機(jī)械加工誤差的管控

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本文作者：趙金宇、李楊 單位：沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和整體科技水平的提高，機(jī)械工業(yè)的發(fā)展對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有更高的要求。而加工精度是衡量零件加工質(zhì)量的主要指標(biāo)，在機(jī)械加工過(guò)程中，會(huì)有很多因素影響工件的加工質(zhì)量，如何使工件的加工達(dá)到質(zhì)量要求，以及如何減少各種因素對(duì)加工精度的影響，就成為加工前必須考慮的問(wèn)題，也就是要對(duì)影響機(jī)械加工精度的因素進(jìn)行分析。在機(jī)械加工中，由機(jī)床、夾具、刀具與被加工工件一起構(gòu)成了這一加工過(guò)程的一個(gè)整體，這一整體稱為機(jī)械加工工藝系統(tǒng)。因而，分析機(jī)械加工精度的過(guò)程，也就是分析這一工藝系統(tǒng)在各種不同的工作條件下以各種不同方式（或放大、或縮小）反映工件的加工誤差。而機(jī)床、夾具又是這一工藝系統(tǒng)的重要組成部分。下面我們就分析這一工藝系統(tǒng)存在的誤差。

1.機(jī)床的幾何誤差

加工中刀具相對(duì)于工件的成形運(yùn)動(dòng)都是通過(guò)機(jī)床來(lái)完成的，因而，工件的加工精度在很大的程度上取決于機(jī)床的精度。機(jī)床的制造誤差對(duì)工件加工精度影響較大的有：主軸回轉(zhuǎn)誤差、導(dǎo)軌誤差和傳動(dòng)鏈誤差。尤其機(jī)床的磨損將使機(jī)床工作精度下降。

1.1主軸回轉(zhuǎn)誤差

主軸回轉(zhuǎn)誤差對(duì)于工件的位置精度和形狀精度都會(huì)產(chǎn)生直接的影響，其可以分解為角度擺動(dòng)、軸向跳動(dòng)以及徑向跳動(dòng)。因?yàn)榇嬖谝欢ǖ恼`差敏感方向，所以加工表面不同，主軸的徑向跳動(dòng)引起的誤差也不同。比如在車(chē)床上加工內(nèi)孔或者外圓時(shí)，就會(huì)由于主軸的徑向跳動(dòng)而引起圓度誤差，但是對(duì)端面的加工卻沒(méi)有直接的影響；而在車(chē)端面時(shí)，軸向跳動(dòng)又會(huì)引起工件端面的平面度誤差，和端面相對(duì)內(nèi)外圓垂直度的誤差；在車(chē)螺紋時(shí)則會(huì)造成螺距的誤差等。主軸軸向跳運(yùn)對(duì)于內(nèi)孔或者外圓的精度影響比較小，主軸徑向跳動(dòng)和主軸的角度擺動(dòng)對(duì)加工誤差的影響比較相似，區(qū)別就在于主軸角度擺動(dòng)除了影響工件加工表面的圓度誤差外，還會(huì)影響到圓柱度誤差。

1.2導(dǎo)軌誤差

導(dǎo)軌是機(jī)床上確定各機(jī)床部件相對(duì)位置關(guān)系的基準(zhǔn)，除了導(dǎo)軌本身的制造誤差外，導(dǎo)軌的安裝質(zhì)量和不均勻磨損也是造成導(dǎo)軌誤差的主要因素。而導(dǎo)軌磨損是機(jī)床精度下降的主要原因之一。

1.3傳動(dòng)鏈誤差

工件在切削的過(guò)程中，其表面的成形運(yùn)動(dòng)是靠一系列的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括齒輪、螺母、蝸桿、絲桿等傳動(dòng)元件。由于這些元件會(huì)在裝配、加工以及使用過(guò)程中產(chǎn)生磨損而導(dǎo)致誤差，所以就導(dǎo)致傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差。傳動(dòng)線路越長(zhǎng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，傳動(dòng)誤差就會(huì)相應(yīng)的越大。影響工件表面加工精度的誤差因素中，主要因素就是機(jī)床的傳動(dòng)鏈誤差。

2.夾具的幾何誤差

夾具的作用是使工件相對(duì)于機(jī)床和刀具具有一個(gè)正確的安裝位置，因此，夾具的制造誤差對(duì)工件的加工精度影響很大。一是基準(zhǔn)不重合誤差，在零件圖上確定某一表面尺寸、形狀、位置所依據(jù)的基準(zhǔn)稱為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。在工序圖上用來(lái)確定本工序所加工表面加工后的尺寸、形狀、位置所依據(jù)的基準(zhǔn)稱為工序基準(zhǔn)。在機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行加工時(shí)，須選擇工件上若干幾何要素作為加工時(shí)的定位基準(zhǔn)，如果所選用的定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不重合，就會(huì)產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合誤差。二是定位副制造不準(zhǔn)確產(chǎn)生的誤差，夾具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得絕對(duì)準(zhǔn)確，其實(shí)際尺寸（或位置）都允許在規(guī)定的公差范圍內(nèi)變動(dòng)。工件定位面與夾具定位元件共同構(gòu)成定位副，由于定位副制造的不準(zhǔn)確和定位副間的配合間隙引起的工件最大位置變動(dòng)量，稱為定位副制造不準(zhǔn)確誤差。

