淺談機械加工工藝系統對加工精度的影響

魏輝朋，梁治民，郭慧鴿

河南萬合機械有限公司，河南新密 452370

1 概述

零件進行機械加工時，必須具備一定的條件，即要有一個系統來支持，稱之為機械制造工藝系統，主要是由工件、機床、工具和夾具所組成。工藝系統對零件精度影響主要有以下幾方面：工藝系統幾何精度、工藝系統的受力變形、工藝系統熱變形。

2 工藝系統的幾何精度對加工精度的影響

工藝系統的幾何精度對加工精度的影響包括：加工原理誤差、調整誤差、機床誤差、夾具的制造誤差與磨損、刀具的制造誤差與磨損。

加工原理誤差是采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。如三坐標數控銑床上銑削復雜曲面零件時，通常要用球頭刀采用“行切法”加工。所謂行切法，就是球頭刀與零件輪廓的切點軌跡是一行一行的，而行間的距離S是按零件加工要求確定的，S=8Rh ，S為球頭刀半徑，h為允許的表面不平度。采用近似成形運動或近似的切削刃輪廓雖然會帶來加工原理誤差，但往往可簡化機床結構或刀具形狀，或可提高生產效率，有時甚至能得到高的加工精度。因為行切法所帶來的誤差不超過規(guī)定的精度要求（其原理誤差小于10%～15%工件的公差值），所以在生產仍能得到廣泛的應用。在機械加工的每個工序中，總是要對工藝系統進行這樣那樣的調整工作。由于調整不可能絕對地準確，因而產生調整誤差。引起機床誤差的原因是機床制造誤差、安裝誤差和磨損等原因綜合引起的。引起夾具的制造誤差與磨損主要原因是：定位元件、刀具導向元件、分度機構、夾具體等的制造誤差；夾具裝配后，以上各種元件工作面間的相對尺寸誤差；夾具在使用過程中工作表面的磨損所帶來的誤差。刀具的制造誤差與磨損對加工精度的影響根據刀具種類不同而異：用成形車刀加工零件時，刀具刃口的不均勻磨損將直接反映在工件上，造成誤差；在加工較大表面（一次走刀需較長時間）時，刀具的磨損會嚴重影響工作的形狀精度；用調整法加工一批工件時，刀具的磨損會擴大工件尺寸的分散范圍。因此，在刀具達到急劇磨損階段前就必須重新磨刀。

3 工藝系統的受力變形對加工精度的影響

在切削加工時，由機床、刀具、夾具和工件組成的工藝系統，在切削力、夾緊力以及重力等的作用下，將產生相應的變形，使刀具和工件在靜態(tài)下調整好的相互位置，以及切削成形運動所需要的正確幾何關系發(fā)生變化，而造成的加工誤差。減小工藝系統受力變形是保證加工精度的有效途徑之一。在生產實際中，常從兩個主要方面采取措施來予以解決：一是提高系統剛度；二是減小載荷及其變化。從加工質量、生產效率等方面考慮，提高工藝系統中薄弱環(huán)節(jié)的剛度是最重要的措施。而提高剛度的措施有：合理的結構設計、提高聯接表面的接觸剛度、采用合理的裝夾和加工方式。

工件殘余應力引起的變形。是指在沒有外力作用下或去除外力后工作內存留的應力。殘余應力的來源主要有：毛坯制造和熱處理過程中產生的殘余應力；冷校直帶來的殘余應力；切削加工帶來的殘余應力。要清除殘余應力一般可采取下列措施：1）增加消除內應力的熱處理程序。如對鑄、鍛、焊接件進行退火或回火等；2）合理安排工藝過程。例如粗精加工分開在不同的工序中進行，使粗加工后有一定時間讓殘余應力重新分布，以減少對精加工的影響；3）改善零件結構，提高零件的剛性，使壁厚均勻等均可減少殘余應力的產生。

4 工藝系統的熱變形對加工精度的影響

在機械加工中，工藝系統會受到各種熱的影響而產生熱變形，這種變形將破壞刀具與工件的正確幾何關系和運動關系，造成工件的加工誤差。熱變形對加工精度的影響比較大，特別是精密加工和大件加工中，熱變形所引起的加工誤差通常會占到工件加工總誤差的40%～70%。熱變形對精度的影響主要有以下3方面：工件熱變形對精度的影響、刀具熱變形對精度的影響、機床熱變形對精度的影響。

4.1 工件熱變形對精度的影響

一般來說工件熱變形在精加工中影響比較嚴重，特別是長度長，而精度要求高的零件。如磨削絲杠就是一個突出的例子。若絲杠的長度為2m，每磨一次其溫度相對于絲杠就升高約3℃，則絲杠的伸長量：△L＝2000×1.17×10-5×3mm=0.07mm，而6級絲杠的螺距積累誤差在全長上不允許超過0.02mm，由此可見熱變形的嚴重性。再如銑、刨、磨平面時，工件在單面受到切削熱的作用，上下表面溫差將導致工件向上拱起，加工中凸起的部分被切去，冷卻后變成下凹造成平面度誤差。為減少這些誤差可以采取的措施：在切削時使用充分的切削液減少表面升溫，也可采取誤差補償法：在裝夾工件時使工件表面產生微量的夾緊變形，以此來減少切削時工件單面受熱而拱起的誤差，或降低切削用量以減少切削熱和摩擦熱，也可以采用粗加工后停機以待熱量散發(fā)后再進行精加工。

4.2 刀具熱變形對加工精度的影響

主要由切削熱引起的。連續(xù)切削時，刀具的熱變形在切削初始階段增加很快，隨后變得較緩慢，經過不長時間后（約10min～20min）便趨于平衡狀態(tài)。為減少熱變形應合理選擇切削用量和刀具的幾何參數，并給予充分的冷和潤滑。

4.3 機床熱變形對精度的影響

機床在工作過程中，受到內外熱源的影響，各部分溫度將逐漸升高。由于各部件的熱源不同，分布不均勻，以及機床結構的復雜性，因此各部件的溫升不同，而且同一部件不同位置的溫升也不相同，形成不均勻的溫度場，使機床各部件之間的相互位置發(fā)生變化，破壞了機床原有的幾何精度而造成加工誤差。

車床類機床的主要熱源是主軸箱中的軸承、齒輪、離合器等傳動副的摩擦使主軸箱和床身的溫度上升，從而造成了機床主軸抬高和傾斜。大型機床如導軌磨床、外圓磨床、龍門銑床等長床身部件，其溫差的影響也是很顯著的。一般由于溫度分層變化，床身上表面比床身的底面溫度高而形成溫差，因此床身將產生彎曲變形，表面呈中凸狀。

減少機床熱變形有以下幾種方法：1）減少熱源的發(fā)熱和隔離熱源。把熱源從主機上分離出去，或者從結構和潤滑等方面改善其摩擦特性；2）加強散熱能力。可以采取強制冷卻的辦法，吸收熱源發(fā)出的熱量；3）采用合理的機床部件結構及裝配基準。采用熱對稱結構，在變速箱中，將軸、軸承、傳動齒輪等對稱布置，可使箱壁溫升均勻，箱體變形減少；4）使機床加速達到熱平衡狀態(tài)，當達到熱平衡狀態(tài)后，熱變形就趨于穩(wěn)定，加工精度就容易控制。可以使機床高速空運轉，或適當部位設置熱源以快速達到熱平衡狀態(tài)；5）控制環(huán)境溫度。精密機床可安裝在恒溫車間，恒溫室平均溫度為20℃，冬季為17℃，夏季為23℃。