加工余量對(duì)加工精度的影響

趙振華

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

隨著對(duì)機(jī)械加工產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，人們?cè)谔剿魈岣弋a(chǎn)品質(zhì)量的方法和措施方面投入了大量的時(shí)間和精力，但是卻忽視了加工工藝過(guò)程中加工余量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，認(rèn)為在加工過(guò)程中只要有余量就不會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生多大影響。在實(shí)際機(jī)械產(chǎn)品加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，零件的加工余量的大小直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量。如果加工余量過(guò)小則很難消除上道工序加工過(guò)程中殘留的形位誤差和表面缺陷；而余量過(guò)大，不僅要增加機(jī)械加工的工作量，而且還會(huì)增加材料、工具、能量消耗，更嚴(yán)重的是在加工過(guò)程中因切除大量的加工余量所產(chǎn)生的熱量會(huì)使零件變形，加大零件的加工難度，影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此嚴(yán)格控制零件的加工余量很有必要。

1 加工余量的概念

加工余量是指加工過(guò)程中從加工表面切去的金屬層厚度。加工余量可分為工序加工余量和總加工余量。工序加工余量是指某一表面在一道工序中所切除的金屬層厚度，它取決于相鄰工序前后工序尺寸之差。總加工余量是指零件從毛坯變?yōu)槌善返恼麄€(gè)加工過(guò)程中某一表面切除金屬層的總厚度，也即是零件上同一表面毛坯尺寸和零件尺寸之差。總加工余量等于各工序加工余量之和。

由于毛坯制造和各工序尺寸都不可避免地存在著誤差，因而無(wú)論總加工余量還是工序加工余量都是個(gè)變動(dòng)值，出現(xiàn)了最小加工余量和最大加工余量。加工余量及公差如圖1所示。 圖中，最小加工余量是前工序最小工序尺寸和本工序最大工序尺寸之差；最大加工余量是指前工序最大工序尺寸和本工序最小工序尺寸之差。工序加工余量的變動(dòng)范圍(最大加工量與最小加工余量的差值)等于前工序與本工序兩工序尺寸公差之和。工序尺寸的公差帶一般規(guī)定在零件的入體方向。對(duì)于軸類零件來(lái)說(shuō)，其基本尺寸就是最大工序尺寸，而對(duì)于孔來(lái)說(shuō)則是最小工序尺寸。

圖1 加工余量及公差

2 加工余量對(duì)加工精度的影響分析

2.1 加工余量過(guò)大對(duì)加工精度的影響

零件在機(jī)械加工過(guò)程中必定會(huì)產(chǎn)生切削熱，這些切削熱一部分被鐵屑和切削液帶走，一部分傳給刀具，還有一部分則傳給工件，使零件的溫度升高。溫度的高低與加工余量大小有很大關(guān)系。加工余量大，粗加工時(shí)間必然會(huì)變長(zhǎng)，切削用量也會(huì)適當(dāng)加大，導(dǎo)致切削熱不斷增加，零件溫度不斷升高。零件溫度升高帶來(lái)的最大危害就是使零件產(chǎn)生變形，尤其對(duì)溫度變化比較敏感的材料(如：不銹鋼)影響更大，而且這種熱變形貫穿整個(gè)加工過(guò)程，使加工難度增加，產(chǎn)品質(zhì)量受影響。例如，在加工絲桿類細(xì)長(zhǎng)軸零件時(shí)，由于采用的是一夾一頂加工方法，長(zhǎng)度方向的自由度受到了限制，此時(shí)工件溫度若過(guò)高則會(huì)產(chǎn)生熱膨脹。在長(zhǎng)度方向的延伸受阻情況下，工件受應(yīng)力影響必然會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，給后期加工帶來(lái)很大的麻煩。受熱后工件彎曲變形圖如圖2所示。這時(shí)如繼續(xù)加工，將凸出部分加工直至成品，待冷卻至常溫后零件在應(yīng)力作用下又會(huì)產(chǎn)生反向變形，造成形位誤差而影響質(zhì)量。常溫后工件彎曲變形圖如圖3所示。直徑方向膨脹后其增大部分會(huì)被切除，待工件冷卻后則產(chǎn)生圓柱度和尺寸誤差。精密絲桿磨削時(shí)，工件的熱變形還會(huì)引起螺距的誤差。

圖2 受熱后彎曲變形

圖3 常溫后彎曲變形

2.2 加工余量過(guò)小對(duì)加工精度的影響

零件的加工余量不能過(guò)大但也不能過(guò)小，加工余量過(guò)小則不能消除前道工序加工過(guò)程中殘留的形位公差和表面缺陷，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了使零件的加工質(zhì)量得到保證，各工序所留最小加工余量應(yīng)能保證前工序最小加工余量的基本要求。某零件內(nèi)孔最小加工余量構(gòu)成因素示意圖如圖4所示。圖4a)為所要加工內(nèi)孔的零件。如果該孔在前道工序加工時(shí)軸線O1-O1偏離基準(zhǔn)軸線O-O存在位置誤差n，且內(nèi)孔存在圓柱度誤差p(如錐度、橢圓等)和表面粗糙度誤差h(如圖4b)所示)，那么為了消除鏜孔前的形位公差，鏜孔工序的單邊最小加工余量應(yīng)包含上述誤差和缺陷的數(shù)值。考慮到本工序鏜孔時(shí)工件不可避免地存在著安裝誤差，即原孔軸線O-O與工件安裝后的回轉(zhuǎn)軸線O′-O′間的誤差e(如圖4c)所示)，以及本工序鏜孔時(shí)的尺寸公差T，因此本工序的最小加工余量z可用下式表示：

z≥T/2+h+p+n+e(單面余量)

