04第四讲 主轴回转误差

实验一机床主轴的回转误差运动测试随着科学技术的飞速发展,很多行业对回转轴差动误差的测量都极为重视,例如,有许多行业的设备都需要高精度的机械零件，它们的形状误差和表面粗糙程度往往要求在0.1~０.２5μm以下。

要加工出这样高精度的机械零件,需要多方面的条件来配合才能够满足要求,其中的机床主轴的回转精度是最关键的条件之一。

而测量主轴的误差运动则可以了解机床主轴的回转状态及产生误差的原因，对机床的加工而言,它可以用来预测机床的理想加工条件下所能达到的最小形状误差,并判断产生加工误差的原因。

本实验对如何正确测量机床主轴的误差运动进行一些探讨。

一、有关的基础知识1 轴误差运动理想回转轴线——回转轴运转时，其轴心线在空间的位置稳定不变,即与空间的一条直线相重合,且无轴向的相对移动,我们就称这条固定直线为理想轴线。

但实际上，回转轴组件由于各零件的加工误差及安装误差存在，它的回转轴线在空间的位置是漂移的,并非固定不变。

那么,我们就把回转过程中实际的回转轴轴心线对理想线的相对位置的相对位移定义为回转轴的误差运动。

在实际研究中,往往根据不同的研究对象和目的，可以将理想轴线有选择地和不同的元件“固接”在一起。

例如,我们研究轴承时,可以把理想轴线和轴壳“固接”，这时的误差运动是回转过程中回转轴线对轴承壳体的相对运动,反映出轴承的回转质量,如果研究的是加工设备（如机床)，对刀具回转类机床,理想轴线可以与工件“固接”；对于工件回转加工类机床,理想轴线则可与刀具“固接”;这时主轴的回转误差运动就是刀具——工件之间的相对位移,反映出来的是加工误差。

但应注意,回转误差运动是一个复杂的合成误差，它是由几个方向的误差所组成，下面来具体分析（见图1-1）：总的来讲,实际回转轴线对理想轴线AB在每一个瞬间的相对运动可以分解为三类五个运动：纯轴向运动z(t)，纯径向运动x(ｔ)和y(t)，倾角运动α（t)和β（t)。

从分解的五种运动的特点可看出，径向误差运动r（t)是由纯径向运动x(t) 、ｙ（t) 和倾角运动α（t)、β(t)合成的结果。

2-2切削过程的三个变形区各有何特点？它们之间有什么关联？答：切削塑性金属材料时，刀具与工件接触的区域可分为3个变形区：①第一变形区（基本变形区）：是切削层的塑性变形区，其变形量最大，常用它来说明切削过程的变形情况；②第二变形区（摩擦变形区）：是切屑与前面摩擦的区域；③第三变形区（表面变形区）：是工件已加工表面与后面接触的区域。

它们之间的关联是：这三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而且复杂，金属的被切削层就在此处与工件基体发生分离，大部分变成切屑，很小的一部分留在已加工表面上。

2-3分析积屑瘤产生的原因及其对加工的影响，生产中最有效的控制积屑瘤的手段是什么？答：在中低速切削塑性金属材料时,刀—屑接触表面由于强烈的挤压和摩擦而成为新鲜表面,两接触表面的金属原子产生强大的吸引力,使少量切屑金属粘结在前刀面上,产生了冷焊,并加工硬化,形成瘤核。

瘤核逐渐长大成为积屑瘤，且周期性地成长与脱落。

积屑瘤粘结在前刀面上，减少了刀具的磨损；积屑瘤使刀具的实际工作前角大，有利于减小切削力；积屑瘤伸出刀刃之外，使切削厚度增加，降低了工件的加工精度；积屑瘤使工件已加工表面变得较为粗糙。

由此可见：积屑瘤对粗加工有利，生产中应加以利用；而对精加工不利，应以避免。

消除措施：采用高速切削或低速切削，避免中低速切削；增大刀具前角，降低切削力；采用切削液。

2-7车削时切削合力为什么常分解为三个相互垂直的分力来分析？分力作用是什么？答：（1）车削时的切削运动为三个相互垂直的运动：主运动（切削速度）、进给运动（进给量）、切深运动（背吃刀量），为了实际应用和方便计算，在实际切削时将切削合力分解成沿三个运动方向、相互垂直的分力。

