車削加工中的常見問題與誤差分析

鄒錫雄

摘 要：本文對車削加工過程中影響工件加工質量的多種因素和常見問題進行探討，分析車削工藝如何減少各種因素對加工精度的影響，對影響車削加工精度的因素進行誤差分析使工件的加工達到質量要求。

關鍵詞：車削加工 加工精度 誤差分析 加工質量

中圖分類號：TG5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0123-02

在車床加工零件的車削過程中，影響工件加工質量的因素是多方面的，由于車床的運動部件是機械性的，在傳動的過程中，可能會發生誤差，再加上車刀刀尖是一段圓弧，而不是真正的點，存在各種誤差因素影響車削加工精度。因此，需要針對車削加工中的常見問題和誤差因素進行分析，并提出解決車削加工中常見問題的一般措施，減少或消除誤差使工件的加工達到質量要求。按產生誤差的原因分類，造成車削加工的誤差類型主要有：系統工藝誤差（如：系統幾何誤差、系統受力變形誤差、系統受熱變形誤差、車床調整誤差、車床本身精度導致的誤差等）和切削加工誤差（如：刀具角度誤差和刀具磨損產生的誤差）兩大類。本文將根據各種誤差產生的原因進行分析，拋磚引玉供廣大同行交流。

1 車削加工中的常見問題及原因

以臥式車床為例，車削加工中的常見問題是：工件的圓度、圓柱度超差；錐度和尺寸超差；端面垂直度和平面度超差；表面粗糙度太大；出現混亂波紋或重復出現定距波紋。這些常見問題的產生原因主要有如下各種因素。

1.1 圓度超差的原因一般是

（1）卡盤法蘭與主軸配合螺紋松動或卡盤定位面松動；（2）工件孔壁較薄，裝夾變形；（3）主軸軸承間隙大，主軸軸套外徑與箱體孔配合間隙大，或主軸頸圓度超差。

2.2 圓柱度超差的因素

主要有八個方面：（1）坯料彎曲。（2）前后面頂尖不等高或中心偏移。（3）頂尖頂緊力不當。（4）車床主軸軸線與床身導軌面在水平面內不平行。（5）刀尖離跟刀架支承處距離過大。（6）工件裝夾剛度不夠。（7）刀具在一次進給中磨損或刀桿過細，造成讓刀（對孔）。（8）由車削應力和車削熱產生變形。

1.3 錐度和尺寸超差的主要原因

（1）車刀刀尖與工件軸線沒對準。（2）刀架轉角或尾座偏移有誤差。

1.4 表面粗糙度太大

往往是如下三方面的原因：（1）潤滑不良，切削液過濾不好或選用不當。（2）工件金相組織不好。（3）刀具刃磨不良或刀尖高于工件軸線。

1.5 端面垂直度和平面度超差

與兩個因素有關：（1）主軸軸向竄動。（2）大滑板上下導軌不垂直而引起端面凹凸。

1.6 出現混亂波紋現象的產生

原因是：（1）主軸軸向竄動大或主軸軸承磨損嚴重。（2）卡盤法蘭與主軸配合松動，方刀架底面與刀架滑板接觸不良，中、小滑板間隙過大。

1.7 重復出現定距波紋

一般是由三個原因造成：（1）進給系統傳動齒輪嚙合間隙不正?；驌p壞。（2）大滑板縱向兩側壓板與床身導軌間隙過大。（3）光杠彎曲，支承光杠的孔與光杠的同軸度超差或杠與床身導軌不平行。

2 影響車削加工精度的主要因素

通常影響工件車削加工精度的主要因素有如下三種情形。

2.1 加工系統剛度變化引起誤差

加工系統的剛度隨受力點位置的變化而變化，例如：用三爪卡盤夾緊工件車削外圓的加工，隨懸臂長度的增加剛度將越來越小，導致車出的外圓將呈錐形。在工件的裝夾過程中，如果夾緊力的方向和施力點選擇不當或工件剛度較低，將會造成工件變形，產生相應的加工誤差。另一方面，切削過程中，加工系統的剛度隨著切削力施力點位置的改變而變化，引起加工系統的變形也會使零件造成加工誤差。

2.2 加工系統受力變形產生誤差

車削加工系統產生的變形會導致工件和刀具之間的相對位置發生變化從而使工件的加工精度降低，由于工件、夾具、車床、刀具所組成的加工系統是一個彈性系統，在加工過程中受到傳動力、切削力、夾緊力、慣性力以及重力等的作用，必然發生彈性變形，從而破壞工件與刀具之間的相對位置導致加工誤差。例如車削細長軸時，在切削力的作用下，工件因彈性變形而出現“讓刀”現象。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，結果使零件產生腰鼓形。如果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車床、夾具和刀具的變形要小得多，故可忽略不計。此時，工藝系統的總變形完全取決于車床床頭、尾架（包括頂尖）和刀架（包括刀具）的變形，工件產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，其變形大大超過車床夾具和刀具的受力變形。因此，車床、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，工件產生腰鼓形圓柱度誤差。

2.3 加工系統受熱變形產生誤差

熱變形影響加工精度比較大，特別是在大件加工和精密加工中，由于熱變形所導致的加工誤差甚至可占工件總誤差的一半左右。工件、刀具和車床受到各種熱源的作用，溫度會慢慢升高，同時這些金屬也通過各種散熱方式向周圍的空間和物體傳熱。例如：死頂尖裝夾工件時，熱變形將造成工件彎曲。當車床受熱不均時，造成車床部件產生變形。例如：車床主軸前、后端受熱不均，將造成主軸抬高并傾斜。刀具受熱以后，引起刀具熱伸長，刀尖位置發生變化，因而影響加工誤差。

