淺談機(jī)械加工工藝系統(tǒng)對(duì)加工精度的影響

魏輝朋，梁治民，郭慧鴿

河南萬(wàn)合機(jī)械有限公司，河南新密 452370

1 概述

零件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，必須具備一定的條件，即要有一個(gè)系統(tǒng)來(lái)支持，稱(chēng)之為機(jī)械制造工藝系統(tǒng)，主要是由工件、機(jī)床、工具和夾具所組成。工藝系統(tǒng)對(duì)零件精度影響主要有以下幾方面：工藝系統(tǒng)幾何精度、工藝系統(tǒng)的受力變形、工藝系統(tǒng)熱變形。

2 工藝系統(tǒng)的幾何精度對(duì)加工精度的影響

工藝系統(tǒng)的幾何精度對(duì)加工精度的影響包括：加工原理誤差、調(diào)整誤差、機(jī)床誤差、夾具的制造誤差與磨損、刀具的制造誤差與磨損。

加工原理誤差是采用了近似的成形運(yùn)動(dòng)或近似的切削刃輪廓進(jìn)行加工而產(chǎn)生的誤差。如三坐標(biāo)數(shù)控銑床上銑削復(fù)雜曲面零件時(shí)，通常要用球頭刀采用“行切法”加工。所謂行切法，就是球頭刀與零件輪廓的切點(diǎn)軌跡是一行一行的，而行間的距離S是按零件加工要求確定的，S=8Rh ，S為球頭刀半徑，h為允許的表面不平度。采用近似成形運(yùn)動(dòng)或近似的切削刃輪廓雖然會(huì)帶來(lái)加工原理誤差，但往往可簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)或刀具形狀，或可提高生產(chǎn)效率，有時(shí)甚至能得到高的加工精度。因?yàn)樾星蟹ㄋ鶐?lái)的誤差不超過(guò)規(guī)定的精度要求（其原理誤差小于10%～15%工件的公差值），所以在生產(chǎn)仍能得到廣泛的應(yīng)用。在機(jī)械加工的每個(gè)工序中，總是要對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行這樣那樣的調(diào)整工作。由于調(diào)整不可能絕對(duì)地準(zhǔn)確，因而產(chǎn)生調(diào)整誤差。引起機(jī)床誤差的原因是機(jī)床制造誤差、安裝誤差和磨損等原因綜合引起的。引起夾具的制造誤差與磨損主要原因是：定位元件、刀具導(dǎo)向元件、分度機(jī)構(gòu)、夾具體等的制造誤差；夾具裝配后，以上各種元件工作面間的相對(duì)尺寸誤差；夾具在使用過(guò)程中工作表面的磨損所帶來(lái)的誤差。刀具的制造誤差與磨損對(duì)加工精度的影響根據(jù)刀具種類(lèi)不同而異：用成形車(chē)刀加工零件時(shí)，刀具刃口的不均勻磨損將直接反映在工件上，造成誤差；在加工較大表面（一次走刀需較長(zhǎng)時(shí)間）時(shí)，刀具的磨損會(huì)嚴(yán)重影響工作的形狀精度；用調(diào)整法加工一批工件時(shí)，刀具的磨損會(huì)擴(kuò)大工件尺寸的分散范圍。因此，在刀具達(dá)到急劇磨損階段前就必須重新磨刀。

3 工藝系統(tǒng)的受力變形對(duì)加工精度的影響

在切削加工時(shí)，由機(jī)床、刀具、夾具和工件組成的工藝系統(tǒng)，在切削力、夾緊力以及重力等的作用下，將產(chǎn)生相應(yīng)的變形，使刀具和工件在靜態(tài)下調(diào)整好的相互位置，以及切削成形運(yùn)動(dòng)所需要的正確幾何關(guān)系發(fā)生變化，而造成的加工誤差。減小工藝系統(tǒng)受力變形是保證加工精度的有效途徑之一。在生產(chǎn)實(shí)際中，常從兩個(gè)主要方面采取措施來(lái)予以解決：一是提高系統(tǒng)剛度；二是減小載荷及其變化。從加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率等方面考慮，提高工藝系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)的剛度是最重要的措施。而提高剛度的措施有：合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高聯(lián)接表面的接觸剛度、采用合理的裝夾和加工方式。

工件殘余應(yīng)力引起的變形。是指在沒(méi)有外力作用下或去除外力后工作內(nèi)存留的應(yīng)力。殘余應(yīng)力的來(lái)源主要有：毛坯制造和熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；冷校直帶來(lái)的殘余應(yīng)力；切削加工帶來(lái)的殘余應(yīng)力。要清除殘余應(yīng)力一般可采取下列措施：1）增加消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理程序。如對(duì)鑄、鍛、焊接件進(jìn)行退火或回火等；2）合理安排工藝過(guò)程。例如粗精加工分開(kāi)在不同的工序中進(jìn)行，使粗加工后有一定時(shí)間讓殘余應(yīng)力重新分布，以減少對(duì)精加工的影響；3）改善零件結(jié)構(gòu)，提高零件的剛性，使壁厚均勻等均可減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

