機械工程加工精度的影響因素分析研討

　　相對于人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展需求而言，機械工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎，作為現代化工業(yè)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)環(huán)節，機械加工是利用機械手段針對相關(guān)工件進(jìn)行加工制造的過(guò)程。隨著(zhù)高尖科技的不斷創(chuàng )新與發(fā)展，對于機械元件加工的精度要求愈來(lái)愈高，針對影響機械加工精度的誤差成因，如何在機械加工過(guò)程中避免或減小機械部件的精度誤差，提高和優(yōu)化機械產(chǎn)品的加工質(zhì)量及其性能，成為現代機械加工制造領(lǐng)域廣為關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。

　　一、機械加工精度的概念及內涵

　　機械加工是根據相關(guān)工件的外形尺寸或性能結構設計需求，以車(chē)床、銑床、鉆床、磨床、沖壓機、壓鑄機等專(zhuān)用機械加工設備為介質(zhì)，采用一定的技術(shù)加工手段來(lái)進(jìn)行機械工件產(chǎn)品制作的過(guò)程。根據被加工機械元件所處的溫度狀態(tài)，機械加工通常分為冷加工和熱加工兩種方式。

　　機械加工精度是指相關(guān)工件在加工完成后所具有的包括尺寸大小、幾何形狀以及各表面相互位置等參數的實(shí)際值，與其預先設計應具備的理想幾何參數需求比對的相符程度。加工精度通常包括尺寸精度、形狀精度和位置精度等方面的內容，尺寸精度用來(lái)限制加工表面與其基準間尺寸誤差的范圍，形狀精度用來(lái)限制加工表面宏觀(guān)幾何形狀誤差，位置精度用來(lái)限制加工表面與其基準間的平行度、垂直度、同軸度等相互位置誤差。由于加工機械的性能、技術(shù)方法、生產(chǎn)條件等因素的不同影響，機械加工出來(lái)的相關(guān)零件在其尺寸、形狀和表面相互位置參數與理想參數總是存在一定的偏離誤差，在數值上通常采用加工誤差的大小來(lái)表示加工精度。機械元件的加工精度和表面質(zhì)量等加工質(zhì)量、是保證相關(guān)機械產(chǎn)品裝配質(zhì)量的基礎，加工誤差的大小反映了加工精度的高低。

　　二、機械加工誤差及其產(chǎn)生的原因

　　任何零件在加工過(guò)程都會(huì )存在加工誤差，其來(lái)源是由于機床一夾具一工件一刀具存在誤差;我們把“機床一夾具一工件一刀具”構成一個(gè)完整的系統，稱(chēng)為工藝系統。也即工藝系統的誤差，是造成零件加工誤差的根源，故稱(chēng)之為原始誤差。工藝系統誤差是“因”，加工誤差是“果”。原始誤差與加工誤差是一個(gè)因果關(guān)系，就是說(shuō)因為有原始誤差的存在，所以零件一定存在著(zhù)加工誤差。因此，有多方面的因素對此系統產(chǎn)生影響，引起加工誤差，歸納起來(lái)有以下幾方面的因素：

　　(一)工藝系統幾何誤差。包括機床、夾具、刀具的制造和磨損。尺寸鏈誤差，機床傳動(dòng)鏈的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調整誤差及工件、夾具、刀具的安裝誤差。其還包括定位誤差，一是基準不重合誤差：

　　定位基準與設計基準不重合時(shí)所產(chǎn)生的基準不重合誤差，只有在采用調整法加工時(shí)才會(huì )產(chǎn)生，在試切法加工中不會(huì )產(chǎn)生。二是定位副制造不準確誤差：工件在夾具中的正確位置是由夾具上的定位元件來(lái)確定的�；鶞什恢睾险`差的方向和定位副制造不準確誤差的方向可能不相同，定位誤差取為基準不重合誤差和定位副制造不準確誤差的矢量和。

　　(二)工藝系統熱變形產(chǎn)生的誤差。包括機床、刀具和工件熱變形以及環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的誤差。在加工過(guò)程中，由于受切削熱、摩擦熱以及工作場(chǎng)地周?chē)鸁嵩吹挠绊�，工藝系統的溫度會(huì )產(chǎn)生復雜的變化，工藝系統會(huì )發(fā)生變形，改變了系統中各組成部分的正確相對位置，導致了加工誤差的產(chǎn)生。

