機械加工精度的影響因素及提升策略

吳小風

（福州第二技師學院，福州 350301）

由于社會經濟水平快速提升，我國的機械加工行業得到了良好的發展，機械加工質量要求逐漸提高。在機械加工過程中，影響質量的一項重要因素就是加工精度，因此，其是機械加工過程中需重點關注的問題之一。對于機械加工而言，影響加工精度的因素有很多，所以，在實際開展加工工作時，要想使機械工件加工整體的精度得到有效提升，就需要對其中存在的影響因素進行深入分析，并采取合理的措施進行預防和控制，盡可能避免誤差，確保機械加工產品的質量。

1 機械加工精度概述

在對機械加工的部件進行質量評價時，加工精度是非常關鍵的參數，一般來講，機械加工精度的表示主要是通過數學公差等級，其數值的大小，可以反映加工精度情況[1]。數值小，表明機械加工部件對精度有較高的要求；相應地，在實際加工中，允許的誤差范圍也就越小。在具體進行機械加工的過程中，有關加工精度的確定需要結合實際情況。單純來講，加工精度高，機械部件的質量也會更高。在實際的加工工作中，加工精度的提升會牽涉到成本投入問題，所以，有關機械加工精度的確定，需要根據具體的要求，在保證加工部件質量的基礎上，兼顧其成本經濟性。

2 機械加工精度的影響因素

2.1 機械設備因素

現如今，工件的加工基本上都需要使用機械設備，所以，機械設備本身會對加工精度產生一定的影響[2]。比如加工機床使用的時間過長，其中一些構件容易出現松動或者磨損，這就使機床主軸與中心線產生偏差，或者上面的刀具、夾具等存在一定的變形，從而對加工部件的精度產生影響。機械設備本身如果出現較大的偏差，在對部件進行加工時，實際的誤差很容易超過圖紙的要求范圍，這樣加工出來的部件產品達不到規定的要求，造成返工或者廢棄處理，增加機械加工成本。此外，機械設備的安裝技術如果存在問題，會使機械結構之間的連接不夠牢靠，受外力作用時，就容易出現結構件松動情況，這樣加工零件的精度會下降。另外，機械設備上的刀具、夾具等使用較為頻繁，其形狀、尺寸和安裝角度等也會對加工精度產生影響。而且不同工具，產生的影響也會存在差異。例如，車刀、刨刀等對加工精度具有較小的影響；有規定尺寸的鉆頭、槽銑刀等，在尺寸和形狀方面即使出現小的偏差，也會對加工精度造成大的影響。

2.2 數控編程因素

機械加工現如今使用較為普遍的設備就是數控機床，其對于提升加工質量和效率都起到了良好的幫助。這一數控技術的應用，需要依靠程序控制系統實現自動化，而控制系統則需要相應的控制編碼和符號指令達到目的。也就是將有關信息載體輸入到數控裝置中，通過有關運算，使數控裝置能夠向各部分終端發布相應的控制信號，這樣數控機床就能夠依照圖紙設計的要求對部件進行自動加工[3]。這表明，機床運行最關鍵的就是數控裝置的編寫程序，所以，影響加工精度的一個因素就是數控編程。這一影響因素屬于不可逆的誤差，數控編程確定之后，加工部件時，如果工件定位出現偏差，后續運行會出現累積誤差，使偏差值逐漸增大，不能通過人工進行消除，最終加工出來的零部件就會出現尺寸大小不一致的情況。

2.3 加工溫度因素

加工機床在運行的過程中，其中的加工構件運動速度非常快，這樣會使各構件之間、刀具和部件之間受摩擦力作用的影響產生較多的熱量，從而提高加工溫度，熱量如果沒有得到合理的控制，容易引起工件熱變形，這樣零部件加工的精度就會下降。機床在運行過程中，構件之間的摩擦生熱問題是客觀存在的，局部加工溫度升高，并不能完全消除，比如刀具和工件之間的摩擦，與加工工藝、刀具類型等都存在一定的關聯。在進行車削加工時，存在大概10%的熱量傳遞給工件，銑削、刨削加工中，會有大概30%的熱量傳遞給工件，加工溫度升高，工件熱變形的可能性增大，最終會對加工精度產生影響。

