機械加工工藝技術誤差分析與控制

李明明，白志紅

機械加工工藝技術誤差分析與控制

李明明，白志紅

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌，461000）

機械加工過程中過量的誤差影響機械產品性能。在研究分析機械加工工藝技術誤差來源的基礎之上，確定了誤差來源，主要包括定位誤差、機床制造誤差和工具幾何誤差；分析了相應的誤差控制方法，包括誤差補償法、直接減小誤差法和誤差分組法，并加以比較；最終提出了三種誤差控制方法在不同機械加工中的應用特征。對實踐工作有參考價值。

機械產品；加工工藝；誤差分析；誤差控制；精度

引言

機械加工工藝技術在一定程度上決定了機械產品的精確度和可靠性。近年來，受產品精細化發展趨勢的影響，人們對機械產品質量的要求越來越高。然而在實際過程中，加工所得產品的參數與規劃設計之間總是不可避免地存在一定誤差，如果誤差超過標準范圍，必然會影響其使用性能。因此，必須加強機械加工工藝技術中的誤差分析，并在此基礎上探尋提升工藝技術的措施，從而確保產品質量最優化。

1　機械加工工藝

在機械加工中，工藝員根據加工設備條件、待加工產品數量，以及工人加工素質等實際情況，確定應采用的工藝過程，并把相關加工內容和要求制成工藝文件，這些工藝文件也稱為工藝規程，是組織生產的重要技術文件。由于各個工廠的實際生產情況和工藝流程各不相同，因此工藝規程的針對性較強。

所謂機械加工工藝過程，是指通過機械加工改變毛坯的表面質量、尺寸與形狀等，使其成為零件的過程。例如，一個普通零件的粗加工、精加工、裝配、檢驗、包裝等過程，為一套完整的機械加工工藝過程。以上過程中所采用的技術，稱作機械加工工藝技術。

2　誤差來源

在機械加工工藝過程中，會受到加工環境、人員操作以及車床自身等因素的影響，導致加工所得工件與設計尺寸之間存在較大差異，尤其是對于一些對緊密度要求較高的“高精尖”設備，如果誤差過大，將會失去利用價值，造成材料浪費和經濟損失。因此，必須詳細分析機械加工工藝技術誤差來源，為誤差控制奠定基礎[1]。

2.1定位誤差

在利用機床進行產品加工時，往往需要選擇該產品上的某一幾何要素作為定位基準。然而，受到人為操作或零件自身因素的影響，很容易導致基準定位不準確，為后期機械加工造成負面影響。通常來說，在機械加工階段所產生的定位誤差主要分為兩大類：定位參照誤差和基準不重合誤差。

2.1.1定位參照誤差

使用數控機床進行機械加工時，工件是以計算機上的數字模型為基準，通過程序控制指令進行復制加工。然而，如果數字模型與待加工工件之間的定位參照存在明顯誤差，就會導致后期出現配合間隙，所加工出來的工件與模型之間存在較大差距，難以滿足實際使用需求，造成材料浪費。

2.1.2基準不重合誤差

除了參照計算機數字模型進行工件加工外，還可利用已有的實際工件進行工件加工復制。在加工之前，需要將標準件與加工模板對齊，保證兩者之間的基準重合。然而，由于加工過程中會產生機床振動，導致兩者之間的基準出現偏差（如圖1所示），如果不能及時進行基準調整，后期加工出來的工件往往會出現變形等問題。

圖1　基準不重合誤差

2.2機床制造誤差

根據機床制造誤差的產生來源，可將其分為三類：傳動鏈誤差、導軌誤差和主軸回轉誤差。

2.2.1傳動鏈誤差

機床傳動鏈的傳動來自位于機床兩端的傳動滾筒引導。由于兩端滾筒存在一定的水平高度差，因此在相對運動階段就會產生傳動誤差。通常來說，這種傳動誤差并不會直接影響機床工件的加工精度。然而，由于機床自身裝配和結構特點的制約，傳動鏈在運動過程中，還會使得機床其他構件發生同步運動，有可能對機床工件的加工精度造成負面影響。

2.2.2導軌誤差

機床導軌除了用于固定工件外，還能夠為工件基準位置的確定提供參考依據。然而，隨著機床使用年限的增長，導軌表面磨損、不均勻等問題也會逐漸突顯，如果仍以導軌作為衡量基準，必然會產生誤差。

2.2.3主軸回轉誤差

導致主軸回轉誤差的因素較多，除了軸承自身磨損、老化外，還有在加工階段出現的同軸轉速誤差、主軸繞素誤差，以及回轉誤差等。由于主軸在機械加工中發揮主要作用，因此其一旦出現回轉誤差，將直接影響零件加工精度[2]。

