機械加工原始誤差分析與控制措施

劉學杰　王進　田玉艷

摘 要：文章列舉了加工過程中影響機械加工精度的各種原始誤差，然后對這些原始誤差進行逐一詳盡分析，深入剖析其存的主要原因，并針對這些原因提出了相應的措施，再重點介紹兩種在現代加工中心應用較多的誤差補償措施。

關鍵詞：機械加工精度；原始誤差；誤差補償

1 概述

零件加工完成后其幾何參數與理想零件的幾何參數之間總是存在的不可避免的偏差稱之為加工誤差[1]。我們研究原始誤差的目的在于揭示其在零件加工過程中產生的原因以便采取相對應的措施來減少誤差，最終達到提高零件的加工精度的目的。我們將在加工過程中可能出現的原始誤差逐一列出，如圖1所示。

文章對各原始誤差進行深入分析，并采取相應的措施以降低加工誤差。

2 傳統控制機械加工原始誤差的措施

對于正在加工的零件而言，原始誤差可能在加工前已經存在，如原理誤差、工藝裝夾誤差、機床誤差及調整誤差等，也有可能是隨著加工的進行而出現的，如刀具磨損、工藝系統受熱變形等。前者可以采取重新選擇加工方法或調整機床的措施；后者則要對其產生的原因及變化規律進行探究，再采取相應的工藝措施消除其影響。此外，各種加工誤差往往不是孤立存在的，它們之間是相互依賴相互影響的。在某一特定條件下，可能有某一種或幾種原始誤差起主導作用，我們可以通過分析確定這些起主導作用的誤差，然后采取相應的措施。

下面對各種加工誤差進行分析。

2.1 原理誤差

由于采用了近似的加工運動或者近似的刀具輪廓而產生的誤差，一般出現在加工精度要求不高、成本低廉的零件中或因加工條件限制必須用近似加工的零件中，這類零件的使用要求一般不高，所以降低零件的原理誤差一般意義不大。

2.2 零件裝夾誤差

在零件裝夾至機床或加工中心上時，由于受到夾具的夾緊力而產生了一個預變形，這個預變形量即為裝夾誤差。機床夾具定位元件本身存在加工誤差，這也會使得零件在裝夾時產生誤差。零件裝夾誤差在進行薄壁零件加工時是不可忽略的主要因素，大多采用多點裝夾或合理安排加工工序，盡量一次裝夾多次加工來減少裝夾誤差。在數控機床上還可利用數控程序測量、計算和補償工件裝夾的定位方法，來降低對工件裝夾的要求[2]。

2.3 機床誤差

主要是指機床工作中由于主軸回轉、導軌和傳動鏈等引起的誤差。可以采取更換滾動軸承，調整軸承間隙，換用高精度的靜壓軸承的方式恢復及提高主軸回轉精度。導軌和傳動鏈誤差屬于“硬傷”，只能在機床使用過程中多加留心、及時檢測、對于機床硬件定期保養等措施來推遲這類誤差的出現。

2.4 刀具誤差

是指在進行切削過程中由于刀具受損而引起的加工誤差。可以采取一定措施來減少刀具誤差的影響，如正確選用刀具材料和選用新型耐磨材料的刀具，選擇合適的刀具幾何參數和切削用量，合理安排加工工序，采用冷卻液等。盡量使刀具少加工零件斷面以減少瞬間沖擊磨損，避免使用易對刀具產生沖擊的單刃刀具等，都能最大限度地減少刀具磨損。

2.5 度量誤差

零件在加工時、加工后進行度量產生的誤差即為度量誤差。在平時對量具進行定期鑒定并注意保養，進行零件測量時選用合適的量具，測量方法正確避免視差及讀數錯誤，對于零件的關鍵尺寸采取多人測量等措施均可減少度量誤差。

