機(jī)械工程加工精度的影響因素分析研討
摘要：相對(duì)于人類社會(huì)的發(fā)展需求而言，機(jī)械工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，作為現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，機(jī)械加工是利用機(jī)械手段針對(duì)相關(guān)工件進(jìn)行加工制造的過程。隨著高尖科技的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，對(duì)于機(jī)械元件加工的精度要求愈來愈高，針對(duì)影響機(jī)械加工精度的誤差成因，如何在機(jī)械加工過程中避免或減小機(jī)械部件的精度誤差，提高和優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品的加工質(zhì)量及其性能，成為現(xiàn)代機(jī)械加工制造領(lǐng)域廣為關(guān)注的技術(shù)問題。
一、機(jī)械加工精度的概念及內(nèi)涵
機(jī)械加工是根據(jù)相關(guān)工件的外形尺寸或性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，以車床、銑床、鉆床、磨床、沖壓機(jī)、壓鑄機(jī)等專用機(jī)械加工設(shè)備為介質(zhì)，采用一定的技術(shù)加工手段來進(jìn)行機(jī)械工件產(chǎn)品制作的過程。根據(jù)被加工機(jī)械元件所處的溫度狀態(tài)，機(jī)械加工通常分為冷加工和熱加工兩種方式。
機(jī)械加工精度是指相關(guān)工件在加工完成后所具有的包括尺寸大小、幾何形狀以及各表面相互位置等參數(shù)的實(shí)際值，與其預(yù)先設(shè)計(jì)應(yīng)具備的理想幾何參數(shù)需求比對(duì)的相符程度。加工精度通常包括尺寸精度、形狀精度和位置精度等方面的內(nèi)容，尺寸精度用來限制加工表面與其基準(zhǔn)間尺寸誤差的范圍，形狀精度用來限制加工表面宏觀幾何形狀誤差，位置精度用來限制加工表面與其基準(zhǔn)間的平行度、垂直度、同軸度等相互位置誤差。由于加工機(jī)械的性能、技術(shù)方法、生產(chǎn)條件等因素的不同影響，機(jī)械加工出來的相關(guān)零件在其尺寸、形狀和表面相互位置參數(shù)與理想?yún)?shù)總是存在一定的偏離誤差，在數(shù)值上通常采用加工誤差的大小來表示加工精度。機(jī)械元件的加工精度和表面質(zhì)量等加工質(zhì)量、是保證相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品裝配質(zhì)量的基礎(chǔ)，加工誤差的大小反映了加工精度的高低。
二、機(jī)械加工誤差及其產(chǎn)生的原因
任何零件在加工過程都會(huì)存在加工誤差，其來源是由于機(jī)床一夾具一工件一刀具存在誤差;我們把“機(jī)床一夾具一工件一刀具”構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，稱為工藝系統(tǒng)。也即工藝系統(tǒng)的誤差，是造成零件加工誤差的根源，故稱之為原始誤差。工藝系統(tǒng)誤差是“因”，加工誤差是“果”。原始誤差與加工誤差是一個(gè)因果關(guān)系，就是說因?yàn)橛性颊`差的存在，所以零件一定存在著加工誤差。因此，有多方面的因素對(duì)此系統(tǒng)產(chǎn)生影響，引起加工誤差，歸納起來有以下幾方面的因素：
(一)工藝系統(tǒng)幾何誤差。包括機(jī)床、夾具、刀具的制造和磨損。尺寸鏈誤差，機(jī)床傳動(dòng)鏈的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)整誤差及工件、夾具、刀具的安裝誤差。其還包括定位誤差，一是基準(zhǔn)不重合誤差：
定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不重合時(shí)所產(chǎn)生的基準(zhǔn)不重合誤差，只有在采用調(diào)整法加工時(shí)才會(huì)產(chǎn)生，在試切法加工中不會(huì)產(chǎn)生。二是定位副制造不準(zhǔn)確誤差：工件在夾具中的正確位置是由夾具上的定位元件來確定的�；鶞�(zhǔn)不重合誤差的方向和定位副制造不準(zhǔn)確誤差的方向可能不相同，定位誤差取為基準(zhǔn)不重合誤差和定位副制造不準(zhǔn)確誤差的矢量和。
(二)工藝系統(tǒng)熱變形產(chǎn)生的誤差。包括機(jī)床、刀具和工件熱變形以及環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的誤差。在加工過程中，由于受切削熱、摩擦熱以及工作場(chǎng)地周圍熱源的影響，工藝系統(tǒng)的溫度會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的變化，工藝系統(tǒng)會(huì)發(fā)生變形，改變了系統(tǒng)中各組成部分的正確相對(duì)位置，導(dǎo)致了加工誤差的產(chǎn)生。
(三)工藝系統(tǒng)力效應(yīng)產(chǎn)生的誤差。包括彈性及塑性變形產(chǎn)生的誤差(工藝系統(tǒng)剛性不足或變形引起的誤差)，工件的夾緊誤差，離心力和傳動(dòng)力以及材料本身的殘余應(yīng)力引起的誤差等。