3.刀具的幾何誤差

任何刀具在切削過(guò)程中，都要產(chǎn)生磨損，并由此引起工件尺寸和形狀地改變。正確的選用刀具材料或新型耐磨刀具材料，合理地選用刀具幾何參數(shù)和切削用量，均能最大限度地減少刀具磨損。必要時(shí)可以采用補(bǔ)償裝置對(duì)刀具的磨損進(jìn)行補(bǔ)償；同時(shí)，對(duì)于數(shù)控銑來(lái)說(shuō)，裝夾刀具的刀柄以及彈簧夾頭的精度也應(yīng)該受到一定的重視，這兩者的好壞也反映了主軸回轉(zhuǎn)的徑向跳動(dòng)對(duì)工件的影響。

4.工藝系統(tǒng)受力變形產(chǎn)生的誤差

4.1工件剛度

工藝系統(tǒng)中如果工件剛度相對(duì)于機(jī)床、夾具、刀具來(lái)說(shuō)比較低，在切削力的作用下，工件由于剛度不足而引起的變形對(duì)加工精度的影響就比較大。還有加工工藝的安排是否合理也是影響加工精度的一個(gè)非常重要的方面。

4.2刀具剛度

外圓車(chē)刀在加工表面法線方向上的剛度很大，其變形可以忽略不計(jì)。但在鏜直徑較小的孔時(shí)，刀桿剛度很差，刀桿的受力變形就對(duì)孔加工精度有很大影響。

4.3機(jī)床部件剛度

機(jī)床部件由許多零件組成，機(jī)床部件剛度現(xiàn)在尚無(wú)合適的計(jì)算方法，目前還是用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定。變形與載荷不成線性關(guān)系，加載和卸載曲線不重合，卸載曲線滯后于加載曲線。兩曲線間所包容的面積就是加載和卸載循環(huán)中所損耗的能量，它消耗于摩擦力所做的功和接觸變形功。第一次卸載后，變形恢復(fù)不到第一次加載的起點(diǎn)，這說(shuō)明有殘余變形存在，必須經(jīng)多次加載卸載后，加載曲線起點(diǎn)才和卸載曲線終點(diǎn)重合，殘余變形才能逐漸減小到零。

5.工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差

工藝系統(tǒng)熱變形對(duì)加工精度的影響比較大，特別是在精密加工和大件加工中，由熱變形引起的加工誤差有時(shí)可占工件總誤差的50％。機(jī)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)它們也會(huì)通過(guò)各種傳熱方式向周?chē)奈镔|(zhì)散發(fā)熱量。

6.調(diào)整的幾何誤差

在機(jī)械加工的每一道工序中，對(duì)工藝系統(tǒng)的調(diào)整是必不可少的，由于調(diào)整不可能絕對(duì)地準(zhǔn)確，因而在調(diào)整過(guò)程中產(chǎn)生誤差。在工藝系統(tǒng)中，刀具、工件在機(jī)床上的互相位置精度，是通過(guò)調(diào)整機(jī)床、夾具、刀具或工件等來(lái)保證的。當(dāng)機(jī)床、夾具、刀具和工件毛坯等的原始精度都達(dá)到工藝要求而又不考慮動(dòng)態(tài)因素時(shí)，調(diào)整誤差的影響，對(duì)加工精度起到?jīng)Q定性的作用。

7.測(cè)量的幾何誤差

零件在加工過(guò)程中和加工完成后進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量方法、檢測(cè)量具精度以及工件等主客觀因素都直接影響測(cè)量精度。

8.結(jié)論

加工精度的高低一般都是通過(guò)加工誤差的大小反應(yīng)出來(lái)的，工藝系統(tǒng)的原始誤差主要有工藝系統(tǒng)的幾何誤差、定位誤差、工藝系統(tǒng)的受力變形引起的加工誤差、工藝系統(tǒng)的受熱變形引起的加工誤差、工件內(nèi)應(yīng)力重新分布引起的變形以及原理誤差、調(diào)整誤差、測(cè)量誤差等。從原始誤差產(chǎn)生的主要來(lái)源看，提高加工精度的途徑有：減小原始誤差；轉(zhuǎn)移原始誤差；均分原始誤差；均化原始誤差；誤差補(bǔ)償?shù)?。因此，我們必須積極采取有效措施，盡量減少原始誤差，進(jìn)而不斷提高加工精度。