影響機械加工精度的因素及提高加工精度的措施

    工藝系統(tǒng)中的各組成部分，包括機床、刀具、夾具的制造誤差、安裝誤差、使用中的磨損都直接影響工件的加工精度。也就是說，在加工過程中工藝系統(tǒng)會產(chǎn)生各種誤差，從而改變刀具和工件在切削運動過程中的相互位置關(guān)系而影響零件的加工精度。這些誤差與工藝系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和切削過程有關(guān)，產(chǎn)生加工誤差的主要因素有：

（1）系統(tǒng)的幾何誤差

①加工原理誤差

    加工原理誤差是由于采用了近似的加工運動方式或者近似的刀具輪廓而產(chǎn)生的誤差，因在加工原理上存在誤差，故稱加工原理誤差。只要原理誤差在允許范圍內(nèi)，這種加工方式仍是可行的。

②機床的幾何誤差

    機床的制造誤差、安裝誤差以及使用中的磨損，都直接影響工件的加工精度。其中主要是機床主軸回轉(zhuǎn)運動、機床導(dǎo)軌直線運動和機床傳動鏈的誤差。

③刀具的制造誤差及磨損

    刀具的制造誤差、安裝誤差以及使用中的磨損，都影響工件的加工精度。刀具在切削過程中，切削刃、刀面與工件、切屑產(chǎn)生強烈摩擦，使刀具磨損。當(dāng)?shù)毒吣�損達到一定值時，工件的表面粗糙度值增大，切屑顏色和形狀發(fā)生變化，并伴有振動。刀具磨損將直接影響切削生產(chǎn)率、加工質(zhì)量和成本。

④夾具誤差

    夾具誤差包括定位誤差、夾緊誤差、夾具安裝誤差及對刀誤差等。這些誤差主要與夾具的制造和裝配精度有關(guān)。下面將對夾具的定位誤差進行詳細的分析。

    工件在夾具中的位置是以其定位基面與定位元件相接觸（配合）來確定的。然而，由于定位基面、定位元件工作表面的制造誤差，會使各工件在夾具中的實際位置不相一致。加工后，各工件的加工尺寸必然大小不一，形成誤差。這種由于工件在夾具上定位不準(zhǔn)而造成的加工誤差稱為定位誤差，用△_D表示。它包括基準(zhǔn)位移誤差和基準(zhǔn)不重合誤差。在采用調(diào)整法加工一批工件時，定位誤差的實質(zhì)是工序基準(zhǔn)在加工尺寸方向上的最大變動量。采用試切法加工，不存在定位誤差。

    定位誤差產(chǎn)生的原因是工件的制造誤差和定位元件的制造誤差，兩者的配合間隙及工序基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不重合等。

●基準(zhǔn)不重合誤差　

    當(dāng)定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合時而造成的加工誤差，稱為基準(zhǔn)不重合誤差，其大小等于定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)之間尺寸的公差，用△_B表示。

●基準(zhǔn)位移誤差

  　工件在夾具中定位時，由于工件定位基面與夾具上定位元件限位基面的制造公差和最小配合間隙的影響，導(dǎo)致定位基準(zhǔn)與限位基準(zhǔn)不能重合，從而使各個工件的位置不一致，給加工尺寸造成誤差，這個誤差稱為基準(zhǔn)位移誤差，用△_Y表示。圖1-12a是圓套銑鍵槽的工序簡圖，工序尺寸為A和B。圖1-12b是加工示意圖，工件以內(nèi)孔D在圓柱心軸上定位，O是心軸軸心，C是對刀尺寸。尺寸A的工序基準(zhǔn)是內(nèi)孔軸線，定位基準(zhǔn)也是內(nèi)孔軸線，兩者重合，△_B＝0。但是，由于工件內(nèi)孔面與心軸圓柱面有制造公差和最小配合間隙，使得定位基準(zhǔn)（工件內(nèi)孔軸線）與限位基準(zhǔn)（心軸軸線）不能重合，定位基準(zhǔn)相對于限位基準(zhǔn)下移了一段距離，由于刀具調(diào)整好位置后在加工一批工件過程中位置不再變動（與限位基準(zhǔn)的位置不變）。所以，定位基準(zhǔn)的位置變動影響到尺寸A的大小，給尺寸A造成了誤差，這個誤差就是基準(zhǔn)位移誤差。