3 車削加工中的誤差成因分析

3.1 車削加工過程中引起的誤差成因

3.1.1 近似加工原理造成的誤差

由于采用近似的刀具輪廓或近似的加工運動而造成加工誤差，例如：蝸桿車削加工時，由于蝸桿螺距Pg=πm，而π=3.1415926…，是無理數，所以螺距值只能用近似值代替。因而，刀具與工件之間的螺旋軌跡是近似的加工運動。

3.1.2 刀具角度產生誤差

刀具角度對切削加工的影響很大，刀具角度要根據其本身材料，結合工件材料和加工性質等多方面綜合選擇。刀具角度的改變對切削刃口的鋒利程度，切削力的大小，切削深度和切屑變形的大小以及表面粗糙度的優劣都有比較明顯的影響，對刀尖強度和散熱性能的影響也較突出。然而，其對尺寸精度的影響是比較隱蔽的，如刀具磨損產生尺寸誤差和刀尖是否對準車床的回轉中心，都會對加工零件的尺寸和表面粗糙度有較大影響。

3.1.3 刀尖圓弧引起誤差

在車削工件過程中，為了降低被加工工件表面的粗糙度，減緩刀具磨損，提高刀具壽命，通常將車刀刀尖刃磨成圓弧，圓弧半徑一般在0.4～1.6 mm之間。如圖1所示，采用試切法對刀時由A、B兩點分別確定刀架中心的X、Z位置。這樣，加工程序所描述的刀位點是P點，數控系統將控制P點的運動軌跡，而在切削時實際起作用的切削刃則是刀尖圓弧上的各切點，這樣勢必會產生加工表面的形狀誤差。在車削外圓、內孔及端面時，這個誤差為零。而在加工弧面和錐面時，這個誤差就很明顯。零件SR10球面加工的誤差分析見圖1所示。圖中M線為加工程序所描述的P點軌跡，即工件的理想尺寸，而實際加工后的輪廓是N線，陰影就是少切削部分，即加工誤差。假設刀尖圓弧半徑為r=0.4 mm，理論分析表明，N線是半徑為R-r=9.6的圓弧，M、N兩圓弧圓心X、Z向均相距r=0.4 mm，最大誤差約為0.17 mm，不滿足精度要求。

3.2 加工工藝系統誤差

加工工藝系統中的各組成部分，包括刀具、夾具、車床的構造誤差、裝配安裝誤差、使用過程中的磨損都直接或間接影響工件的加工精度。在車削加工過程中工藝系統會產生各種誤差，從而改變刀具和工件在切削運動過程中的相互位置關系而影響零件的加工精度。這些誤差與工藝系統本身的結構狀態和切削過程有關。

3.2.1 刀具誤差

刀具引起的誤差對工件加工精度的影響因刀具種類而不同。刀具制造的誤差、裝夾的誤差以及使用中的磨損，都影響工件的加工誤差。刀具在切削過程中，刀面、切削刃與工件、切屑產生強烈摩擦致使刀具磨損，直接影響切削生產率、加工質量和成本。當刀具磨損到一定值時會導致加工工件的表面粗糙度增加。

3.2.2 夾具引起的誤差

夾具引起的誤差包括定位誤差、夾具安裝誤差、夾緊誤差及對刀誤差等，這些誤差主要與夾具的制造精度和裝配誤差有關。夾具的作用是使工件相對于車床和刀具具有正確的位置，因此夾具的制造精度對工件的加工誤差有很大影響。工件在夾具中的位置是以其定位基準面與定位元件相配合來確定的。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而造成的加工誤差稱為定位誤差。其產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與定位基準不重合等。

3.2.3 車床系統引起的誤差

車削加工中工件相對于刀具的成形運動大都是通過車床系統完成的，車床的制造精度、安裝精度以及使用中的磨損，都直接或間接影響工件的加工誤差。因此，工件的加工精度在很大程度上取決于車床的精度，車床的磨損將使車床工作精度下降。車床系統精度對工件加工誤差影響較大的有：主軸旋轉精度、導軌精度和傳動鏈精度。

（1）導軌精度—— 導軌是車床上確定各部件相對位置的基準，也是車削加工的基準。除了導軌本身的制造精度外，導軌磨損也是車床精度下降的主要原因之一。導軌的不均勻磨損和裝配質量是導致導軌誤差的重要因素。

（2）主軸旋轉精度—— 車床主軸是裝夾刀具或工件的基準，并且將動力和運動傳給刀具或工件，主軸旋轉精度直接影響被加工零件的誤差。主軸旋轉精度是主軸運動的實際旋轉軸線相對于平均旋轉軸線的變化量。它可分解為圓跳動（影響工件圓度）、軸方向波動（影響軸方向尺寸，加工螺紋時影響螺距值）和角度撓動（影響圓柱度）三種基本形式。產生主軸徑向旋轉誤差的主要原因有：主軸各段軸頸的同軸度偏差、軸承自身的各種偏差、軸承之間的同軸度偏差等。

（3）傳動鏈精度—— 是傳動鏈始末兩端傳動元件間相對運動的精度，精度越低造成的誤差越大，一般用傳動鏈末端元件的轉角誤差來衡量。

4 解決車削加工中常見問題的一般措施

以臥式車床為例，解決車削加工中常見問題的一般措施和方法列表如表1。

5 結語

綜上所述，車削加工過程中影響工件加工質量的因素是多方面的，只要對車削工藝進行細致的誤差分析，就能掌握誤差原因對加工精度的影響；采取適當的解決措施避免常見問題的出現，減少或消除誤差使工件的加工達到質量要求。

參考文獻

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