機械加工精度淺析

韓壽權

摘要：本文簡要介紹了加工精度與加工誤差基本知識。結合生產教學實際，詳細介紹了各種誤差極其形成原因，并就如何減小誤差，提高機械加工精度提出了自己的觀點。

關鍵詞：加工精度；減小誤差

1 概述

1.1 加工精度與加工誤差

加工精度是指零件加工后的實際幾何參數(尺寸、形狀和位置)與理想幾何參數的符合程度。實際加工不可能做得與理想零件完全一致，總會有大小不同的偏差，零件加工后的實際幾何參數對理想幾何參數的偏離程度，稱為加工誤差。

1.2 原始誤差

由機床、夾具、刀具和工件組成的機械加工工藝系統(簡稱工藝系統)會有各種各樣的誤差產生，這些誤差在各種不同的具體工作條件下都會以各種不同的方式(或擴大、或縮小)反映為工件的加工誤差。

工藝系統的原始誤差主要有工藝系統的幾何誤差、定位誤差、工藝系統的受力變形引起的加工誤差、工藝系統的受熱變形引起的加工誤差、工件內應力重新分布引起的變形以及原理誤差、調整誤差、測量誤差等。

1.3 研究機械加工精度的方法

研究機械加工精度的方法分析計算法和統計分析法。

2 工藝系統集合誤差

2.1 機床的幾何誤差

加工中刀具相對于工件的成形運動一般都是通過機床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取決于機床的精度。機床制造誤差對工件加工精度影響較大的有：主軸回轉誤差、導軌誤差和傳動鏈誤差。機床的磨損將使機床工作精度下降。

2.1.1 主軸回轉誤差

機床主軸是裝夾工件或刀具的基準，并將運動和動力傳給工件或刀具，主軸回轉誤差將直接影響被加工工件的精度。

主軸回轉誤差是指主軸各瞬間的實際回轉軸線相對其平均回轉軸線的變動量。它可分解為徑向圓跳動、軸向竄動和角度擺動三種基本形式。

產生主軸徑向回轉誤差的主要原因有：主軸幾段軸頸的同軸度誤差、軸承本身的各種誤差、軸承之間的同軸度誤差、主軸繞度等。但它們對主軸徑向回轉精度的影響大小隨加工方式的不同而不同。

產生軸向竄動的主要原因是主軸軸肩端面和軸承承載端面對主軸回轉軸線有垂直度誤差。不同的加工方法，主軸回轉誤差所引起的的加工誤差也不同。在車床上加工外圓和內孔時，主軸徑向回轉誤差可以引起工件的圓度和圓柱度誤差，但對加工工件端面則無直接影響。主軸軸向回轉誤差對加工外圓和內孔的影響不大，但對所加工端面的垂直度及平面度則有較大的影響。在車螺紋時，主軸向回轉誤差可使被加工螺紋的導程產生周期性誤差。

適當提高主軸及箱體的制造精度，選用高精度的軸承，提高主軸部件的裝配精度，對高速主軸部件進行平衡，對滾動軸承進行預緊等，均可提高機床主軸的回轉精度。

2.1.2 導軌誤差

導軌是機床上確定各機床部件相對位置關系的基準，也是機床運動的基準。車床導軌的精度要求主要有以下三個方面：在水平面內的直線度；在垂直面內的直線度；前后導軌的平行度(扭曲)。

除了導軌本身的制造誤差外，導軌的不均勻磨損和安裝質量，也使造成導軌誤差的重要因素。導軌磨損是機床精度下降的主要原因之一。

2.1.3 傳動鏈誤差

傳動鏈誤差是指傳動鏈始末兩端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。

2.2 刀具的幾何誤差

任何刀具在切削過程中，都不可避免地要產生磨損，并由此引起工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，合理地選用刀具幾何參數和切削用量，正確地刃磨刀具，正確地采用冷卻液等，均可有效地減少刀具地尺寸磨損。必要時還可采用補償裝置對刀具尺寸磨損進行自動補償。

3 定位誤差

3.1 基準不重合誤差

在零件圖上用來確定某一表面尺寸、位置所依據的基準稱為設計基準。在工序圖上用來確定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依據的基準稱為工序基準。一般情況下，工序基準應與設計基準重合。在機床上對工件進行加工時，須選擇工件上若干幾何要素作為加工時的定位基準(或測量基準)，如果所選用的定位基準(或測量基準)與設計基準不重合，就會產生基準不重合誤差。基準不重合誤差等于定位基準相對于設計基準在工序尺寸方向上的最大變動量。

3.2 定位副制造不準確誤差

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準確，它們得實際尺寸(或位置)都允許在分別規定得公差范圍內變動。同時，工件上的定位基準面也會有制造誤差。工件定位面與夾具定位元件共同構成定位副，由于定位副制造得不準確和定位副間的配合間隙引起的工件最大位置變動量，稱為定位副制造不準確誤差。

4 工藝系統受力變形引起的誤差

4.1 工件剛度

工藝系統中如果工件剛度相對于機床、刀具、夾具來說比較低，在切削力的作用下，工件由于剛度不足而引起的變形對加工精度的影響就比較大，其最大變形量可按材料力學有關公式估算。

4.2 刀具剛度

外圓車刀在加工表面法線(y)方向上的剛度很大，其變形可以忽略不計。鏜直徑較小的內孔，刀桿剛度很差，刀桿受力變形對孔加工精度就有很大影響。刀桿變形也可以按材料力學有關公式估算。

4.3 機床部件剛度

機床部件由許多零件組成，機床部件剛度迄今尚無合適的簡易計算方法，目前主要還是用實驗方法來測定機床部件剛度。變形與載荷不成線性關系，加載曲線和卸載曲線不重合，卸載曲線滯后于加載曲線。兩曲線線間所包容的面積就是載加載和卸載循環中所損耗的能量，它消耗于摩擦力所作的功和接觸變形功；第一次卸載后，變形恢復不到第一次加載的起點，這說明有殘余變形存在，經多次加載卸載后，加載曲線起點才和卸載曲線終點重合，殘余變形才逐漸減小到零； 機床部件的實際剛度遠比我們按實體估算的要小。

5 工藝系統受熱變形引起的誤差

工藝系統熱變形對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可占工件總誤差的40%～70%。機床、刀具和工件受到各種熱源的作用，溫度會逐漸升高，同時它們也通過各種傳熱方式向周圍的物質和空間散發熱量。當單位時間傳入的熱量與其散出的熱量相等時，工藝系統就達到了熱平衡狀態。

6 結論：提高加工精度的途徑

減小原始誤差；轉移原始誤差 ；均分原始誤差 ；均化原始誤差 ；誤差補償