2.4 受力變形因素

對零部件產品進行機械加工時，由于存在削力、重力以及傳動力等作用力，部件可能會出現不同程度的變形，這會對加工精度產生影響。具體來講，首先，機械加工部件剛度問題。因為加工部件材質的不同，不同的零部件對應的剛度也會存在差異，加工中如果刀具進行切削加工，會施加給部件切削作用力，不同剛度的零部件，會產生不同程度的變形，進而影響機械加工精度。另外是機床部件剛度問題。通過機床設備對部件產品進行加工時，因為機床需要長時間運轉，所以機床部件受力會存在不同程度的變形，這樣機床部件的有關參數就會和設計值存在偏差，而機床部件剛度和其變形存在直接關聯，剛度不同，產生的受力變形也會不同，最終影響加工精度。再者，受力變形主要有以下原因，一方面，切削加工時，因為切削力會使加工的整個系統發生變化，引起誤差，這主要是因為工件材質不均、加工余量變化等造成。另一方面，加工時會用到夾具，對工件也會產生較大的作用力，工件受力變形，因而影響加工精度。

3 機械加工實例分析

3.1 加工工件

以一種薄壁工件為例，該工件的長度大約400 mm，直徑超過200 mm，工件壁整體較薄，其中端口位置的壁厚5 mm，工件結構如圖1所示。其屬于電機殼體工件，加工精度對于電機電流、運行效率及噪聲大小等都有較大的影響，所以，在加工方面對該工件的加工精度有很高的要求。如果使用普通方法進行加工，工件加工精度難以達到標準要求，而且工件加工批次數量較少，如果再投入成本增加高精度的機械加工裝置或者夾具，無法滿足經濟性要求。因此，需要對該工件加工精度的影響因素進行深入分析，然后改進加工工藝，使工件加工的精度達到要求，同時確保其加工的經濟性。

圖1 工件結構示意圖（單位：mm）

3.2 影響因素

3.2.1 夾緊力變形

使用夾具對該工件進行夾緊時，在夾緊力作用下，工件出現一定的形變，這主要是因為這一工件屬于薄壁工件，夾具在夾緊操作時，受夾緊方式、夾緊方向等的影響，使得工件出現夾緊力變形，在對工件進行加工時，其誤差增大，影響加工精度。

3.2.2 材料應力變形

該工件在實際加工的過程中，其應力分布容易出現不均勻的情況，或者說工件本身并沒有不均勻情況，但是在經過一定的加工處理后，因為需要經過應力平衡過程，所以容易使工件出現一定的形變，使得加工精度受到影響。造成這一問題的原因通常和材料制備及成型有關，材料自身具有較差的均勻性，會在應力作用下出現較嚴重的應力變形。另外，鑄造過程中，工件成型時缺乏均勻熱處理加工，出現應力形變，使得加工精度下降[4]。

3.2.3 刀具變形

工件加工時，機械設備中的構件出現形變，也會對零部件加工精度產生影響。由于工件整體剛度不夠，其剛性分布不均勻，在加工過程中，相應的刀具含有較少的減震輔助支點，加工過程中容易使刀具變形，這樣工件的切削力也會受到影響，進而作用到工件，使其加工精度下降。

3.3 工件加工工藝改進

3.3.1 加工工藝流程改進

該加工工件屬于鑄造型工件，其制造時使用的毛坯材料加工過程中需要借助重力澆注方式使其成型，為了能夠使工件加工的質量得到更加可靠的保證，對該工件的性能、具體形狀、尺寸及加工位置等的精度要求進行深入分析，然后選擇使用500型立式車床進行加工。具體的加工流程：對毛坯材料進行鑄造加工，然后經過T6熱處理工序、預備處理，接著進行粗車加工、精車加工、鉆取安裝孔加工和毛刺處理。

