探討影響機械加工精度的因素與提升策略

1 引 言

零件的加工質量是保證機械產品工作性能和產品壽命的基礎。衡量機械加工質量的指標有兩方面即加工精度與表面質量，在機械加工過程中，由於各種因素的影響，使刀具和工件間的[1]正確位置發生偏移，因而加工出來的零件不可能與理想的要求完全符合，兩者的符合程度可用機械加工精度和加工誤差來表示。加工精度是指零件加工後的實際幾何參數（尺寸、形狀和位置）與理想幾何參數的符合程度。而加工誤差是指零件加工後的實際幾何參數（尺寸、形狀和位置）與理想幾何參數的偏離程度。加工精度越高，則加工誤差越小，反之越大。加工精度的高低以國家有關公差標準來表示。

2 獲得加工精度的常用方法

（1）獲得尺寸精度的方法：試切法：用於單件小批生產；調整法：用於成批大量生；定尺寸刀具法：生產率高，刀具製造複雜；自動控制法：切削測量補償調整。

（2）獲得形狀精度的方法：軌跡法：利用刀尖運動軌跡形成工件表面形狀；成形刀具法：由刀刃的形狀形成工件表面形狀；展成法：由切削刃包絡面形成工件表面形狀[2].

（3）獲得位置精度的方法：主要由機牀精度、夾具精度和工件的裝夾精度來保證。

3 機械加工精度的影響因素

3.1 工藝系統的幾何精度對加工精度的影響

3.1.1 加工原理誤差

加工原理誤差是指採用了近似的成形運動或近似的切削刃輪廓進行加工而產生的誤差，如，滾齒加工用的齒輪滾刀有兩種誤差：切削刃齒廓近似造形誤差，由於製造上的困難，採用阿基米德基本蝸桿或法向直廓基本蝸桿代替漸開線基本蝸桿；由於滾刀刀齒數有限，實際加工出的齒形是一條折線，和理論的光滑漸開線有差異。通過採用近似的成形運動或近似的切削刃輪廓，雖然會帶來加工原理誤差，但往往可簡化機牀或刀具的結構，提高生產效率，有時反而能得到較高的加工精度[3].因此，只要誤差不超過規定的精度要求、在生產中仍能得到廣泛的應用。

3.1.2 機牀誤差

機牀誤差可歸納爲：機牀導軌導向誤差，機牀主軸迴轉誤差，機牀傳動鏈的`誤差。

（1）主軸迴轉誤差 主軸迴轉誤差即實際迴轉軸線與理想回轉軸線的偏移量，具有三種基本形式：

純徑向跳動，純角度擺動，軸向竄動，如圖1所示。

影響主軸迴轉精度的主要因素軸承本身誤差、軸承間隙、軸承間同軸度誤差，各段軸頸、軸孔的同軸度誤差主軸系統的剛度和熱變形等。但它們對主軸迴轉精度的影響大小隨加工方式而不同。

（2）機牀導軌誤差 導軌是確定主要部件相對位置的基準，也是運動基準，各項誤差直接影響被加工工件的精度對導軌的精度要求主要有：在水平面內的直線度在垂直面內的直線度，前後導軌的平行度（扭曲）。導軌誤差對加工精度的影響：如車削時導軌在水平面內彎曲，向前凸出，則出現鼓形誤差[4];向後凸出，則出現鞍形誤差如圖2所示。

（3）機牀傳動鏈誤差 指機牀內傳動鏈始末兩端的傳動元件間相對運動的誤差，一般用傳動鏈末端元件的轉角誤差來衡量。產生的原因是傳動鏈中各傳動元件的製造誤差、裝配誤差及磨損等。若傳動齒輪i在某一時刻產生轉角誤差爲$Ui,則它所造成傳動鏈末端元件的轉角誤差爲Ki$Ui,Ki爲該軸到末端元件的總傳動比，稱爲誤差傳遞係數，若Ki大於1則誤差被擴大；反之，若Ki小於1誤差被縮小。各傳動件對工件精度影響的總和爲EKi$Ui.

3.1.3 刀具的幾何誤差

包括刀具切削部、裝夾部的製造誤差及刀具安裝誤差：定尺寸刀具：刀具尺寸精度直接影響工件尺寸精度；成形刀具：刀具形狀精度直接影響工件形狀精度；展成刀具：刀刃形狀精度會影響工件加工精度；一般刀具：製造精度對工件加工精度無直接影響[5].

