機械加工質量的影響因素及控制對策研究

郁沖

摘要：機械加工零件產品的質量是絕大多數工業生產穩定運行的基礎保障。面對客戶對產品質量的各個需求，機械加工設計人員根據生產經驗、設備性能和專業知識，合理的制定零件加工工藝方案和設備型號。機械加工人員根據零件加工工藝方案，開展一系列加工生產。本文從加工工藝和機械設備兩方面角度闡述影響機械加工零件精密度質量的因素，并提出了優化措施。

關鍵詞：機械加工;精密度;幾何尺寸;形狀

0? 引言

機械加工制造出的各類機械零件是汽車、航天、船舶、化工等眾多領域必須使用的產品，隨著產業升級，各個產業對機械零件產品的質量要求也越來越嚴格。例如有些化工生產工藝中使用到的機械零件需要長時間、高強度工作在高溫、高壓、高有機溶劑腐蝕的環境下，如果使用的機械零件質量不達標，不僅會影響到化工工藝的正常生產，并且一旦機械零件發生故障，將會導致嚴重的化工安全事故。關于機械加工產品的質量的各個參數，包括了產品表面粗糙度、產品表面性能以及產品的精密度。本文主要對機械加工零件質量中的產品精密度質量的控制強化做出系統闡述，從影響零件精密度的加工因素出發，提出一系列完善措施，提高企業產品質量，加強企業市場競爭力。

1? 機械加工零件精密度概述

機械加工零件精密度主要指的是原材料經過機械加工后得到零件產品的尺寸、幾何形狀、結構位置與目標產品零件的匹配度，匹配度越高說明機械加工零件的精密度越高，反之則越低。

①尺寸精密：零件外觀尺寸與目標產品零件圖紙標注的尺寸要滿足一定的誤差范圍;

②幾何形狀精密度：零件外觀幾何形狀，如平面度、正四方體、四棱錐、角度、弧度等于目標產品零件圖紙表述的形狀要吻合，形狀誤差控制在一定范圍內;

③結構位置精密度：零件結構位置與目標產品零件圖紙標注的結構位置要滿足一定的誤差范圍，比如相對位置大小、平行性、直角度等。從直觀角度來看，影響零件機械加工精密度的因素主要與加工工藝、操作人員技術水平和設備性能有關。但是放在企業整個加工周期大環境來看，除了職業因素意外，零件機械加工精密度還與企業質量管理制度、材料材質、各部門協調等工作相關。

2? 影響機械加工表面質量的因素

2.1 內部因素

所謂的內部因素指的是機械加工過程中使用到的各種機床設備自身誤差所導致的零件精密度的因素，這種因素是影響零件精密度的核心因素，也是很難避免的因素。以常見的數控機床為例，數控機床加工過程中存在的幾何誤差主要包括以下三點：

①原始制造誤差：原始制造誤差指的是數控機床的各個零部件由于自身結構的偏差所造成的運動位移誤差。其中機床控制系統誤差和熱變形誤差屬于原始制造誤差中的常見幾何誤差，控制系統誤差包括了機床軸系的輪廓跟隨誤差以及數控插補算法誤差。熱變形誤差主要是機床的部件機構受熱變形所造成的誤差，受熱變形主要由機床內部的熱源和環境溫度變化引起。

②作業時產生的誤差：數控機床在進行正常作業時，主要發生切削負荷造成的工藝系統變形誤差以及機床振動產生誤差。切削負荷所造成的機床、切刀、工件以及工藝的誤差又被稱為“讓刀”，這種誤差會造成加工零件的變形，引發加工零件的質量問題。而機床在進行作業時，由于系統工藝復雜，工序較多，工序較多工作狀態不穩定時，就會出現振動現象，從而造成加工產品的幾何形狀誤差，甚至影響到加工產品的質量。

③檢測系統誤差：數控機床的檢測系統通過對加工零件的實際位移量進行檢測，將檢測結果反饋到機床的數控系統，進行調整控制。第一，當測量傳感器制造過程產生誤差或者安裝不當所導致的系統本身的誤差;第二，當測量傳感器受到機床零件和機構使用誤差的影響，導致反饋信息的失真所引起的檢測誤差。

2.2 熱變因素

機械加工過程中產生的熱變因素主要是由于機床熱變、磨具熱變和零件變形導致的。其中零件受熱變形是導致加工零件精密度降低重要因素，特別是當時用一些受熱性能不好的材料時。例如，以磨削加工絲杠為例，當磨削加工一根長1m的絲杠時，沒完成一次磨削，絲杠的溫度都會上升4℃，絲杠的拉升程度都會增加0.04mm。當機床工作時，受到內部產生的熱量和外部環境的溫度影響，機床內部的部分零件溫度變化，產生溫度勢差。由于機床的零件非常復雜也很精密，如果溫度和溫度勢差過高，也會影響機床的加工精密度。