3.3.2 工件加工中溫度影響

該工件的材質屬于鋁合金，這種材料自身具有較大的熱膨脹系數，和其他的鋼質材料相比較，熱膨脹系數是其2倍以上，在加工過程中，由于工件和刀具之間產生摩擦釋放熱量，使得加工工件的溫度發生變化，工件產生熱變形，所以，具體在進行加工時，需要對加工環境以及溫度情況進行充分考慮。該次加工因為不具備恒溫條件，同時加工工件的數量不多，每年只需要加工小批工件就能夠達到市場的使用需求，所以，根據實際情況，選擇在每年的10~11月份對工件進行加工，使加工的環境溫度維持在一定范圍內，以更好地滿足工件加工對溫度的要求。

3.3.3 改進夾具的使用

該工件加工的旋轉直徑最大值為270 mm，而且工件總體長度為400 mm，使用夾具對工件進行夾緊時，對其夾緊力需要進行合理的設置，如果夾緊力過大，容易使工件出現夾緊力變形，而夾緊力如果過小，也容易使工件在加工時發生松動，這樣很可能會引起撞刀現象，使刀具或者設備出現損壞，進而使加工工件質量受到影響。經過幾次試制后，改進的夾具如圖2所示。

圖2 夾具示意圖

借助三爪夾持工件的底部位置，具體的夾持位置在距離底面50 mm處，同時在頂部位置設置3個輔助支撐點，其中輔助支撐屬于活動結構[5]。改進后的夾具，能夠較好地解決夾緊力變形問題。該工件因為屬于鑄造工件，其外形尺寸具有良好的一致性，所以，工件在進行定位時，可以使用裝夾進行定位。加工過程涉及到粗車和精車加工，在粗車加工工序中，設置0.3~0.4 mm的余量，完成這一工序之后，將工件放在常溫環境下1 d以上，確保其應力狀況后，再進行精車加工，這一工序開始前需要使用百分表進行定位，保證其偏差控制在0.1 mm以下。

3.3.4 切削參數確定

對該工件的加工，在粗加工工序中，對工件設置的加工余量為3 mm，而且這一加工工序中，一共進行2次進給操作，第一次操作時，切削深度設置為1.8 mm，進給量為0.25 mm/r，主軸結構設置的轉速數值為200 r/min。第二次操作時，設置的加工切削深度1.2 mm，進給量為0.3 mm/r，主軸結構設置的轉速數值為25 r/min。這一加工過程中，在粗車加工環節，設置的工件加工余量在0.3~0.4 mm范圍內。而在精車加工環節中，同樣進行兩次進給操作，第一次設置的切削深度控制在0.2~0.25 mm范圍內，進給量0.2 mm/r，主軸結構設置的轉速值為250 r/min，第二次操作設置的切削深度為0.1 mm，進給量為0.15 mm/r，主軸結構設置的轉速數值為300 r/min。

3.4 工件加工精度控制

根據該加工工件加工過程中精度影響因素的分析，對該工件加工的工藝進行改進，良好地控制加工溫度條件，同時改進夾具，確保夾緊力的合理性，科學設置切削參數，以使加工的工件精度得到有效控制。該電機殼體工件加工過程中，安裝孔徑對應的圓度值、直徑值等的誤差都在0.015 mm以下，同時，加工的工件在恒溫條件下經過1 d的靜置后，通過三維坐標檢測，其尺寸大小、圓度的偏差都滿足設計的標準要求。

4 提高機械加工精度的有效措施

4.1 注重控制機械設備自身條件

進行機械加工時，機械設備本身會對加工精度產生影響，所以，為了提高工件加工精度，盡可能縮小誤差，需要從以下幾點進行改進。首先，對機床設備改進，經過對加工精度影響因素的分析，改進結構設計，避免結構的不合理性導致工件加工精度下降。對機床各個零件的制造質量進行嚴格把控，并且強化對設備安裝的監督，使設備安裝過程嚴格按照標準規范進行，這樣可以防止因設備安裝不足出現加工誤差。另外，機械加工中，機床的運行時間較長，一些部件可能會出現松動，因此，需要注意對機床設備加強管理和維護，特別是對有較高定位精度要求的工件進行加工時，需要進一步加大檢查力度，如果出現部件損壞、松動等情況，要及時進行維修，或者對相應的部件進行更換，同時注意控制機床加工工藝，確保工件加工的精度更好地滿足標準要求。