4 工藝系統(tǒng)的熱變形對(duì)加工精度的影響

在機(jī)械加工中，工藝系統(tǒng)會(huì)受到各種熱的影響而產(chǎn)生熱變形，這種變形將破壞刀具與工件的正確幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，造成工件的加工誤差。熱變形對(duì)加工精度的影響比較大，特別是精密加工和大件加工中，熱變形所引起的加工誤差通常會(huì)占到工件加工總誤差的40%～70%。熱變形對(duì)精度的影響主要有以下3方面：工件熱變形對(duì)精度的影響、刀具熱變形對(duì)精度的影響、機(jī)床熱變形對(duì)精度的影響。

4.1 工件熱變形對(duì)精度的影響

一般來(lái)說(shuō)工件熱變形在精加工中影響比較嚴(yán)重，特別是長(zhǎng)度長(zhǎng)，而精度要求高的零件。如磨削絲杠就是一個(gè)突出的例子。若絲杠的長(zhǎng)度為2m，每磨一次其溫度相對(duì)于絲杠就升高約3℃，則絲杠的伸長(zhǎng)量：△L＝2000×1.17×10-5×3mm=0.07mm，而6級(jí)絲杠的螺距積累誤差在全長(zhǎng)上不允許超過(guò)0.02mm，由此可見(jiàn)熱變形的嚴(yán)重性。再如銑、刨、磨平面時(shí)，工件在單面受到切削熱的作用，上下表面溫差將導(dǎo)致工件向上拱起，加工中凸起的部分被切去，冷卻后變成下凹造成平面度誤差。為減少這些誤差可以采取的措施：在切削時(shí)使用充分的切削液減少表面升溫，也可采取誤差補(bǔ)償法：在裝夾工件時(shí)使工件表面產(chǎn)生微量的夾緊變形，以此來(lái)減少切削時(shí)工件單面受熱而拱起的誤差，或降低切削用量以減少切削熱和摩擦熱，也可以采用粗加工后停機(jī)以待熱量散發(fā)后再進(jìn)行精加工。

4.2 刀具熱變形對(duì)加工精度的影響

主要由切削熱引起的。連續(xù)切削時(shí)，刀具的熱變形在切削初始階段增加很快，隨后變得較緩慢，經(jīng)過(guò)不長(zhǎng)時(shí)間后（約10min～20min）便趨于平衡狀態(tài)。為減少熱變形應(yīng)合理選擇切削用量和刀具的幾何參數(shù)，并給予充分的冷和潤(rùn)滑。

4.3 機(jī)床熱變形對(duì)精度的影響

機(jī)床在工作過(guò)程中，受到內(nèi)外熱源的影響，各部分溫度將逐漸升高。由于各部件的熱源不同，分布不均勻，以及機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此各部件的溫升不同，而且同一部件不同位置的溫升也不相同，形成不均勻的溫度場(chǎng)，使機(jī)床各部件之間的相互位置發(fā)生變化，破壞了機(jī)床原有的幾何精度而造成加工誤差。

車(chē)床類(lèi)機(jī)床的主要熱源是主軸箱中的軸承、齒輪、離合器等傳動(dòng)副的摩擦使主軸箱和床身的溫度上升，從而造成了機(jī)床主軸抬高和傾斜。大型機(jī)床如導(dǎo)軌磨床、外圓磨床、龍門(mén)銑床等長(zhǎng)床身部件，其溫差的影響也是很顯著的。一般由于溫度分層變化，床身上表面比床身的底面溫度高而形成溫差，因此床身將產(chǎn)生彎曲變形，表面呈中凸?fàn)睢?/p>

減少機(jī)床熱變形有以下幾種方法：1）減少熱源的發(fā)熱和隔離熱源。把熱源從主機(jī)上分離出去，或者從結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑等方面改善其摩擦特性；2）加強(qiáng)散熱能力。可以采取強(qiáng)制冷卻的辦法，吸收熱源發(fā)出的熱量；3）采用合理的機(jī)床部件結(jié)構(gòu)及裝配基準(zhǔn)。采用熱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在變速箱中，將軸、軸承、傳動(dòng)齒輪等對(duì)稱(chēng)布置，可使箱壁溫升均勻，箱體變形減少；4）使機(jī)床加速達(dá)到熱平衡狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)后，熱變形就趨于穩(wěn)定，加工精度就容易控制。可以使機(jī)床高速空運(yùn)轉(zhuǎn)，或適當(dāng)部位設(shè)置熱源以快速達(dá)到熱平衡狀態(tài)；5）控制環(huán)境溫度。精密機(jī)床可安裝在恒溫車(chē)間，恒溫室平均溫度為20℃，冬季為17℃，夏季為23℃。