現(xiàn)在影響最大的是內(nèi)應(yīng)力重新分布引起的誤差沒有外力作用而存在于零件內(nèi)部的應(yīng)力，稱為內(nèi)應(yīng)力。工件上一旦產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力之后，就會(huì)使工件金屬處于一種高能位的不穩(wěn)定狀態(tài)，它本能地要向低能位的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化，并伴隨有變形發(fā)生，從而使工件喪失原有的加工精度。內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生：在熱處理工序中由于工件壁厚不均勻、冷卻不均、金相組織的轉(zhuǎn)變等原因，使工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。
冷校直產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力：絲杠一類的細(xì)長(zhǎng)軸經(jīng)過車削以后，棒料在軋制中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力要重新分布，產(chǎn)生彎曲。
(四)由于人的情緒和技術(shù)水平的不穩(wěn)定所引起的加工誤差。
三、機(jī)械加工工藝系統(tǒng)誤差
(一)機(jī)床的幾何誤差。在零件的實(shí)際加工中，刀具相對(duì)于工件的成形作用主在都是通過機(jī)床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取決于機(jī)床的精度。而機(jī)床制造誤差對(duì)工件加工精度影響較大的有：主軸回轉(zhuǎn)誤差、導(dǎo)軌誤差和傳動(dòng)鏈誤差。且不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)床的磨損將使機(jī)床工作精度下降。
(二)刀具的幾何誤差。任何刀具在切削過程中，都不可避免地要產(chǎn)生磨損，并由此引起所加工零件件尺寸和形狀地改變。正確地選用刀具材料和選用新型耐磨地刀具材料，正確地采用冷卻液、合理地選用刀具幾何參數(shù)和切削用量，正確地刃磨刀具等，都可以有效地減少刀具地尺寸磨損，從而提高所加工零件的精準(zhǔn)度。而必要的時(shí)候還可以采用補(bǔ)償裝置對(duì)刀具尺寸磨損進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。
(三)定位誤差。①基準(zhǔn)不重合誤差：在零件圖上用來確定某一表面尺寸、位置所依據(jù)的基準(zhǔn)稱為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。在工序圖上用來確定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依據(jù)的基準(zhǔn)稱為工序基準(zhǔn)。一般情況下，工序基準(zhǔn)應(yīng)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合。在機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行加工時(shí)，必須選用工件上若干幾何要素作為加工時(shí)的定位基準(zhǔn)，如果所選用的定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不重合，那么就會(huì)產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合誤差。基準(zhǔn)不重合誤差等于定位基準(zhǔn)相對(duì)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)在工序尺寸方向上的最大變動(dòng)量。②定位副制造不準(zhǔn)確誤差：工件在夾具中的正確位置是由夾具上的定位元件來確定的。夾具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得絕對(duì)準(zhǔn)確，它們的實(shí)際尺寸都允許在分別規(guī)定的公差范圍內(nèi)變動(dòng)。同時(shí)，工件上的定位基準(zhǔn)面也會(huì)有制造誤差。工件定位面與夾具定位元件共同構(gòu)成定位副，由于定位副制造的不準(zhǔn)確和定位副間的配合間隙引起的工件最大位置變動(dòng)量，稱為定位副制造不準(zhǔn)確誤差。
(四)工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差。工藝系統(tǒng)熱變形對(duì)加工精度的影響比較大，特別是在精密加工和大件加工中，由熱變形所引起的加工誤差有時(shí)可占工件總誤差的40～70%。機(jī)床、刀具和工件受到各種熱源的作用，溫度會(huì)逐漸升高，同時(shí)它們也通過各種傳熱方式向周圍的物質(zhì)和空間散發(fā)熱量。當(dāng)單位時(shí)間傳入的熱量與其散出的熱量相等時(shí)，工藝系統(tǒng)就達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。
四、提高機(jī)械精度的誤差控制措施
相對(duì)來說，機(jī)械加工過程中的精度誤差具有不可避免的客觀性，但應(yīng)在最大可能的基礎(chǔ)上將影響機(jī)械加工精度的誤差因素控制在允許范圍內(nèi)，從而提高工件加工質(zhì)量和精度，具體措施如下：