圖4 最小加工余量構(gòu)成因素圖解

對(duì)不同的零件和不同的工序，上述誤差的數(shù)值和表現(xiàn)形式也各有不同。在決定工序加工余量時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待。例如，細(xì)長(zhǎng)軸易彎曲變形，母線直線誤差已超出直徑尺寸公差范圍，工序加工余量應(yīng)適當(dāng)放大；對(duì)采用浮動(dòng)絞刀等工具以加工表面本身定位進(jìn)行加工的工序，則可以不考慮安裝誤差e的影響，工序加工余量可相應(yīng)減小；對(duì)于某些主要用來(lái)降低表面粗糙度的精加工工序,工序加工余量的大小僅僅與表面粗糙度h有關(guān)。

3 加工余量的合理選擇

3.1 零件加工余量時(shí)的原則

零件加工余量的選擇與零件使用的材料、尺寸大小、精度等級(jí)、加工方法有著很大的關(guān)系，需視具體情況而定。在確定零件的加工余量時(shí)一定要遵循以下原則：

(1)應(yīng)采用最小的加工余量，以求縮短加工時(shí)間，并降低零件的加工費(fèi)用。

(2)應(yīng)留有充分的加工余量，特別是最后的工序。加工余量應(yīng)能保證圖紙上所規(guī)定的精度和表面粗糙度。

(3)確定加工余量時(shí)應(yīng)考慮到零件熱處理時(shí)引起的變形，否則將可能產(chǎn)生廢品。

(4)確定加工余量時(shí)應(yīng)考慮到加工方法和設(shè)備，以及加工過(guò)程中可能產(chǎn)生的變形。

(5)確定加工余量時(shí)應(yīng)考慮到被加工零件的大小。零件愈大，則加工余量也愈大。因?yàn)榱慵某叽缭龃蠛螅汕邢髁Α?nèi)應(yīng)力等引起變形的可能性也會(huì)增加。

3.2 確定加工余量的方法

3.2.1經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法

經(jīng)驗(yàn)估算法在生產(chǎn)實(shí)踐中比較常用，是根據(jù)工藝人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或與同類型零件進(jìn)行比較來(lái)確定加工余量的方法。例如，在建船舶中舵桿、舵銷、中間軸、艉軸的加工余量就是根據(jù)工藝人員多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)而定的。考慮到工件的重要性，加上體積龐大、鍛件毛坯應(yīng)力大等因素的影響，粗車外圓后留6 mm半精車余量，半精車后留3 mm精車余量，精車留1 mm磨削余量。為了防止加工余量不夠而產(chǎn)生廢品，經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法所估加工余量一般偏大。此法常用于單件小批量生產(chǎn)。

3.2.2查表修正法

查表修正法是以生產(chǎn)實(shí)踐和試驗(yàn)研究積累的有關(guān)加工余量的資料數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)編制成表，結(jié)合實(shí)際加工情況進(jìn)行修訂來(lái)確定加工余量的方法，此法應(yīng)用比較廣泛。軸承零件粗車后精車外圓和磨加工外圓加工余量分別見(jiàn)表1、表2。

3.2.3分析計(jì)算法

分析計(jì)算法是根據(jù)試驗(yàn)資料和計(jì)算公式對(duì)影響加工余量的各種因素進(jìn)行分析和綜合計(jì)算確定加工余量的方法。這種方法確定的加工余量既準(zhǔn)確又經(jīng)濟(jì)合理，但需要積累比較全面的資料，沒(méi)有以上兩種方法簡(jiǎn)單直觀，因此此法目前應(yīng)用較少。

4 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)中由于許多零件毛坯的制作方法都是臨時(shí)確定的，比如：離心澆注的不銹鋼套改用鋼板卷制后焊接而成；冷卻器端蓋、電動(dòng)機(jī)底座、齒輪箱翻砂件改用焊接件等。這些零件在毛坯的制作過(guò)程中有許多不確定因素，其形狀誤差很難預(yù)料，因此本文介紹的三種確定零件加工余量的方法不適用這類零件的加工余量的確定，只能在實(shí)際制作過(guò)程中靈活掌握。

表1軸類零件粗車后精車外圓的加工余量mm

零件的直徑零件長(zhǎng)度≤100>100～250>250～500>500～800>800～1 200粗車外圓的公差<100.80.91.0>10～180.91.01.11.40.24>18～300.91.01.31.40.28>30～501.01.01.11.31.50.34>50～801.11.11.21.41.60.40>80～1201.11.21.21.41.60.46>120～1801.21.21.31.51.70.53>180～2601.31.31.41.61.80.60>260～3601.31.41.51.71.90.60

表2軸類零件磨加工外圓的加工余量mm

軸的直徑磨削性質(zhì)軸的性質(zhì)軸的長(zhǎng)度100～250>250～500>500～800>800～1 200>1 200～2 000≤10中心磨未淬硬0.20.3>10～18中心磨未淬硬0.30.30.3>18～30中心磨未淬硬0.30.30.40.4>30～50中心磨未淬硬0.30.40.50.60.6>50～80中心磨未淬硬0.40.40.50.60.7>80～120中心磨未淬硬0.40.50.50.60.7>120～180中心磨未淬硬0.50.60.60.70.8>180～260中心磨未淬硬0.60.60.70.80.9>260～360中心磨未淬硬0.60.70.70.80.9>360～500中心磨未淬硬0.70.80.80.91.0

參考文獻(xiàn)：

[1] 李旦.機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.