机械加工误差的管控

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本文作者：赵金宇、李杨 单位：沈阳机床集团

随着国家经济实力和整体科技水平的提高，机械工业的发展对产品质量有更高的要求。而加工精度是衡量零件加工质量的主要指标，在机械加工过程中，会有很多因素影响工件的加工质量，如何使工件的加工达到质量要求，以及如何减少各种因素对加工精度的影响，就成为加工前必须考虑的问题，也就是要对影响机械加工精度的因素进行分析。在机械加工中，由机床、夹具、刀具与被加工工件一起构成了这一加工过程的一个整体，这一整体称为机械加工工艺系统。因而，分析机械加工精度的过程，也就是分析这一工艺系统在各种不同的工作条件下以各种不同方式（或放大、或缩小）反映工件的加工误差。而机床、夹具又是这一工艺系统的重要组成部分。下面我们就分析这一工艺系统存在的误差。

1.机床的几何误差

加工中刀具相对于工件的成形运动都是通过机床来完成的，因而，工件的加工精度在很大的程度上取决于机床的精度。机床的制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。尤其机床的磨损将使机床工作精度下降。

1.1主轴回转误差

主轴回转误差对于工件的位置精度和形状精度都会产生直接的影响，其可以分解为角度摆动、轴向跳动以及径向跳动。因为存在一定的误差敏感方向，所以加工表面不同，主轴的径向跳动引起的误差也不同。比如在车床上加工内孔或者外圆时，就会由于主轴的径向跳动而引起圆度误差，但是对端面的加工却没有直接的影响；而在车端面时，轴向跳动又会引起工件端面的平面度误差，和端面相对内外圆垂直度的误差；在车螺纹时则会造成螺距的误差等。主轴轴向跳运对于内孔或者外圆的精度影响比较小，主轴径向跳动和主轴的角度摆动对加工误差的影响比较相似，区别就在于主轴角度摆动除了影响工件加工表面的圆度误差外，还会影响到圆柱度误差。

1.2导轨误差

导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准，除了导轨本身的制造误差外，导轨的安装质量和不均匀磨损也是造成导轨误差的主要因素。而导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。

1.3传动链误差

工件在切削的过程中，其表面的成形运动是靠一系列的传动机构实现的。该传动机构包括齿轮、螺母、蜗杆、丝杆等传动元件。由于这些元件会在装配、加工以及使用过程中产生磨损而导致误差，所以就导致传动链的传动误差。传动线路越长、传动机构越复杂，传动误差就会相应的越大。影响工件表面加工精度的误差因素中，主要因素就是机床的传动链误差。

2.夹具的几何误差

夹具的作用是使工件相对于机床和刀具具有一个正确的安装位置，因此，夹具的制造误差对工件的加工精度影响很大。一是基准不重合误差，在零件图上确定某一表面尺寸、形状、位置所依据的基准称为设计基准。在工序图上用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状、位置所依据的基准称为工序基准。在机床上对工件进行加工时，须选择工件上若干几何要素作为加工时的定位基准，如果所选用的定位基准与设计基准不重合，就会产生基准不重合误差。二是定位副制造不准确产生的误差，夹具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得绝对准确，其实际尺寸（或位置）都允许在规定的公差范围内变动。工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副，由于定位副制造的不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量，称为定位副制造不准确误差。

3.刀具的几何误差

任何刀具在切削过程中，都要产生磨损，并由此引起工件尺寸和形状地改变。正确的选用刀具材料或新型耐磨刀具材料，合理地选用刀具几何参数和切削用量，均能最大限度地减少刀具磨损。必要时可以采用补偿装置对刀具的磨损进行补偿；同时，对于数控铣来说，装夹刀具的刀柄以及弹簧夹头的精度也应该受到一定的重视，这两者的好坏也反映了主轴回转的径向跳动对工件的影响。

4.工艺系统受力变形产生的误差

4.1工件刚度

工艺系统中如果工件刚度相对于机床、夹具、刀具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚度不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大。还有加工工艺的安排是否合理也是影响加工精度的一个非常重要的方面。

4.2刀具刚度

外圆车刀在加工表面法线方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。但在镗直径较小的孔时，刀杆刚度很差，刀杆的受力变形就对孔加工精度有很大影响。

4.3机床部件刚度

机床部件由许多零件组成，机床部件刚度现在尚无合适的计算方法，目前还是用实验方法来测定。变形与载荷不成线性关系，加载和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线。两曲线间所包容的面积就是加载和卸载循环中所损耗的能量，它消耗于摩擦力所做的功和接触变形功。第一次卸载后，变形恢复不到第一次加载的起点，这说明有残余变形存在，必须经多次加载卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变形才能逐渐减小到零。

5.工艺系统受热变形引起的误差

工艺系统热变形对加工精度的影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，由热变形引起的加工误差有时可占工件总误差的50％。机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们也会通过各种传热方式向周围的物质散发热量。

6.调整的几何误差

在机械加工的每一道工序中，对工艺系统的调整是必不可少的，由于调整不可能绝对地准确，因而在调整过程中产生误差。在工艺系统中，刀具、工件在机床上的互相位置精度，是通过调整机床、夹具、刀具或工件等来保证的。当机床、夹具、刀具和工件毛坯等的原始精度都达到工艺要求而又不考虑动态因素时，调整误差的影响，对加工精度起到决定性的作用。

7.测量的几何误差

零件在加工过程中和加工完成后进行测量时，由于测量方法、检测量具精度以及工件等主客观因素都直接影响测量精度。

8.结论

加工精度的高低一般都是通过加工误差的大小反应出来的，工艺系统的原始误差主要有工艺系统的几何误差、定位误差、工艺系统的受力变形引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的加工误差、工件内应力重新分布引起的变形以及原理误差、调整误差、测量误差等。从原始误差产生的主要来源看，提高加工精度的途径有：减小原始误差；转移原始误差；均分原始误差；均化原始误差；误差补偿等。因此，我们必须积极采取有效措施，尽量减少原始误差，进而不断提高加工精度。