淺談提高機(jī)械加工精度的方法

李錦濤

（天津工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，天津300160）

在機(jī)械加工過程中，工藝系統(tǒng)會產(chǎn)生各種誤差，從而改變刀具和工件在切削運(yùn)動過程中的相互位置關(guān)系，而影響零件的加工精度。也就是說，這些誤差與工藝系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和切削過程有關(guān)。針對眾多影響工件最終加工質(zhì)量的因素，必須分析原因，采取相應(yīng)措施，減少加工誤差，提高機(jī)械加工精度。

1 機(jī)械加工精度與加工誤差的概述

機(jī)械加工精度，指零件加工后的實(shí)際幾何參數(shù)（尺寸、形狀和位置）與理想幾何參數(shù)的符合程度。

機(jī)械加工誤差，指實(shí)際加工由機(jī)床、夾具、刀具和工件組成的機(jī)械加工工藝系統(tǒng)（簡稱工藝系統(tǒng)），不可能做得與理想零件完全一致，總會有各種各樣大小不同的偏差，零件加工后的實(shí)際幾何參數(shù)對理想幾何參數(shù)的偏離程度，這些偏差在各種不同的具體工作條件下，都會以各種不同的方式（或擴(kuò)大、或縮小）反映出誤差。另一方面在加工過程中，由于力、熱、磨損等物理因素，也會引起的加工誤差。

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、受力變形引起的加工誤差、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、測量誤差等。

2 機(jī)械加工誤差敏感方向

刀具偏移為Δ，工件半徑由R變?yōu)镽’，加工誤差為2δ

（1）如果Δ在半徑方向：δ=R’-R=Δ

圖1 某刀具機(jī)械的誤差的平面結(jié)構(gòu)圖

3 影響加工精度的主要因素

3.1 系統(tǒng)的幾何誤差

（1）加工原理誤差。是由于采用了近似的加工運(yùn)動方式，或者近似的刀具輪廓而產(chǎn)生的誤差，因在加工原理上存在誤差，故稱加工原理誤差。只要原理誤差在允許范圍內(nèi)，這種加工方式仍是可行的。

（2）機(jī)床的幾何誤差。加工中刀具相對于工件的成形運(yùn)動，一般都是通過機(jī)床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取決于機(jī)床的精度。機(jī)床的制造誤差、安裝誤差以及使用中的磨損，都直接影響工件的加工精度。其中主要是機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動、機(jī)床導(dǎo)軌直線運(yùn)動和機(jī)床傳動鏈的誤差。

（3）刀具的幾何誤差。刀具的制造誤差、安裝誤差以及使用中的磨損，都影響工件的加工精度。刀具誤差對加工精度的影響隨刀具種類的不同而不同。采用定尺寸刀具、成形刀具、展成刀具加工時(shí)，刀具的制造誤差會直接影響工件的加工精度。刀具在切削過程中，切削刃、刀面與工件、切屑產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，使刀具磨損。當(dāng)?shù)毒吣p達(dá)到一定值時(shí)，工件的表面粗糙度值增大，切屑顏色和形狀發(fā)生變化，并伴有振動。刀具磨損將直接影響切削生產(chǎn)率、加工質(zhì)量和成本。

3.2 定位的誤差

（1）基準(zhǔn)不重合誤差。當(dāng)定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合時(shí)而造成的加工誤差，稱為基準(zhǔn)不重合誤差，其大小等于定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)之間尺寸的公差，用△B表示。在機(jī)床上對工件進(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，就會產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合誤差。