圖1-12 圓套銑鍵槽工序的基準(zhǔn)位移誤差

（a）工序簡圖     （b）加工示意圖及基準(zhǔn)位移誤差

基準(zhǔn)位移誤差的大小應(yīng)等于因定位基準(zhǔn)與限位基準(zhǔn)不重合造成工序尺寸的最大變動量。

由圖1-12b可知，一批工件定位基準(zhǔn)的最大變動量為

△_i＝A_max－A_min

式中：△_i——一批工件定位基準(zhǔn)的最大變動量；

  A_max——最大工序尺寸；

  A_min——最小工序尺寸。

當(dāng)定位基準(zhǔn)的變動方向與工序尺寸的方向相同時，基準(zhǔn)位移誤差等于定位基準(zhǔn)的變動范圍，即

△_y＝△_i

此時：△_i＝ i_max－i_min

A_max——定位基準(zhǔn)的最大位移；

A_min——定位基準(zhǔn)的最小位移。

當(dāng)定位基準(zhǔn)的變動方向與工序尺寸的方向不同時，基準(zhǔn)位移誤差等于定位基準(zhǔn)的變動范

 

圍在加工尺寸方向上的投影，如圖1-13所示，即

△_y＝△_icosα                         

式中：α——定位基準(zhǔn)的變動方向與工序尺寸方向間的夾角。

 

（２）工藝系統(tǒng)的受力變形

 由機床、夾具、工件、刀具所組成的工藝系統(tǒng)是一個彈性系統(tǒng)，在加工過程中由于切削力、傳動力、慣性力、夾緊力以及重力的作用，會產(chǎn)生彈性變形，從而破壞了刀具與工件之間的準(zhǔn)確位置，產(chǎn)生加工誤差。例如車削細長軸時（圖1-14），在切削力的作用下，工件因彈性變形而出現(xiàn)“讓刀”現(xiàn)象。隨著刀具的進給，在工件的全長上切削深度將會由多變少，然后再由少變多，結(jié)果使零件產(chǎn)生腰鼓形。

　

圖1-14 細長軸車削時受力變形

　

①工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度的影響主要有：

●切削過程中受力點位置變化引起的加工誤差

     切削過程中，工藝系統(tǒng)的剛度隨切削力著力點位置的變化而變化，引起系統(tǒng)變形的差異，使零件產(chǎn)生加工誤差。

     在兩頂尖間車削粗而短的光軸時，由于工件剛度較大，在切削力作用下的變形相對機床、夾具和刀具的變形要小得多，故可忽略不計。此時，工藝系統(tǒng)的總變形完全取決于機床床頭、尾架（包括頂尖）和刀架（包括刀具）的變形，工件產(chǎn)生的誤差為雙曲線圓柱度誤差。

     在兩頂尖間車削細長軸時，由于工件細長，剛度小，在切削力作用下，其變形大大超過機床夾具和刀具的受力變形。因此，機床、夾具和刀具的受力變形可略去不計，此時，工藝系的變形完全取決于工件的變形，工件產(chǎn)生腰鼓形圓柱度誤差。

●毛坯加工余量不均，材料硬度變化導(dǎo)致切削力大小變化引起的加工誤差——誤差復(fù)映

工件的毛坯外形雖然具有粗略的零件形狀，但它在尺寸、形狀以及表面層材料硬度均勻性上都有較大的誤差。毛坯的這些誤差在加工時使切削深度不斷發(fā)生變化，從而導(dǎo)致切削力的變化，進而引起工藝系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，使得零件在加工后還保留與毛坯表面類似的形狀或尺寸誤差。當(dāng)然工件表面殘留的誤差比毛坯表面誤差要小得多，這種現(xiàn)象稱為“誤差復(fù)映規(guī)律”，所引起的加工誤差稱為“復(fù)映誤差”。

②減小工藝系統(tǒng)受力變形的措施主要有：

一是提高工件加工時的剛度；二是提高工件安裝時的夾緊剛度；三是提高機床部件的剛度。

（３）工藝系統(tǒng)的熱變形

    機械加工中，工藝系統(tǒng)在各種熱源的作用下產(chǎn)生一定的熱變形。由于工藝系統(tǒng)熱源分布的不均勻性及各環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)、材料的不同，使工藝系統(tǒng)各部分的變形產(chǎn)生差異，從而破壞了刀具與工件的準(zhǔn)確位置及運動關(guān)系，產(chǎn)生加工誤差，尤其對于精密加工，熱變形引起的加工誤差占總誤差的一半以上。因此，在近代精密加工中，控制熱變形對加工精度的影響已成為重要的任務(wù)和研究課題。

    在加工過程中，工藝系統(tǒng)的熱源主要有內(nèi)部熱源和外部熱源兩大類。內(nèi)部熱源來自切削過程，主要包括切削熱、摩擦熱、派生熱源。外部熱源主要來自于外部環(huán)境，主要包括環(huán)境溫度和熱輻射。這些熱源產(chǎn)生的熱造成工件、刀具和機床的熱變形。