（2）各分力作用：切削力是计算车刀强度、设计机床主轴系统、确定机床功率所必须的；进给力是设计进给机构、计算车刀进给功率所必需的；背向力是计算工件挠度、机床零件和车刀强度的依据，与切削过程中的振动有关。

2-11背吃刀量和进给量对切削力和切削温度的影响是否一样？为什么？如何运用这一定律知道生产实践？答：不一样。

机床误差对加工精度的影响机床误差是机床的制造、安装误差和使用中的磨损形成的。

在机床的各类误差中，对工件加工精度影响较大的主要是主轴回转误差和导轨误差。

主轴回转误差：机床主轴是带动工件或刀具回转以产生主要切削运动的重要零件。

其回转运动精度是机床主要精度指标之一，主要影响零件加工表面的几何形状精度、位置精度和表面粗糙度。

主轴回转误差主要包括其径向圆跳动、轴向窜动和摆动。

造成主轴径向圆跳动的主要原因是轴径与轴承孔圆度不高、轴承滚道的形状误差、轴与孔安装后不同轴以及滚动体误差等。

主轴径向圆跳动将造成工件的形状误差。

造成主轴轴向窜动的主要原因有推力轴承端面滚道的跳动、轴承间隙等。

以车床为例，主轴轴向窜动将造成车削端面与轴心线的垂直度误差。

主轴前后轴颈的不同轴以及前后轴承、轴承孔的不同轴会造成主轴出现摆动现象。

摆动不仅会造成工件尺寸误差，而且还会造成工件的形状误差。

导轨误差：导轨是确定机床主要部件相对位置的基准件，也是运动的基准，它的各项误差直接影响着工件的精度。

以数控车床为例，当床身导轨在水平面内出现弯曲（前凸）时，工件上产生腰鼓形误差，如图2—97a 所示；当床身导轨与主轴轴心线在垂直面内不平行时，工件上会产生鞍形误差，如图2一97b所示；而当床身导轨与主轴轴心线在水平面内不平行时，工件上会产生锥形误差，如图2—97c 所示。

事实上，数控车床导轨在水平面和垂直面内的几何误差对加工精度的影响程度是不一样的。

影响最大的是导轨在水平面内的弯曲或与主轴轴心线的平行度，而导轨在垂直面内的弯曲或与主轴轴心线的平行度对加工精度的影响则很小，甚至可以忽略。

如图2—98所示，当导轨在水平面和垂直面内都有一个误差△时，前者造成的半径方向的加工误差△R ＝△，而后者△R ≈△2／d ，完全可以忽略不计。

因此，对于几何误差所引起的刀具与工件间的相对位移，如果该误差产生在加工表面的法线方向，则对加工精度构成直接影响，即为误差敏感方向；若位移产生在加工表面的切线方向，则不会对加工精度构成直接影响，即为误差非敏感方向。

实验主轴回转精度的测定一、 概述随着机械制造业的发展，对零件的加工精度要求越来越高，由此对机床精度要求也越来越高。

作为机床核心——主轴部件的回转误差运动，直接影响机床的加工精度，它是反映机床动态性能的主要指标之一，在《金属切削机床样机试验规范》中已列为机床性能试验的一个项目。

多年来，国内外一直在广泛开展对主轴回转误差运动测量方法的研究，并取得一定的成果。

研究主轴误差运动的目的，一是找出误差产生的原因，另一是找出误差对加工质量影响的大小。

为此，不仅对主轴回转误差运动要能够进行定性分析，而且还要能够给出误差的具体数值。

过去流行的测试与数据处理方法，是传统的捷克VUOSO双向测量法和美国LRL单向测量法。

前者适用于测试刀具回转型主轴径向误差运动,后者适用于测试工件回转型主轴径向误差运动。

两种方法都是在机床空载或模拟加工的条件下，通过对基准球(环)的测量，在示波器屏幕上显示出主轴回转而产生的圆图象。

将圆图象拍摄下来便可用圆度样板读取主轴径向误差运动数值。

这种测试方法虽然能够在试验现场显示图形，直观性强，便于监视机床的安装调试，但也存在一些不足，如基准钢球的形状误差会复映进去，不能反映切削受载状态,存在一定的原理误差等。

