淺議工藝系統幾何誤差對加工精度的影響

魏文軍

（蘭州鐵路技師學院，甘肅 蘭州730050）

零件是機械的最小制造單元，也是機械產品質量的保證，零件質量直接決定機械產品各項質量指標，大部分零件的制造，基本都要經過毛坯制造、機械切削加工、表面熱處理等工藝環節，在整個制造過程中，任何機械加工，在實際生產中，不管機床多么精密，工藝多么合理，都會產生加工誤差，加工誤差的大小實際上表明加工精度的高低，實際值都不能與理論值完全吻合，而另一方面，加工精度的提高，意味著綜合加工成本的上升，從機器的使用性能來看，也完全沒有必要將零件做得絕對準確，應采取必要的工藝措施，控制加工誤差在公差范圍之內，夠用為度即可實現效益最大化。工藝系統誤差又是引起加工誤差非常重要的一個方面。

1 工藝系統誤差概述

一般而言，機床本體、夾具系統、工件和刀具共同組成了機床工藝系統，各部分之間聯系密切。零件的尺寸、形狀和相互位置誤差，主要是由于刀具與工件在切削過程中相互位置發生了變動而產生的，工藝系統中的種種誤差，是造成零件加工誤差的根源，因此也稱為原始誤差。原始誤差按形成來看，有些與切削過程有關系，有些與機床工藝系統本身初始狀態有關系，而且受到操作者技術水平、環境條件等多種因素的影響，原始誤差可歸結為兩個方面:其一是在零件加工之前，由于加工原理而引起的加工原理誤差，由于機床、夾具、刀具制造過程中所產生的制造誤差，工件安裝過程中的安裝誤差等；其二在加工的過程中，機床工藝系統受力產生變形，受熱產生變形，工件殘余應力引起的變形等引起的誤差，以及在零件加工以后因內應力而引起的變形和測量引起的誤差等。在上述原始誤差中，工藝系統的幾何誤差是機床工藝系統原始誤差最常見的一種表現。

2 工藝系統幾何誤差具體形式及產生原因

2.1 加工原理誤差

加工原理誤差的產生，與切削刀具的輪廓、運動方式以及傳動比選用了近似值來產生成形運動有關，例如，模數蝸桿車削時，在加工原理上要求蝸桿的螺距等于蝸輪的齒距（即πm），但車床交換齒輪的齒數是固定的，選擇交換齒輪時，只能將π取為近似的分數值處理，但這樣引起了刀具相對工件的切削運動（即螺旋運動）不準確，引起螺距誤差，與此同時，這種螺距誤差可通過交換齒輪的合理選配而減小。

2.2 機床的制造誤差

在機床制造誤差中，零件加工精度影響最為明顯的誤差是主軸的回轉運動誤差。主軸的回轉運動誤差有徑向圓跳動（即徑向飄移）（見圖1）、軸向竄動（即軸向飄移）（見圖2）和角度擺動（即角向飄移）（見圖3）三種形式，但實際生產過程中往往是這三種誤差得合成。例如，磨床在加工時，砂輪主軸的徑向跳動使砂輪產生振動，將引起工件表面的粗糙度增大；車床加工時主軸的軸向竄動，將引起車削后的平面產生平面度誤差以及加工端面與內外圓中心線不垂直。例如，常采用兩個固定頂尖支撐（見圖4），主軸在此處只起轉動作用，支撐工件的頂尖、中心孔的形狀精度以及同軸度誤差將直接影響工件的加工精度，那么，與提高主軸部件的精度對比而言，提高頂尖以及中心孔的精度要更加合理經濟。而提高頂尖和中心孔的精度要比提高主軸部件的精度容易而且更加經濟。一般情況下，選用高精度軸承、提高主軸部件和箱體的制造、裝配精度等措施均可以減小主軸的回轉誤差，提高主軸回轉精度。

2.3 刀具制造及工件裝夾誤差

一般刀具、定尺寸刀具、成形刀具是機械加工中刀具的形式，加工刀具自身有制造誤差，這也會以不同形式體現在工件的加工精度上。在加工中，對于一般刀具，其刃口的刃磨和鈍化將影響加工精度，對于定尺寸刀具，其尺寸誤差將影響工件尺寸精度，對于成形刀具，其刃口的形狀誤差、刃磨、裝夾影響加工精度，上述不同的制造誤差，可通過對刀具的合理選擇、裝夾及刃磨來減小。而對于工件裝夾，要求通過夾具系統，確保加工過程中工件的被加工表面相對機床、刀具始終有一個固定不變的加工位置，但裝夾過程中所采用的定位元件、刀具導向元件、分度機構和夾具體的制造誤差、夾具元件裝配誤差、夾具在長期使用過程工作表面的磨損，都將引起工件裝夾誤差，影響加工精度。