    減少工藝系統(tǒng)熱變形的措施主要有：一是減少工藝系統(tǒng)的熱源及其發(fā)熱量；二是加強冷卻，提高散熱能力；三是控制溫度變化，均衡溫度； 四是采用補償措施；五是改善機床結(jié)構(gòu)。此外，還應(yīng)注意改善機床結(jié)構(gòu)，減小其熱變形。首先考慮結(jié)構(gòu)的對稱性。一方面?zhèn)鲃釉�件（軸承、齒輪等）在箱體內(nèi)安裝應(yīng)盡量對稱，使其傳給箱壁的熱量均衡，變形相近；另一方面，有些零件（如箱體）應(yīng)盡量采用熱對稱結(jié)構(gòu)，以便受熱均勻。還應(yīng)注意合理選材，對精度要求高的零件盡量選用膨脹系數(shù)小的材料。

（４）調(diào)整誤差

    零件加工的每一個工序中，為了獲得被加工表面的形狀、尺寸和位置精度，總得對機床、夾具和刀具進行這樣或那樣的調(diào)整。任何調(diào)整工作必然會帶來一些原始誤差，這種原始誤差即調(diào)整誤差。

調(diào)整誤差與調(diào)整方法有關(guān)。調(diào)整方法主要有：

①試切法調(diào)整

試切法調(diào)整，就是對被加工零件進行“試切－測量－調(diào)整－再試切”，直至達到所要求的精度。它的調(diào)整誤差來源有：測量誤差；微量進給時，機構(gòu)靈敏度所引起的誤差；最小切削深度影響。

②用定程機構(gòu)調(diào)整

③用樣件或樣板調(diào)整

（５）工件殘余應(yīng)力引起的誤差

    殘余應(yīng)力是指當(dāng)外部載荷去掉以后仍存留在工件內(nèi)部的應(yīng)力。殘余應(yīng)力是由于金屬發(fā)生了不均勻的體積變化而產(chǎn)生的。其外界因素來自熱加工和冷加工。有殘余應(yīng)力的零件處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。一旦其內(nèi)應(yīng)力的平衡條件被打破，內(nèi)應(yīng)力的分布就會發(fā)生變化，從而引起新的變形，影響加工精度。

①內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因主要有：毛坯制造中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；冷校正產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；切削加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

②減小或消除內(nèi)應(yīng)力的措施　一是采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉ば颉６�是給工件足夠的變形時間。三是零件結(jié)構(gòu)要合理，結(jié)構(gòu)要簡單，壁厚要均勻。

（６）數(shù)控機床產(chǎn)生誤差的獨特性

    數(shù)控機床與普通機床的最主要差別有兩點：一是數(shù)控機床具有“指揮系統(tǒng)”——數(shù)控系統(tǒng)；二是數(shù)控機床具有執(zhí)行運動的驅(qū)動系統(tǒng)——伺服系統(tǒng)。

    在數(shù)控機床上所產(chǎn)生的加工誤差，與在普通機床上產(chǎn)生的加工誤差，其來源有許多共同之處，但也有獨特之處，例如伺服進給系統(tǒng)的跟蹤誤差、檢測系統(tǒng)中的采樣延滯誤差等，這些都是普通機床加工時所沒有的。所以在數(shù)控加工中，除了要控制在普通機床上加工時常出現(xiàn)的那一類誤差源以外，還要有效地抑制數(shù)控加工時才可能出現(xiàn)的誤差源。這些誤差源對加工精度的影響及抑制的途徑主要有以下幾個方面：

①機床重復(fù)定位精度的影響

    數(shù)控機床的定位精度是指數(shù)控機床各坐標(biāo)軸在數(shù)控系統(tǒng)的控制下運動的位置精度，引起定位誤差的因素包括數(shù)控系統(tǒng)的誤差和機械傳動的誤差。而數(shù)控系統(tǒng)的誤差則與插補誤差、跟蹤誤差等有關(guān)。機床重復(fù)定位精度是指重復(fù)定位時坐標(biāo)軸的實際位置和理想位置的符合程度。

②檢測裝置的影響

    檢測反饋裝置也稱為反饋元件，通常安裝在機床工作臺或絲杠上，相當(dāng)于普通機床的刻度盤和人的眼睛，檢測反饋裝置將工作臺位移量轉(zhuǎn)換成電信號，并且反饋給數(shù)控裝置，如果與指令值比較有誤差，則控制工作臺向消除誤差的方向移動。數(shù)控系統(tǒng)按有無檢測裝置可分為開環(huán)、閉環(huán)與半閉環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)精度取決于步進電動機和絲杠精度，閉環(huán)系統(tǒng)精度取決于檢測裝置精度。檢測裝置是高性能數(shù)控機床的重要組成部分。