3.1.4 調整誤差

在工序的調整工作中所存在的誤差即調整誤差一次調整後存在的誤差對這一批零件的影響不變。

但大批量加工中存在多次調整，不可能每次完全相同。對全部零件來說，每次調整誤差爲偶然性誤差。

機牀調整誤差可理解爲零件尺寸分佈曲線中心的最大偏移量。

3.2 工藝系統的受力變形對加工精度的影響

工藝系統加工中受到的力有：切削力，傳動力，慣性力，夾緊力，重力等。工藝系統在這些力的作用下，將產生相應的變形。這種變形將破壞切削刃和工件之間已調整好的正確的位置關係，從而產生加工誤差。工藝系統的剛度對加工精度的影響歸納起來爲下列常見形式：由於受力點位置的變化而產生的工件形狀誤差；誤差復映；毛坯材料硬度不均勻使切削力產生變化，工藝系統受力變形隨之變化而產生加工誤差；工藝系統中其它作用力使工藝系統中某些環節受力變形而產生加工誤差，如圖3所示。

3.3 工藝系統的熱變形對加工精度的影響

工藝系統在各種熱源的影響下會產生很複雜的變形，導致工件產生加工誤差。工藝系統的熱變形對加工精度的影響主要分爲以下幾種：機牀熱變形引起的加工誤差，機牀受熱源的影響，各部分溫升將發生變化，由於熱源分佈的不均勻和機牀結構的複雜性，機牀各部件將發生不同程度的熱變形，破壞了機牀原有的幾何精度，從而降低了機牀的加工精度；工件熱變形引起的加工誤差：使工件產生變形的熱源，使工件產生變形的熱源爲切削熱（主要）與外部熱源，同時，不同的加工方法，不同的工件材料、結構和尺寸件的受熱變形也不相同[6];刀具熱變形引起的加工誤差：刀具的熱變形主要是切削熱引起的，傳給刀具的熱量雖不多，但由於刀具體積小、熱容量小且熱量又集中在切削部分，因此切削部分仍產生很高的溫升。

4 提高機械加工精度的措施

（1）直接減少誤差法 直接減少誤差法在生產中應用較廣，是在查明產生加工誤差的主要因素直接進行消除或減少的方法。例如：細長軸的車削，由於受力和熱的影響而使工件產生彎曲變形，現採用“大進給反向切削法”,再輔之以彈簧後頂尖，可進一步消除熱伸長的危害，如圖4所示。

（2）誤差補償法 誤差補償法，就是人爲地造出一種新的原始誤差。去抵消原來工藝系統中固有的原始誤差，從而減少加工誤差，提高加工精度[7].

（3）誤差轉移法 誤差轉移法實質上是將工藝系統的幾何誤差、受力變形和熱變形等，轉移到不影響加工精度的方向去。例如，對具有分度或轉位的多工位加工工序或採用轉位刀架加工的工序，其分度、轉位誤差將直接影響零件有關表面的加工精度。若將刀具垂直安裝（如圖），可將轉塔刀架轉位時的重複定位誤差轉移到零件內孔加工表面的誤差非敏感方向，可減少加工誤差的產生，提高加工精度[8].

（4）均分原始誤差法 提高毛坯精度或上道工序的加工精度，往往是不經濟的。這時，可把毛坯（或上道工序的工件）按尺寸誤差大小分爲n組，每組毛坯的誤差就縮小爲原來的1/n,然後按各組的平均尺寸分別調整刀具與工件的相對位置或調整定位元件、就可大大縮小整批工件的尺寸分散範圍。在生產中會遇到這種情況：本工序的加工精度穩定，工序能力也足夠，但毛坯或上道工序加工的半成品精度太低，引起定位誤差或復映誤差過大，因而不能保證加工精度[9].

（5）就地加工法 機牀零件裝到工作位置上再精加工，消除誤差影響。如牛頭刨、龍門刨工作臺面裝配在自身機牀上進行“自刨自”精加工，以保證對滑枕、橫樑的平行度；平面磨牀工作臺面在裝配後作“自磨自”精加工；在機牀上修正卡盤平面的平直度，卡爪的同軸度。

5 結 語

在機械加工的過程中，誤差的產生不能夠避免，只有結合具體情況對誤差出現的原因進行詳盡的剖析，才能夠採取相應的對策減小加工誤差，從而真正提高機械加工的精度。使加工誤差控制在零件需求的許可範圍之內，從而保證零件的加工質量。

參考文獻：

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[2] 朱正欣。機械製造技術[M].北京：機械工業版社， 1999.

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[5] 丁立銘。航空製造工程手冊[M].北京：航空工業出版社， 1993.

[6] 盧秉恆。機械製造技術[M].北京：機械工業出版社， 2005.

[7] 張亮峯，趙建樹。機械加工工藝基礎與實習[M].北京：高等教育出版社， 1999.

[8] 孫志忠，袁慰平。數值分析（第2版）[M].南京：東南大學出版社， 2002.

[9] 廖效果，劉又午。數控技術[M].武漢：湖北科學技術出版社，200“.

[10] 席子傑。數控機牀加工工藝編程與維修[M].長春：吉林電子出版社， 2003.