2.4 機床導軌誤差

導軌直接影響相關機床運動部件的直線運動，因此機床導軌的精度直接決定了機床運動部件的運動精度。導軌自身制造誤差、導軌使用過程中的不均勻磨損、安裝質量都會造成導軌誤差。如果磨床導軌在水平面內的直線度超差，將引起加工工件在半徑方向上的誤差，在磨削長外圓工件時，將引起工件的圓柱度誤差。

圖1 徑向圓跳動

圖2 軸向竄動

圖3 角度擺動

圖4 軸外圓磨削

2.5 傳動鏈誤差

在機械加工中，工件輪廓形狀的形成有賴于刀具和工件間的切削運動來獲得。切削運動最基本的由主運動和進給運動組成，每種運動都由不同的傳動鏈來實現，由于各傳動件在傳動鏈中所處的位置不同，自身旋轉過程中有轉角誤差的存在，那么最后將在傳動鏈末端疊加，轉角誤差會影響切削運動，進而影響工件的加工精度。減小傳動鏈誤差的主要措施有：采用合理布置，盡可能縮短傳動鏈、減小各傳動元件裝配時的幾何偏心，提高裝配精度、減小傳動比，采用降速傳動、采用校正裝置等。

3 減小幾何誤差的常用工藝措施

經過上面的分析，在機械加工中，要提高零件的加工精度，就要想辦法減小或消除這些誤差對加工精度的影響，除了將工藝系統組成各部分，利用減小自身制造誤差來提高加工精度的方法外，一般還常用的有以下幾種方法。

3.1 誤差直接減小或消除法

該方法是提高加工精度最常用的一種基本方法，具體是經過試切削以后，查明產生加工誤差的主要原因，然后采取針對性的具體措施消除或減少產生誤差的因素。例如細長軸的車削中，為了提高剛度，一般會采用跟刀架，此方法雖消除了切削背向力所引起的工件彎曲變形，但切削時軸向力以及工件受熱伸長又將引起工件彎曲變形，為防止因軸向切削力而引起的彎曲變形，一般采用大切削量反向車削，可基本消除彎曲變形，如果工件裝夾時再采用一端用卡盤裝夾，一端用可伸縮的活頂尖裝夾，工件加工中的熱伸長的影響也可以消除。

3.2 補償或抵消誤差法

誤差補償法，在現存的表現誤差下，通過測量、分析，并以這些信息為依據，人為地在系統中引入附加誤差，使之與系統中現存的表現誤差相抵消，以達到減少或消除零件的加工誤差，提高加工精度的目的附加誤差與表現誤差一般取值上大小相等，方向相反，如在傳動鏈中常采用校正裝置，來對誤差進行補償或抵消。

3.3 誤差轉移法

機床精度影響零件加工精度，但不能一味追求機床高精度，而應該從工藝系統入手，采取措施使誤差轉移，使機床原始誤差不影響工件加工精度，即將誤差敏感方向轉移到誤差非敏感方向。例如，工件的直徑方向一般是車床加工的誤差敏感方向，因此，轉塔車床在切削過程中，往往加工中采用“立刀”安裝法來安裝刀具，這樣一來切削刀具的刀刃切削基面將位于垂直平面內，刀架轉位時所產生的重復定位誤差，將不體現在工件的直徑方向，而是轉移到了工件加工表面的誤差不敏感方向，即切線方向，進而提高加工精度。

3.4 就地加工法

就地加工法，就是利用機床本身的切削加工能力，要求相鄰部件間怎樣的位置關系，就保持這樣的位置關系，然后一個部件裝上刀具去加工另一個相鄰部件，也就是零部件之間具有工作時要求的相對位置，最后選擇一個表面為基準加工其他有位置精度的要求的表面，實現最終精加工。例如，牛頭刨床、龍門刨床要求滑枕運動方向與工作臺面平行，影響這一精度要求的零件很多，可以通過機床裝配后自刨工作臺來達到要求，即精加工在裝配后利用機床本身的切削加工能力來完成，就可以保證工作臺面對滑枕平行度要求。

4 結語

綜上所述，工藝系統中幾何誤差大小對加工精度有著決定性的作用。只有根據不同的加工方式，采取合理的措施加以控制，不斷降低工藝系統幾何誤差，盡量減小或消除誤差，才能提高工件的加工精度，保證零件的加工質量。