③刀具誤差的影響

    在加工中心上，由于采用的刀具具有自動交換功能，因而在提高生產(chǎn)率的同時，也帶來了刀具交換誤差。用同一把刀具加工一批工件時，由于頻繁重復(fù)換刀，致使刀柄相對于主軸錐孔產(chǎn)生重復(fù)定位誤差而降低加工精度。

    抑制數(shù)控機床產(chǎn)生誤差的途徑有硬件補償和軟件補償。過去一般多采用硬件補償?shù)姆椒�。如加工中心采用螺距誤差補償功能。隨著微電子、控制、監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新的軟件補償技術(shù)。它的特征是應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)通信的補償控制單元和相應(yīng)的軟件，以實現(xiàn)誤差的補償，其原理是利用坐標(biāo)的附加移動來修正誤差。

（７）提高加工精度的工藝措施

    保證和提高加工精度的方法，大致可概括為以下幾種：減小原始誤差法、補償原始誤差法、轉(zhuǎn)移原始誤差法、均分原始誤差法、均化原始誤差法、“就地加工”法。

①減少原始誤差

    這種方法是生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的一種基本方法。它是在查明產(chǎn)生加工誤差的主要因素之后，設(shè)法消除或減少這些因素。例如細長軸的車削，現(xiàn)在采用了大走刀反向車削法，基本消除了軸向切削力引起的彎曲變形。若輔之以彈簧頂尖，則可進一步消除熱變形引起的熱伸長的影響。

②補償原始誤差

    誤差補償法，是人為地造出一種新的誤差，去抵消原來工藝系統(tǒng)中的原始誤差。當(dāng)原始誤差是負值時人為的誤差就取正值，反之，取負值，并盡量使兩者大小相等；或者利用一種原始誤差去抵消另一種原始誤差，也是盡量使兩者大小相等，方向相反，從而達到減少加工誤差，提高加工精度的目的。

③轉(zhuǎn)移原始誤差

    誤差轉(zhuǎn)移法實質(zhì)上是轉(zhuǎn)移工藝系統(tǒng)的幾何誤差、受力變形和熱變形等。

    誤差轉(zhuǎn)移法的實例很多。如當(dāng)機床精度達不到零件加工要求時，常常不是一味提高機床精度，而是從工藝上或夾具上想辦法，創(chuàng)造條件，使機床的幾何誤差轉(zhuǎn)移到不影響加工精度的方面去。如磨削主軸錐孔保證其和軸頸的同軸度，不是靠機床主軸的回轉(zhuǎn)精度來保證，而是靠夾具保證。當(dāng)機床主軸與工件之間用浮動聯(lián)接以后，機床主軸的原始誤差就被轉(zhuǎn)移掉了。

④均分原始誤差

    在加工中，由于毛坯或上道工序誤差（以下統(tǒng)稱“原始誤差”）的存在，往往造成本工序的加工誤差，或者由于工件材料性能改變，或者上道工序的工藝改變（如毛坯精化后，把原來的切削加工工序取消），引起原始誤差發(fā)生較大的變化，這種原始誤差的變化，對本工序的影響主要有兩種情況：

●誤差復(fù)映，引起本工序誤差；

●定位誤差擴大，引起本工序誤差。

解決這個問題，最好是采用分組調(diào)整均分誤差的辦法。這種辦法的實質(zhì)就是把原始誤差按其大小均分為n組，每組毛坯誤差范圍就縮小為原來的1/n，然后按各組分別調(diào)整加工。

⑤均化原始誤差

    對配合精度要求很高的軸和孔，常采用研磨工藝。研具本身并不要求具有高精度，但它能在和工件作相對運動過程中對工件進行微量切削，高點逐漸被磨掉（當(dāng)然，模具也被工件磨去一部分）最終使工件達到很高的精度。這種表面間的摩擦和磨損的過程，就是誤差不斷減少的過程。這就是誤差均化法。它的實質(zhì)就是利用有密切聯(lián)系的表面相互比較，相互檢查從對比中找出差異，然后進行相互修正或互為基準(zhǔn)加工，使工件被加工表面的誤差不斷縮小和均。 在生產(chǎn)中，許多精密基準(zhǔn)件（如平板、直尺、角度規(guī)、端齒分度盤等）都是利用誤差均化法加工出來的。

⑥就地加工法

    在加工和裝配中有些精度問題，牽涉到零件或部件間的相互關(guān)系，相當(dāng)復(fù)雜，如果一味地提高零、部件本身精度，有時不僅困難，甚至不可能，若采用就地加工法（也稱自身加工修配法）的方法，就可能很方便地解決看起來非常困難的精度問題。就地加工法在機械零件加工中常用來作為保證零件加工精度的有效措施。