（2）定位副制造不準(zhǔn)確誤差。夾具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得絕對準(zhǔn)確，它們的實(shí)際尺寸（或位置）都允許在分別規(guī)定的公差范圍內(nèi)變動。工件定位面與夾具定位元件共同構(gòu)成定位副，由于定位副制造得不準(zhǔn)確和定位副間的配合間隙，引起的工件最大位置變動量，稱為定位副制造不準(zhǔn)確誤差。用△Y表示。圖2（a）是圓套銑鍵槽的工序簡圖，工序尺寸為A和B。圖2（b）是加工示意圖，工件以內(nèi)孔D在圓柱心軸上定位，O是心軸軸心，C是對刀尺寸。尺寸A的工序基準(zhǔn)是內(nèi)孔軸線，定位基準(zhǔn)也是內(nèi)孔軸線，兩者重合，△B=0。但是，由于工件內(nèi)孔面與心軸圓柱面有制造公差和最小配合間隙，使得定位基準(zhǔn)（工件內(nèi)孔軸線）與限位基準(zhǔn)（心軸軸線）不能重合，定位基準(zhǔn)相對于限位基準(zhǔn)下移了一段距離，由于刀具調(diào)整好位置后在加工一批工件過程中位置不再變動（與限位基準(zhǔn)的位置不變）。所以，定位基準(zhǔn)的位置變動影響到尺寸A的大小，給尺寸A造成了誤差，這個(gè)誤差就是定位副制造不準(zhǔn)確誤差。

圖2 圓套銑鍵槽工序的基準(zhǔn)位移誤差

定位副制造不準(zhǔn)確誤差的大小，應(yīng)等于因定位基準(zhǔn)與限位基準(zhǔn)不重合造成工序尺寸的最大變動量。

3.3 工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差

（1）工件、刀具、機(jī)床部件的剛度。工藝系統(tǒng)中如果工件剛度相對于機(jī)床、刀具、夾具來說比較低，切削過程中，工藝系統(tǒng)的剛度隨切削力著力點(diǎn)位置的變化而變化，引起系統(tǒng)變形的差異，使零件產(chǎn)生加工誤差。由機(jī)床、夾具、工件、刀具所組成的工藝系統(tǒng)是一個(gè)彈性系統(tǒng)，在加工過程中由于切削力、傳動力、慣性力、夾緊力以及重力的作用，會產(chǎn)生彈性變形，從而破壞了刀具與工件之間的準(zhǔn)確位置，產(chǎn)生加工誤差。例如車削細(xì)長軸時(shí)（圖3），在切削力的作用下，工件因彈性變形而出現(xiàn)“讓刀”現(xiàn)象。隨著刀具的進(jìn)給，在工件的全長上切削深度將會由多變少，然后再由少變多，結(jié)果使零件產(chǎn)生腰鼓形。

圖3 細(xì)長軸車削時(shí)受力變形

（2）毛坯加工余量不均和材料硬度的變化。工件的毛坯外形雖然具有粗略的零件形狀，但在尺寸、形狀以及表面層材料硬度均勻性上與工件都有較大的誤差。毛坯的這些誤差，在加工時(shí)使切削深度不斷發(fā)生變化，從而導(dǎo)致切削力的變化，進(jìn)而引起工藝系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，使得零件在加工后還保留與毛坯表面類似的形狀或尺寸誤差。當(dāng)然工件表面殘留的誤差比毛坯表面誤差要小得多，這種現(xiàn)象稱為“誤差復(fù)映規(guī)律”，所引起的加工誤差稱為“復(fù)映誤差”。

3.4 工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差

工藝系統(tǒng)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50%。機(jī)床、刀具和工件受到各種熱源的作用，溫度會逐漸升高，同時(shí)它們也通過各種傳熱方式，向周圍的物質(zhì)和空間散發(fā)熱量。

3.5 調(diào)整誤差

在機(jī)械加工的每一工序中，總要對工藝系統(tǒng)進(jìn)行這樣或那樣的調(diào)整工作。由于調(diào)整不可能絕對地準(zhǔn)確，因而產(chǎn)生調(diào)整誤差。在工藝系統(tǒng)中，工件、刀具在機(jī)床上的互相位置精度，是通過調(diào)整機(jī)床、刀具、夾具或工件等來保證的。當(dāng)機(jī)床、刀具、夾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態(tài)因素時(shí)，調(diào)整誤差的影響，對加工精度起到?jīng)Q定性的作用。

