商品化的功能部件对现有设备进行技术改造。72 七、机床（设备）改造（精化）技术机床改造（精化）技术通常有以下三个方面：1.提高机床的可靠性和工序能力；2.提高劳动生产率；3.提高机床自动化程度，减轻操作者劳动强度。八、机床数控化改造的一般步骤1.对加工对象进行工艺分析，确定工艺方案；2.分析改造机床，确定被改造机床类型；3.拟定技术措施，制定改造方案；4.进行机床改造的技术设计；5.绘制机床改造工作图；6.整机安装和调试。72