所以测量精度难以提高，实际应用受到一定限制。

经过多年的研究，目前主轴误差运动主轴误差运动的测试与数据处理方法有了很大的改进，引入频镨分析理论和FFT变换技术，通过用计算机来进行测量数据处理，使整个测量过程更方便、数据处理更科学、测量结果更正确。

二、 实验目的1．了解机床主轴回转误差运动的表现形式、定义、评判原则、产生原因及对机床加工精度的影响。

2．懂得主轴回转误差的测量方法及实验原理。

三、 主轴径向误差运动的测试原理及方法1．主轴回转误差运动主轴回转时，在某一瞬时，旋转的线速度为零的端点联线为主轴在该瞬时的回转中心线。

理想情况下，主铀回转中心线的空间位置，相对于某一固定参考系统应该是不随时间变化的。

实训三机床主轴的回转误差运动测试1.实验目的加工高精度的机械零件，对机床主轴的回转精度有非常高的要求。

测量机床主轴的误差运动可以了解机床主轴的回转状态，分析误差产生的原因。

通过机床主轴回转误差运动测试，要求学生：(1) 了解机床的主轴回转误差运动的测试方法。

(2) 熟悉传感器的基本工作原理。

(3) 掌握传感器的选用原则及测试系统的基本组成。

(4) 熟悉并掌握仪器的基本操作方法。

(5) 基本掌握数据处理与图像分析方法。

2．实验原理本实验使用两种方法进行误差运动测试：(1) 带机械消偏的单向法直角座标显示的误差运动测试，见本实验的背景材料中的图1-9。

(2) 电气消偏单向法圆图像显示的回转轴误差运动测试，见本实验的背景材料中的图1-13。

3．实验对象以C6140普通车床的回转主轴为研究对象，测试其在回转情况下的误差运动。

根据测试数据，用图像分析方法表示误差运动，分析误差运动产生的原因。

4．主要实验仪器和设备(1) C6140普通车床(2) 回转精度测试仪(3) 涡流测振仪(4) 信号发生器(5) 双踪示波器(6) 数字式万用表(7) 可调偏心的测量装置5．实验步骤1.1.1 5.1 带机械消偏的单向法直角座标显示的回转轴误差运动测试(1) 按照仪器的操作说明，熟悉系统所用各仪器控制面板上的旋钮、按键的作用及操作方法；(2) 按照原理框图正确地将系统中各仪器的信号线连通；(3) 调整标准盘1(作为补偿信号)和标准盘2(作为误差的测量信号)的偏心量，标准盘2的偏心量e2应尽可能小，仅稍大于被测量轴回转误差值，以保证得到信号即可，偏心量一般调整到0.03mm~0.05mm；标准盘1的偏心量e1应尽可能调大，大到使被测量轴回转误差值相对于偏心量可以忽略不计，及得到一个接近于纯偏心信号的光滑曲线，但因受涡流传感器工作间隙的限制，偏心量无法无限制地加大，一般调到0.40mm~0.60mm即可，并使e1和e2相差180o；(4) 经指导老师检查系统连接正确后，接通电源预热仪器；(5) 按测振仪使用要求调整好涡流传感器的工作间隙；(6) 调整好机床转速，启动机床；(7) 调整测振仪灵敏度，使之满足下面的关系式：e1.k1传感.k1测振仪= e2.k2传感.k2测振仪(8) 将满足以上关系式的两路输出信号经加法器(借用回转精度测试仪后面板上的加法器，此时应将总接口插板抽出)相加，在示波器上得到误差曲线，曲线上最高点与最低点的高度差即为圆度误差的相对值，曲线最大的垂直度即为粗糙度的相对值；(9) 标定，方法为：用正弦信号发生器输出一标准正弦信号，使其幅值为测振仪当前档位（如30um档）的满量程输出的电压值，将该正弦信号送入加法器输入端，在示波器上得到一幅值为A mm的正弦信号，则该测量系统的标定系数为30um/A mm；(10) 求出绝对误差=相对误差(mm)×30um/A mm；(11) 停机床、关仪器，并拆除仪器的所有连接线，整理现场。