(一)減少原始誤差。高零件加工所使用機(jī)床的幾何精度，提高夾具、量具及工具本身精度，控制工藝系統(tǒng)受力、受熱變形、刀具磨損、內(nèi)應(yīng)力引起的變形、測(cè)量誤差等均屬于直接減少原始誤差。它是生產(chǎn)應(yīng)用較廣的一種基本方法。為了提高機(jī)械加工精度，需對(duì)產(chǎn)生加工誤差的各項(xiàng)原始誤差進(jìn)行分析，根據(jù)不同情況對(duì)造成加工誤差的主要原始誤差采取不同的措施解決。對(duì)于精密零件的加工應(yīng)盡可能提高所使用精密機(jī)床的幾何精度、剛度和控制加工熱變形;對(duì)具有成形表面的零件加工，則主要是如何減少成形刀具形狀誤差和刀具的安裝誤差。以細(xì)長(zhǎng)軸加工為例進(jìn)行分析，在車床上加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，由于長(zhǎng)度與直徑之比大于20，故剛性差，即使在切削量較小的情況下也會(huì)使工件產(chǎn)生彎曲變形和振動(dòng)，雖然在加工過程中采用了跟刀架，但仍難車出較高精度的長(zhǎng)軸。分析細(xì)長(zhǎng)軸在車削加工時(shí)的受力狀態(tài)知：采用跟刀架雖消除了背向力引起工件彎曲的因素，但軸向力和工件熱伸長(zhǎng)還會(huì)導(dǎo)致工件彎曲變形，現(xiàn)采用反拉法切削，一端用卡盤夾持，另一端采用可伸縮的活頂尖裝夾�？梢赃M(jìn)一步消除熱伸長(zhǎng)引起的彎曲變形以及徑向顫動(dòng)，使切削平穩(wěn)，使被加工工件獲得較高的形狀精度。
(二)積極實(shí)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制。在電子信息技術(shù)廣泛使用以前，補(bǔ)償控制技術(shù)主要應(yīng)用在傳動(dòng)精度要求很高的機(jī)床中，其補(bǔ)償控制裝置由校正尺、杠桿、及接收附加運(yùn)動(dòng)的螺母等組成。機(jī)械補(bǔ)償控制裝置簡(jiǎn)單可靠，但補(bǔ)償精度依賴于校正尺的制作精度，另外校正尺的調(diào)整也比較復(fù)雜。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上，一般都采用軟件補(bǔ)償，事先測(cè)量好的誤差數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)表中，數(shù)控系統(tǒng)在完成每一次精插補(bǔ)后，根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)位置從數(shù)據(jù)表中查找誤差補(bǔ)償值，并據(jù)此控制坐標(biāo)軸一個(gè)附加的運(yùn)動(dòng)。軟件補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，不需要增加另外的裝置，誤差數(shù)據(jù)隨時(shí)可以修改調(diào)整。實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制是通過高精度測(cè)量裝置在加工過程中定時(shí)采集誤差數(shù)據(jù)，根據(jù)誤差的方向和大小由補(bǔ)償控制裝置控制刀架走一個(gè)微量位移。實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制采集的是當(dāng)前狀態(tài)下的實(shí)際誤差，雖然補(bǔ)償裝置的機(jī)枕慣性使補(bǔ)償?shù)奈恢脮?huì)稍微滯后，但補(bǔ)償精度仍然比較高，實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制的缺點(diǎn)是補(bǔ)償裝置復(fù)雜且調(diào)試相對(duì)困難。
(三)加強(qiáng)誤差預(yù)防。誤差預(yù)防是指減少誤差源或改變誤差源至加工誤差之間的數(shù)量轉(zhuǎn)變關(guān)系。常用的方法有：直接減少原始誤差法、誤差轉(zhuǎn)移法、采用先進(jìn)工藝和設(shè)備法、誤差分組法、就地加工法和誤差平均法等。實(shí)踐與分析表明，精度要求高于某一程度后，利用誤差預(yù)防技術(shù)來提高加工精度所花費(fèi)的成本將成指數(shù)增長(zhǎng)。
(四)轉(zhuǎn)移誤差。這種方法的實(shí)質(zhì)就是將原始誤差從誤差敏感方向轉(zhuǎn)移到誤差非敏感方向上去。
�、俎D(zhuǎn)移誤差至非敏感方向。各種原始誤差反映到零件加工誤差上的程度與其是否在誤差敏感方向上有直接關(guān)系。若在加工過程中設(shè)法使其轉(zhuǎn)移到加工誤差的非敏感方向，則可大大提高加工精度。
�、谵D(zhuǎn)移誤差至其他對(duì)加工精度無影響的方面。在大型龍門式機(jī)床中，由于橫梁較長(zhǎng)，故在其上的主軸箱等部件重力的作用下產(chǎn)生彎曲和扭曲變形。使用這類機(jī)床時(shí)，橫梁變形即為產(chǎn)生加工誤差的主要原始誤差之一。為了消除這項(xiàng)原始誤差的影響，可在機(jī)床結(jié)構(gòu)上再增添一根主要承受主軸箱部件重力的附加梁。
五、結(jié)論：
機(jī)械加工是當(dāng)前機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，高端科技條件下，對(duì)于機(jī)械工件的加工精度和質(zhì)量要求程度較為嚴(yán)格，采取合理措施減少或消除相關(guān)影響機(jī)械加工精度的誤差因素，是保障機(jī)械加工產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。
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