　　(三)工藝系統力效應產(chǎn)生的誤差。包括彈性及塑性變形產(chǎn)生的誤差(工藝系統剛性不足或變形引起的誤差)，工件的夾緊誤差，離心力和傳動(dòng)力以及材料本身的殘余應力引起的誤差等。

　　現在影響最大的是內應力重新分布引起的誤差沒(méi)有外力作用而存在于零件內部的應力，稱(chēng)為內應力。工件上一旦產(chǎn)生內應力之后，就會(huì )使工件金屬處于一種高能位的不穩定狀態(tài)，它本能地要向低能位的穩定狀態(tài)轉化，并伴隨有變形發(fā)生，從而使工件喪失原有的加工精度。內應力的產(chǎn)生：在熱處理工序中由于工件壁厚不均勻、冷卻不均、金相組織的轉變等原因，使工件產(chǎn)生內應力。

　　冷校直產(chǎn)生的內應力：絲杠一類(lèi)的細長(cháng)軸經(jīng)過(guò)車(chē)削以后，棒料在軋制中產(chǎn)生的內應力要重新分布，產(chǎn)生彎曲。

　　(四)由于人的情緒和技術(shù)水平的不穩定所引起的加工誤差。

　　三、機械加工工藝系統誤差

　　(一)機床的幾何誤差。在零件的實(shí)際加工中，刀具相對于工件的成形作用主在都是通過(guò)機床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取決于機床的精度。而機床制造誤差對工件加工精度影響較大的有：主軸回轉誤差、導軌誤差和傳動(dòng)鏈誤差。且不難發(fā)現，機床的磨損將使機床工作精度下降。

　　(二)刀具的幾何誤差。任何刀具在切削過(guò)程中，都不可避免地要產(chǎn)生磨損，并由此引起所加工零件件尺寸和形狀地改變。正確地選用刀具材料和選用新型耐磨地刀具材料，正確地采用冷卻液、合理地選用刀具幾何參數和切削用量，正確地刃磨刀具等，都可以有效地減少刀具地尺寸磨損，從而提高所加工零件的精準度。而必要的時(shí)候還可以采用補償裝置對刀具尺寸磨損進(jìn)行自動(dòng)補償。

　　(三)定位誤差。①基準不重合誤差：在零件圖上用來(lái)確定某一表面尺寸、位置所依據的基準稱(chēng)為設計基準。在工序圖上用來(lái)確定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依據的基準稱(chēng)為工序基準。一般情況下，工序基準應與設計基準重合。在機床上對工件進(jìn)行加工時(shí)，必須選用工件上若干幾何要素作為加工時(shí)的定位基準，如果所選用的定位基準與設計基準不重合，那么就會(huì )產(chǎn)生基準不重合誤差�；鶞什恢睾险`差等于定位基準相對于設計基準在工序尺寸方向上的最大變動(dòng)量。②定位副制造不準確誤差：工件在夾具中的正確位置是由夾具上的定位元件來(lái)確定的。夾具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得絕對準確，它們的實(shí)際尺寸都允許在分別規定的公差范圍內變動(dòng)。同時(shí)，工件上的定位基準面也會(huì )有制造誤差。工件定位面與夾具定位元件共同構成定位副，由于定位副制造的不準確和定位副間的配合間隙引起的工件最大位置變動(dòng)量，稱(chēng)為定位副制造不準確誤差。

　　(四)工藝系統受熱變形引起的誤差。工藝系統熱變形對加工精度的影響比較大，特別是在精密加工和大件加工中，由熱變形所引起的加工誤差有時(shí)可占工件總誤差的40～70%。機床、刀具和工件受到各種熱源的作用，溫度會(huì )逐漸升高，同時(shí)它們也通過(guò)各種傳熱方式向周?chē)�的物質(zhì)和空間散發(fā)熱量。當單位時(shí)間傳入的熱量與其散出的熱量相等時(shí)，工藝系統就達到了熱平衡狀態(tài)。

　　四、提高機械精度的誤差控制措施

　　相對來(lái)說(shuō)，機械加工過(guò)程中的精度誤差具有不可避免的客觀(guān)性，但應在最大可能的基礎上將影響機械加工精度的誤差因素控制在允許范圍內，從而提高工件加工質(zhì)量和精度，具體措施如下：