3.6 測量誤差

零件在加工時(shí)或加工后進(jìn)行測量時(shí)，由于測量方法、量具精度、工件和主客觀因素，都直接影響測量精度。

4 提高加工精度的有效途徑

4.1 減少原始誤差

提高零件加工所使用機(jī)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(tǒng)受力、受熱變形、刀具磨損、內(nèi)應(yīng)力引起的變形、測量誤差等，均屬于直接減少原始誤差。為了提高機(jī)械加工精度，需對產(chǎn)生加工誤差的各項(xiàng)原始誤差進(jìn)行分析，根據(jù)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(yīng)盡可能提高所使用精密機(jī)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。

4.2 補(bǔ)償原始誤差

對工藝系統(tǒng)的一些原始誤差，可采取誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ钥刂破鋵α慵庸ふ`差的影響。誤差補(bǔ)償法，是人為地造出一種新的原始誤差，從而補(bǔ)償或抵消原來工藝系統(tǒng)中固有的原始誤差，達(dá)到減少加工誤差、提高加工精度的目的。當(dāng)原始誤差是負(fù)值時(shí)，人為的誤差就取正值，反之，則取負(fù)值，并盡量使兩者大小相等；或者利用原有的一種原始誤差去部分或全部地抵消原有原始誤差或另一種原始誤差，也是盡量使兩者大小相等，方向相反，從而達(dá)到減少加工誤差、提高加工精度的目的。

4.3 轉(zhuǎn)移原始誤差

轉(zhuǎn)移工藝系統(tǒng)的幾何誤差、受力變形和熱變形等，就是將原始誤差從誤差敏感方向轉(zhuǎn)移到誤差非敏感方向上去。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。若在加工過程中設(shè)法使其轉(zhuǎn)移到加工誤差的非敏感方向，則可大大提高加工精度。轉(zhuǎn)移原始誤差至其他對加工精度無影響的方面。如磨削主軸錐孔保證其和軸頸的同軸度，不是靠機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度來保證，而是靠夾具保證。當(dāng)機(jī)床主軸與工件之間用浮動聯(lián)接以后，機(jī)床主軸的原始誤差就被轉(zhuǎn)移掉了。

4.4 分化原始誤差

為了提高一批零件的加工精度，可采取分化某些原始誤差的方法。根據(jù)誤差反映規(guī)律，將毛坯或上道工序的工件尺寸經(jīng)測量按大小分為n組，每組工件的尺寸范圍就縮減為原來的1/n，然后按各組的誤差范圍，分別調(diào)整刀具相對工件的準(zhǔn)確位置，使各組工件的尺寸分散范圍中心基本一致，以使整批工件的尺寸分散范圍大大縮小。

4.5 均化原始誤差

對加工精度要求高的零件表面，可以采取在不斷試切加工過程中，逐步均化原始誤差的方法。通過加工使被加工表面原有誤差不斷縮小和平均化的過程，原理就是通過有密切聯(lián)系的工件或工具表面的相互比較和檢查，從中找出它們之間的差異，然后再進(jìn)行相互修正加工或基準(zhǔn)加工。在生產(chǎn)中，許多精密基準(zhǔn)件（如平板、直尺、角度規(guī)、端齒分度盤等）都是利用誤差均化法加工出來的。

5 結(jié)束語

隨著我國機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展和各種各樣零件的需求與日俱增，對機(jī)械加工精度必然提出更高的要求。在機(jī)械加工中，誤差是不可避免的，只有對誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行詳細(xì)的分析，才能采取相應(yīng)的預(yù)防措施減少加工誤差，提高機(jī)械加工精度。研究機(jī)械加工精度技術(shù)，使之能適合目前我國市場的變化和需求，對機(jī)械加工工藝的編制，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，

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