2.3 受力因素

機械加工的本質是機床根據中央控制命令，精確地控制刀具對工件材料進行切割、打磨等機械加工，這個過程不可避免的會發生各種各樣的接觸形式，導致材料出現受力變形。例如，一些材料的受力變形性能較差，在進行擠壓加工時，零件就會產生一定尺寸上的變形，影響產品的精密度。此外，加工過程中熱處理產生的盈利和切削時產生的殘余應力也會導致零件的精密度降低。

3? 改善機械加工表面質量的方法

3.1 利用幾何補償原理

基于補償原理的零件加工精密度提高方法主要有防止和補償兩種。其中誤差防止雖然可以從數字機床硬件設備的提升來提高零件的制造水平，受到制造成本的影響，在數控機床的實際操作中使用范圍不廣。數控機床的誤差補償原理是基于數控機床所產生的幾何誤差，通過人為設置一個誤差來抵消原來機床上的幾何誤差。誤差補償技術不增加生產成本，也不改變數控機床的基本結構，其通過測量傳感器對數控機床作業時在線檢測，得到刀具加工點和實際零件位置坐標點的偏差，監測系統將檢測到的坐標偏差反饋給數控系統，通過輪廓跟蹤系統改變坐標移動量來進行修正，可以在低成本的基礎上實現數控機床精密度的提高。

3.1.1 靜態補償法

對數控機床不斷調試，根據調試結果得到誤差值，通過修正自動系統的位移量、更換零部件以及應用導軌反向彈性變形等補償措施來彌補幾何誤差，從而提高數控機床的精密度。由于靜態補償補償效果較差，應用局限性較高，這種最初的數控機床補償技術逐漸被其他補償技術所取代。

3.1.2 實時補償法

對機床移動零件的實際位置的測量，將測量數值與數控機床的設計包中的設計值進行比較，進而獲得零部件的位移量的偏差。然后通過檢測系統將位移量偏差反饋到控制系統，從而實現數控機床的精密度提高。數控機床定位誤差的測量手段常用的儀器為激光測量儀，通過測量數控機床與被加工零件的位移點實現位移量誤差函數的建立，進而得出機床位移量誤差值。

3.1.3 軟件補償法

軟件補償法是在數控機床中插入模型軟件，將數控機場作業的實時的參數數據傳輸到模型軟件系統中，通過軟件分析得到誤差值。得到的誤差值通過數控機床的檢測系統反饋到機床的數控系統后，再將補償差值進行加工調整。相比于靜態補償法和實時補償法，軟件補償法的另一個特點在于不需要對數控機床的零部件或零件位移量進行調整，只需要通過計算機及相應的閉環模型軟件就可完成誤差補償的操作，實現數控機床精密度的提高。但是受限于軟件補償法對模型軟件技術含量的要求較高，目前軟件補償法的推廣應用沒有實時補償法廣泛。

3.2 合理控制工藝過程溫度

控制加工溫度可以有效的避免零件受熱變形、磨具熱變形和機床熱變形所帶來的零件精密度降低。除了采用上述幾何補償方法彌補受熱帶來的精密度變化以外，操作員工通過各種手段控制加工過程的溫度。例如，合理選擇切削刀具和數量的參數，使用前對刀具進行潤滑處理降低摩擦阻力，使用過程中進行實時冷卻。降低機床工作環境溫度、對發熱源進行集中制冷，降低機床工作溫度，對機床內部出現的溫度勢差，可以通過在局部設置熱源的方式降低溫度勢差，平衡機床工作溫度。

3.3 降低外力因素干擾

第一，降低工藝系統受力變形因素;第二，工作人員工作前要對設備進行檢查，對過緊的零件進行校正和調試，降低擠壓力導致的變形;第三，對設備中的刀具進行潤滑打磨，降低摩擦帶來的變形。

4? 結語

除了上述與機械加工工藝、機械加工設備等有關因素以外，影響到機械加工產品精密度質量的因素還包括了整個機械零件加工從準備生產到產品出庫抵達客戶方的生產周期中各個環節。如原材料采購、材料儲存、企業生產管理、產品管理等一系列工作，這些工作非常復雜，屬于不同的專業體系，需要企業各個部門之間相互協調配合。每一個管理環節或者技術環節出現問題都會導致機械加工零件產品質量的缺失。因此，企業在開展機械加工質量控制整改工作時，不能局限加工工藝和機械設備方面，還要從質量管理、設備管理、材料采購等方面進行全方位控制。

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