2.3工具幾何誤差

除了上述必要加工設備外，在進行機械加工時，還需應用到各類輔助工具，如果工具選用不合理，或是工具本身存在一定問題，也有可能導致機械加工過程中出現誤差。以夾具為例，其主要作用是將被加工模板固定在機床上，其產生的幾何誤差主要體現在兩方面：一是夾具在長期使用過程中，出現磨損或松動，導致工件固定不穩，那么后期加工就容易出現工件位移，造成加工誤差（如圖2所示）；二是夾具的加工位置出現偏差。以刀具為例，其作為一種易耗材料，在工件加工過程中必然會出現一定磨損（如圖3所示）。磨損到一定程度后，在預定的加工時間內就難以取得預期的加工效果，使得工件尺寸、加工進度等都無法達到標準要求。除了刀具精度以外，刀具種類的選擇、刀具尺寸的選用等，也會成為影響機械加工工藝的重要因素。

圖2　加工誤差

圖3　刀具磨損偏差（單位：mm）時間t的變化曲線

3　機械加工工藝技術誤差控制

3.1誤差補償法

誤差雖然不可避免，但可通過人為參數修改和機械調整實現誤差補償，達到誤差控制的目的。實施該方法的前提條件是機械加工中的誤差可見，即在進行加工之前，相關設備管理人員能夠清晰了解造成工件加工誤差的直接原因，從而以此為出發點，有針對性地采用誤差補償措施。例如，在制作數控機床上的滾珠絲杠時，考慮到其后期會因頻繁操作出現磨損，導致其螺距減小，因此在裝配時預加了一拉伸力，間接增長了其螺距，從而能夠有效避免上述問題。

3.2直接減小誤差法

對于一些單獨工件，往往不適宜采取誤差補償法。對于這些一次性加工完成的工件來說，其誤差的產生主要來源于加工硬件的精度，例如章節2.3中提到的刀具誤差、夾具誤差等。因此對于此類問題，首先需分析影響工件誤差的決定性因素，隨后采取直接減小誤差法。直接減小誤差法的應用優勢主要體現在以下兩方面：首先，極大簡化了機械加工流程[3]。與其他幾類誤差處理方法相比，直接減小誤差法不需在后期進行設備調整和器具更換，因此極大提升了機械加工效率；其次，誤差處理效果好。直接減小誤差法的目的是從機械加工的源頭上進行誤差防控，從而避免后續加工過程中不可控因素的發生。

3.3誤差分組法

在機械加工工藝過程中，有時會出現下列問題：雖然其中一個工序的工藝能力充足、加工精度穩定，但在上一工序對半成品的加工時，由于精度太低，引起復映誤差或定位誤差過多，從而難以保證精度。若要求提供上一工序加工精度或毛坯精度，通常不是經濟合理的做法。這時可采用誤差分組法，將半成品或毛坯尺寸按照誤差大小分成若干組，每組毛坯誤差就會相應縮小[4]。爾后，調整工件與刀具的相對位置，或調整定位元件，以縮小整批工件尺寸分布范圍。誤差分組法的優點在于能夠及時發現并修改誤差。在章節3.1和3.2的兩種誤差控制方法中，一旦在工件加工過程中出現明顯誤差，只能終止加工過程，影響整個工件的加工效率。誤差分組法可在加工過程中實現誤差分化，從而確保機械加工的持續性和經濟性[5]。

4　結語

機械加工精確度是衡量一個國家工業技術水平的標尺之一。在我國工業發展由“中國制造”向“中國創造”轉變的過程中，保證機械加工工件的精確性和可靠性，已逐漸成為機械加工行業關注的焦點問題。客觀來說，機械加工誤差是不可避免的，但只要將誤差控制在允許范圍內，就不會對工件使用產生明顯影響。因此，需要不斷優化機械加工工藝技術，做好加工階段的質量檢測，為機械加工的精確度提供必要保證。

[1]李建. 機械加工工藝技術的誤差原因與策略探討[J]. 中國科技信息, 2014(17): 134-135.

[2]江敦清. 淺談機械加工工藝對零件加工精度的影響[J]. 黑龍江科技信息, 2010(16): 7.

[3]陳志. 機械加工工藝對零部件表面完整性的影響分析[J]. 化學工程與裝備, 2011(12): 111-112.

[4]郭向東. 機械加工工藝對零件加工精度的影響[J]. 湖南農機, 2013(7): 148-149.

[5]劉東凱. 機械加工工藝對零部件精度的影響[J]. 科技創新與應用, 2013(30): 106.

Error Analysis and Control of Mechanical Processing Techniques

LI Ming-ming, BAI Zhi-hong
(XJ ELECTRIC Co., Ltd., Xuchang, Henan, 461000, China)

Excessive error during mechanical processing will bring adverse effects on mechanical performance. On the basis of research and analysis on origins of error in mechanical processing techniques, correspondent error control methods are put forward and compared with each other. The research shows that the origins of error includes positioning error, machining error and geometric tool error; error control methods include error compensation method, direct error reduction method and error grouping method, the latest of which holds the most persistency and economy. Finally, application characteristics of three kinds of errors in various machining fields are carried out. Research results above provide essential guarantees for improvement of machining precision, laying a perfect foundation for practice.

Mechanical Product; Processing Technique; Error Analysis; Error Control; Precision

TH161+.2

A

2095-8412 (2016) 05-1013-03工業技術創新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.050

李明明(1987-)，男，漢族，河南駐馬店人，助理工程師。研究方向：機械結構設計。