影響機(jī)械加工精度的主要因素分析與研究

【摘 要】文章介紹了影響機(jī)械加工精度的幾個(gè)重要因素。在諸多誤差因素中，機(jī)床的幾何誤差、工藝系統(tǒng)的受力變形和受熱變形占有突出的位置，通過了解這些誤差因素是如何影響加工誤差的，可以使工件的加工達(dá)到質(zhì)量要求。

【關(guān)鍵詞】加工精度;誤差;工藝系統(tǒng)

隨著國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的提高，社會(huì)要求提高產(chǎn)品的質(zhì)量。而加工精度是衡量零件加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，所以保證零件的加工精度很重要。這就要求我們來了解影響機(jī)械加工精度的因素，從而提高加工精度。在加工過程中工藝系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生各種誤差，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.加工原理誤差

加工過程由于采用了近似的加工方法，近似的傳動(dòng)或近似的刀具輪廓而產(chǎn)生的加工誤差。

1.1采用近似的加工運(yùn)動(dòng)造成的誤差

在許多場合，為了得到要求的工件表面，必須在工件或刀具的運(yùn)動(dòng)之間建立一定的聯(lián)系。從理論上講，應(yīng)采用完全準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系。但是采用理論上完全準(zhǔn)確的加工原理有時(shí)使機(jī)床或夾具極為復(fù)雜，致使制造困難，反而難以達(dá)到較高的加工精度，有時(shí)甚至是不可能做到。如在車削或磨削模數(shù)螺紋時(shí)，由于其導(dǎo)程t=πm，式中有π這個(gè)無理因子，在用配換齒輪來得到導(dǎo)程數(shù)值時(shí)，就存在原理誤差。

1.2采用近似的刀具輪廓造成的誤差

用成形刀具加工復(fù)雜的曲面時(shí)，要使刀具刃口做得完全符合理論曲線的輪廓，有時(shí)非常困難，往往采用圓弧、直線等簡單近似的線型代替理論曲線。如用滾刀滾切漸開線齒輪時(shí)，為了滾刀的制造方便，多用阿基米德基本蝸桿或法向直廓基本蝸桿來代替漸開線基本蝸桿，從而產(chǎn)生了加工原理誤差。

2.機(jī)床幾何誤差及磨損其對加工精度的影響

加工中刀具相對于工件的成形運(yùn)動(dòng)一般都是通過機(jī)床完成的，因此工件的加工精度在很大程度上取決于機(jī)床的精度。機(jī)床制造誤差對工件加工精度影響較大的有:主軸回轉(zhuǎn)誤差、導(dǎo)軌誤差和傳動(dòng)鏈誤差。

2.1主軸回轉(zhuǎn)誤差

主軸的回轉(zhuǎn)誤差直接影響被加工工件的形狀和位置精度，可分解為徑向跳動(dòng)、軸向跳動(dòng)和角度擺動(dòng)。由于存在誤差敏感方向，加工不同表面時(shí)，主軸的徑向跳動(dòng)所引起的加工誤差也不同。例如，在車床上加工外圓或內(nèi)孔時(shí)，主軸的徑向跳動(dòng)將引起工件的圓度誤差，但對于端面加工沒有直接影響。車端面時(shí)，主軸的軸向跳動(dòng)將造成工件端面的平面度誤差，以及端面相對于內(nèi)、外圓的垂直度誤差;車螺紋時(shí)，會(huì)造成螺距誤差。主軸的軸向跳動(dòng)對加工外圓或內(nèi)孔的影響不大。主軸的角度擺動(dòng)對加工誤差的影響與主軸徑向跳動(dòng)對加工誤差的影響相似，主要區(qū)別在于主軸的角度擺動(dòng)不僅影響工件加工表面的圓度誤差，而且影響工件加工表面的圓柱度誤差。

2.2導(dǎo)軌誤差

導(dǎo)軌在機(jī)床中起導(dǎo)向和承載作用，它既是確定機(jī)床主要部件相對位置的基準(zhǔn)，也是運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)。它的各項(xiàng)誤差直接對形狀精度產(chǎn)生影響。導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差將直接反映在被加工工件表面的法線方向(誤差敏感方向)上，對加工精度的影響最大。導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度誤差對加工精度影響很小，一般可忽略不計(jì)。前后導(dǎo)軌的平行度誤差會(huì)使工作臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生擺動(dòng)，刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條空間曲線，使工件產(chǎn)生形狀誤差。