第一章1．什么是机械加工工艺规程？机械加工工艺规程是指导零件加工和安排生产的工艺文件。

2. 工艺规程有哪几种形式？分别应用在什么场合？●专用工艺规程：针对每一个产品和零件所设计的工艺规程●通用工艺规程：（1）典型工艺规程，为一组结构相似的零部件所设计的通用工艺规程（2）成组工艺规程，按成组技术原理将零件分类成组，针对每一组零件所设计的通用工艺规程●标准工艺规程：（1）机械加工工艺规程（2）装配工艺规程3．为什么要对零件图纸进行工艺审查？分析产品图纸，熟悉该产品的用途、性能及工作状态，明确被加工零件在产品中的位置和作用，进而了解图纸上各项技术要求制定的依据，以便在拟定工艺规程时采取适当的工艺措施加以保证。

4．什么是零件的结构工艺性？零件的结果工艺性，是指零件在能满足使用要求的前提下，制造的可行性和经济性。

5．什么是基准？什么是设计基准？什么是工艺基准？工艺基准又分成哪几种基准？都应用在什么场合？基准是用来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。

一个几何关系只有一个基准。

设计基准是零件设计图样上所采用的基准。

工艺基准是在加工和装配过程中所采用的基准。

可分为①工艺基准，是在工序图上用来确定本工序加工表面加工后的尺寸、位置的基准。

②定位基准，工件在机床上或夹具上加工时用作定位的基础。

③测量基准，工件在测量时所采用的基准。

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。

6．什么是粗基准？什么是精基准？什么是辅助基准？在最初的工序中只能选择未加工的毛坯表面作为定位基准，这种表面称为粗基准。

用加工过的表面作为定位基准称为精基准。

为满足工艺需要而在工件上专门设置或加工出的定位面，称为辅助基准。

7．粗基准选择的原则是什么？（1）如果工件必须首先保证某重要表面的加工余量均匀，则应选择该表面为粗基准（2）如果必须首先保证工件加工加工表面与不加工表面之间的位置精度，则应以不加工表面作为粗基准（3）如果零件上每个表面都要加工，则应以加工余量最小的表面作为粗基准（4）选用粗基准的表面，应平整，没有浇口，冒口或飞边等缺陷，以便定位可靠（5）粗基准一般只能使用一次，以免产生较大的位置误差。

主轴动态回转精度测试介绍一、前言数控机床主轴组件的精度包含以下两个方面：1.几何精度-主轴组件的几何精度，是指装配后，在无负载低速转动(用手转动或低速机械转速)的条件下，主轴轴线和主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动，以及主轴对某参考系统(如刀架或工作台的纵、横移动方向)的位置精度，如平行度和垂直度等；2.回转精度-指的是主轴在以正常工作转速做回转运动时，轴线位置的变化。

二、主轴回转精度的定义主轴在作转动运动时，在同一瞬间，主轴上线速度为零的点的联机，称为主轴在该瞬间的回转中心线，在理想状况下，主轴在每一瞬间的回转中心线的空间位置，相对于某一固定的参考系统(例如：刀架、主轴箱体或数控机床的工作台面)来说，应该是固定不变的。

但实际上，由于主轴的轴颈支承在轴承上，轴承又安装在主轴箱体孔内，主轴上还有齿轮或其它传动件，由于轴颈的不圆、轴承的缺陷、支承端面对轴颈中心线的不垂直，主轴的挠曲和数控机床结构的共振等原因，主轴回转中心线的空间位置，在每一瞬时都是变动的。

把回转主轴的这些瞬间回转中心线的平均空间位置定义为主轴的理想回转中心线，而且与固定的参考坐标系统联系在一起。

这样，主轴瞬间回转中心线的空间位置相对于理想中心线的空间位置的偏离就是回转主轴在该瞬间的误差运动。

这些瞬间误差运动的轨迹，就是回转主轴误差运动的轨迹。

主轴误差运动的范围，就是所谓的「主轴回转精度」。

由此可见，主轴的回转精度，说明回转主轴中心线空间位置的稳定性特点。

三、主轴回转精度量测3.1 主轴回转误差运动的测量与研究目的对主轴回转误差运动的测量和研究有两方面的目的：(1).从设计、制造的角度出发，希望通过测量研究找出设计、制造因素与主轴误差运动的关系，及如何根据误差运动的特点，评定主轴系统的设计和制造质量，同时找出产生误差运动的主要原因，以便做进一步改善。

(2).从使用的角度出发，希望找出主轴运动与加工精度和表面粗糙度的关系，及如何根据误差运动的特点，预测出数控机床在理想条件下所能加工出的工件几何与表面粗糙度，给选用数控机床及设计数控机床提出依据。