4.2 提高數控編程質量

加工中使用的數控機床是通過編程系統進行控制的，編程程序的精準性與加工精度之間存在密切的關聯，如果在編程環節出現誤差，就會使工件在實際加工中出現累積性的偏差，這樣加工出來的部件和設計圖紙之間會存在誤差，所以，要想從根本上提高工件的加工精度，需要對數控編程的質量進行有效提升。編寫數控程序時，需要對零件的尺寸、特征等指標進行全面了解，然后明確編程原點，在此基礎上明確編程基準，同時對設計和工藝基準進行統一，避免尺寸換算方面產生偏差。另外，數控編程的原點和設計圖紙之間要盡可能相符，對相應數據的計算過程盡可能簡化，防止過多的計算增大誤差出現的可能性。

4.3 對加工產生的熱量進行控制

工件在加工過程中，相應的刀具處在高速運行的狀態，因為構件之間的摩擦生熱，使得加工溫度升高，部分加工工件會出現熱變形，因而影響加工精度。所以，對這一過程需要進行熱量控制，可以合理地改善散熱環境，通過外部制冷方式給加工過程散熱，或者使用冷卻液使加工熱量降低，保持良好的機械加工溫度條件。另外，需要對加工方式進行積極改進，比如可以使用干式切削技術，保證加工的質量和效率，同時，也盡可能地減少工件變形，工件加工的尺寸偏差才會盡可能減小。再者，因為工件自身材料性質的問題，加工過程中可能會使工件出現應力變形，可以使用相應技術改善材料應力分布，控制應力對加工零部件精度的影響。

4.4 注意控制外力變形影響

在機械加工中，外力是客觀存在的，所以對加工精度的影響不可避免，需要盡可能采取合理的措施控制外力產生的影響。也就是對加工中產生的摩擦力進行有效控制，可以對加工工藝進行優化，通過優化工藝來抵消摩擦力的作用。同時，對機械設備要注意進行科學的養護，特別是一些出現磨損較嚴重的部件，可通過打磨、更換刀具等方法，盡量保證表面的平整度，降低表面摩擦力。也可通過增加材料等方式填補或者補償誤差，盡量減少外力對零件加工精度的影響。

4.5 改進加工工藝流程

對工件進行加工，不同的零部件，在加工時使用的工藝流程也會存在相應的區別，不管是哪一個工藝環節出現問題，都會對工件加工整體的精度產生影響，因此，需要改善工藝流程，對工件加工的過程進行嚴格的控制，可以實行加工件的全壽命周期質量管理模式，對工件的加工工藝、設備、材料及圖紙等方面加強質量控制和管理，每個環節都要嚴格按照工藝流程執行操作，做好監督檢查工作，切實保證零件的加工精度。

4.6 對相關人員的技術能力進行提升

對工件進行機械加工時，人員的主觀因素也會對加工精度產生一定的影響，所以，需要對相關人員的技術能力和職業素養進行有效提升。針對相關工作人員，需要定期組織進行培訓，如果是新到崗的人員，要進行崗位職責培訓和安全教育，通過崗前考核之后再正式進行工作。在崗的定期培訓中，針對機械加工的理念、技術和操作規范等要點進行學習。同時，對于加工中的部分關鍵環節，可以采取傳幫帶的形式，由專業能力強、經驗豐富的老技術人員指導新工作人員，通過實踐不斷提升其工作能力。

5 結束語

總而言之，在對工件進行機械加工時，影響其加工精度的因素有很多，為了能夠更好地保證工件加工質量，需要對其影響因素進行深入分析，并采取合理的措施盡可能降低加工誤差，從而提高加工精度，以使工件更好地滿足設計要求。