　　(一)減少原始誤差。高零件加工所使用機床的幾何精度，提高夾具、量具及工具本身精度，控制工藝系統受力、受熱變形、刀具磨損、內應力引起的變形、測量誤差等均屬于直接減少原始誤差。它是生產(chǎn)應用較廣的一種基本方法。為了提高機械加工精度，需對產(chǎn)生加工誤差的各項原始誤差進(jìn)行分析，根據不同情況對造成加工誤差的主要原始誤差采取不同的措施解決。對于精密零件的加工應盡可能提高所使用精密機床的幾何精度、剛度和控制加工熱變形;對具有成形表面的零件加工，則主要是如何減少成形刀具形狀誤差和刀具的安裝誤差。以細長(cháng)軸加工為例進(jìn)行分析，在車(chē)床上加工細長(cháng)軸時(shí)，由于長(cháng)度與直徑之比大于20，故剛性差，即使在切削量較小的情況下也會(huì )使工件產(chǎn)生彎曲變形和振動(dòng)，雖然在加工過(guò)程中采用了跟刀架，但仍難車(chē)出較高精度的長(cháng)軸。分析細長(cháng)軸在車(chē)削加工時(shí)的受力狀態(tài)知：采用跟刀架雖消除了背向力引起工件彎曲的因素，但軸向力和工件熱伸長(cháng)還會(huì )導致工件彎曲變形，現采用反拉法切削，一端用卡盤(pán)夾持，另一端采用可伸縮的活頂尖裝夾�？梢赃M(jìn)一步消除熱伸長(cháng)引起的彎曲變形以及徑向顫動(dòng)，使切削平穩，使被加工工件獲得較高的形狀精度。

　　(二)積極實(shí)行實(shí)時(shí)補償控制。在電子信息技術(shù)廣泛使用以前，補償控制技術(shù)主要應用在傳動(dòng)精度要求很高的機床中，其補償控制裝置由校正尺、杠桿、及接收附加運動(dòng)的螺母等組成。機械補償控制裝置簡(jiǎn)單可靠，但補償精度依賴(lài)于校正尺的制作精度，另外校正尺的調整也比較復雜。在現代數控機床上，一般都采用軟件補償，事先測量好的誤差數據放在數據表中，數控系統在完成每一次精插補后，根據當前坐標位置從數據表中查找誤差補償值，并據此控制坐標軸一個(gè)附加的運動(dòng)。軟件補償實(shí)現起來(lái)比較簡(jiǎn)單，不需要增加另外的裝置，誤差數據隨時(shí)可以修改調整。實(shí)時(shí)補償控制是通過(guò)高精度測量裝置在加工過(guò)程中定時(shí)采集誤差數據，根據誤差的方向和大小由補償控制裝置控制刀架走一個(gè)微量位移。實(shí)時(shí)補償控制采集的是當前狀態(tài)下的實(shí)際誤差，雖然補償裝置的機枕慣性使補償的位置會(huì )稍微滯后，但補償精度仍然比較高，實(shí)時(shí)補償控制的缺點(diǎn)是補償裝置復雜且調試相對困難。

　　(三)加強誤差預防。誤差預防是指減少誤差源或改變誤差源至加工誤差之間的數量轉變關(guān)系。常用的方法有：直接減少原始誤差法、誤差轉移法、采用先進(jìn)工藝和設備法、誤差分組法、就地加工法和誤差平均法等。實(shí)踐與分析表明，精度要求高于某一程度后，利用誤差預防技術(shù)來(lái)提高加工精度所花費的成本將成指數增長(cháng)。

　　(四)轉移誤差。這種方法的實(shí)質(zhì)就是將原始誤差從誤差敏感方向轉移到誤差非敏感方向上去。①轉移誤差至非敏感方向。

　　各種原始誤差反映到零件加工誤差上的程度與其是否在誤差敏感方向上有直接關(guān)系。若在加工過(guò)程中設法使其轉移到加工誤差的非敏感方向，則可大大提高加工精度。②轉移誤差至其他對加工精度無(wú)影響的方面。在大型龍門(mén)式機床中，由于橫梁較長(cháng)，故在其上的主軸箱等部件重力的作用下產(chǎn)生彎曲和扭曲變形。

　　使用這類(lèi)機床時(shí)，橫梁變形即為產(chǎn)生加工誤差的主要原始誤差之一。為了消除這項原始誤差的影響，可在機床結構上再增添一根主要承受主軸箱部件重力的附加梁。

　　結論：

　　機械加工是當前機械工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的重要環(huán)節，高端科技條件下，對于機械工件的加工精度和質(zhì)量要求程度較為嚴格，采取合理措施減少或消除相關(guān)影響機械加工精度的誤差因素，是保障機械加工產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。

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