2.3傳動(dòng)鏈誤差

切削過程中，工件表面的成形運(yùn)動(dòng)，是通過一系列的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)元件有齒輪、絲桿、螺母、蝸輪及蝸桿等。這些傳動(dòng)元件由于其加工、裝配和使用過程中磨損而產(chǎn)生誤差，這些誤差就構(gòu)成了傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)越多，傳動(dòng)路線越長，則傳動(dòng)誤差越大。機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差是影響表面加工精度的主要原因之一。

3.工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差

工藝系統(tǒng)是一彈性系統(tǒng)，在加工時(shí)由于切削力、夾緊力和傳動(dòng)力等作用會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變形破壞了刀具和工件間的正確位置，從而產(chǎn)生加工誤差。

3.1切削過程中受力點(diǎn)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(diǎn)位置的變化而變化，引起系統(tǒng)變形的差異，使被加工表面產(chǎn)生形狀誤差。

3.2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上都有較大的誤差。毛坯的這些誤差在加工時(shí)使切削深度不斷發(fā)生變化，從而導(dǎo)致切削力的變化，進(jìn)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“誤差復(fù)映”。除切削力外，傳動(dòng)力、慣性重力、夾緊力等其它作用力也會(huì)使工藝系統(tǒng)的變形發(fā)生變化，從而引起加工誤差，影響加工精度。

4.工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差

機(jī)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(yùn)動(dòng)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加工誤差的40%～70%。

4.1機(jī)床熱變形對加工精度的影響

機(jī)床受熱源的影響，各部分溫度將發(fā)生變化，由于熱源分布的不均勻和機(jī)床機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，機(jī)床的各部件發(fā)生不同程度的熱變形，破壞了機(jī)床各部件原有的相互位置關(guān)系，影響加工精度。不同類型的機(jī)床由于熱源不同，對加工精度影響也不同。

4.2刀具熱變形對加工精度的影響

盡管在切削加工中傳入刀具的熱量只有3%～5%，但由于刀具的尺寸和熱容量小，故仍有很高的溫升，從而引起刀具的熱伸長并造成加工誤差。粗加工時(shí)刀具的熱變形對加工精度的影響可忽略不計(jì);對于加工要求較高的零件，刀具的熱變形對加工精度影響較大，使加工表面產(chǎn)生形狀誤差。例如用高速鋼刀具車削時(shí)，刃部的溫度高達(dá)700℃～800℃，刀具熱伸長量可達(dá)0.03mm～0.05mm。

4.3工件熱變形對加工精度的影響

工件的熱變形主要是由切削熱引起的，熱變形情況與加工方法和是否均勻受熱有關(guān)。

4.3.1工件均勻受熱

對于一些簡單的均勻受熱工件，如車、磨軸類件的外圓， 待加工后冷卻到室溫時(shí)其長度和直徑將有所收縮，由此而產(chǎn)生尺寸誤差;加工盤類零件或較短的軸套類零件，由于加工行程較短，可以近似認(rèn)為沿工件軸向方向的溫升相等。對于較長工件(如長軸)的加工，開始走刀時(shí)，工件溫度較低，變形較小。隨著切削的進(jìn)行，工件溫度逐漸升高，直徑逐漸增大，因此工件表面被切去的金屬層厚度越來越大，冷卻后不僅產(chǎn)生徑向尺寸誤差，而且還會(huì)產(chǎn)生圓柱度誤差;對于軸向精度要求較高的工件(如精密絲杠)，其熱變形引起的軸向伸長將產(chǎn)生螺距誤差。

4.3.2工件不均勻受熱

當(dāng)工件受熱不均時(shí)，如磨削零件單一表面，由于工件單面受熱而產(chǎn)生向上翹曲變形，加工冷卻后將形成中凹的形狀誤差，這種現(xiàn)象對于加工薄片類零件尤為突出。