2.6 工藝系統的受力變形產生的誤差

工藝系統在零件加工的過程中，由于受到外力作用而產生變形，破壞已經調整好的刀具與零件之間的相對位置和機床預定的運動規律而使零件產生了誤差，這個誤差就叫工藝系統的受力變形產生的誤差。采取的措施有在加工準備階段采用減少刀具、工件的懸伸長度或進行有效的輔助支承以提高其剛度，減少產生變形的切削力；安排工序順序時，盡可能不要加工斷續表面；調整機床，提高剛度等。

2.7 工藝系統的受熱變形產生的誤差

機床和夾具在加工零件的過程中會產生熱量，零件、刀具在切削過程中產生切削熱，它們之間相互傳遞，這樣工藝系統會因各系統的熱變形不同而引起其相對位置變化，從而引起加工誤差。減少工藝系統受熱變形誤差的措施有采用壓縮空氣或大流量的切削液、預熱機床在熱平衡狀態下進行加工、在恒溫室中加工等。

2.8 內應力變形誤差

內應力變形誤差是指零件殘余應力引起的誤差。可以采取高溫時效、低溫時效、振動去應力、粗精階段分加工、熱校直等措施來減少內應力變形誤差。

2.9 調整誤差

工藝系統中的調整包括機床調整、夾具調整、刀具調整等。由于調整不可能絕對準確，也就帶來不同程度的調整誤差。減少這類誤差的措施有：合理安排粗精加工工序；零件進入精加工工序后減少零件裝夾次數等。

除了這些控制誤差措施外，通常還還會用到分化或均化原始誤差、轉移原始誤差等方法來對加工誤差進行控制。

3 機械加工誤差補償措施

影響零件加工精度的原始誤差很多，為了達到控制其加工精度的目的，需要針對零件的特征及加工方法，找出影響加工精度的主要因素，才能采取針對性措施。但影響零件加工誤差的因素太多了，找到主要的影響因素并不容易。其實無論哪種原始誤差影響最大，最終體現在零件上的就是零件超差，亦即原始誤差是“因”；加工誤差 是“果”。我們可以不理“因”，直接對“果”采取措施，使其滿足零件的價格精度要求。這就是隨著大型加工中心及計算機技術的發展而興起的一種新的提高加工精度的措施——誤差補償。

所謂誤差補償就是人為地制造出一種新的誤差，通過移動機床的運動副以使刀具和工件在機床空間誤差的逆方向上產生相對運動，以此抵消原來工藝系統中固有的原始誤差，達到減少加工誤差，提高零件加工精度的目的。這個新的誤差即為補償值，補償值的獲取主要有兩種方式：通過模型仿真預測或在線檢測。模型仿真包括數控加工中心的空間誤差模型和零件切削誤差模型。數控加工中心的空間誤差模型是指在加工空間里刀具相對工件的總誤差與加工中心各組件運動誤差隨刀具位置的函數[3]，把數控加工中心的切削運動看作空間兩組剛體的運動，應用剛體運動學理論和齊次坐標變換技術建立多軸數控加工中心空間誤差的通用模型，把加工中心刀具相對工件的終端誤差表示為各個誤差源和刀具位置的函數。零件切削誤差模型是通過切削試驗結合軟件建模分析實現的。首先通過多組切削試驗建立某種金屬的切削力模型，再通過向仿真模型添加初始應力場、對節點施加切削力、控制走刀路徑對切削過程進行仿真分析，預測零件的誤差變形。

在線檢測誤差補償是指在零件加工過程中，通過測量系統測出零件尺寸誤差統計數據，再通過數控程序實現加工尺寸誤差補償[4]。目前我國的在線檢測大多是采用間接在機檢測零件尺寸的方法，即停止切削加工，工件保持裝夾狀態，利用安裝在數控機床上的測頭對工件進行檢測，再將檢測數據傳給外部計算機進行尺寸計算和誤差分析，依據分析結果將相應的補償值輸入數控機床的控制系統。這種方法將機床與測量儀器有機地結合起來，機床既作為加工設備，又作為測量設備，以機床的精度作為在機測量的精度基礎，避免了加工與測量的基準不統一的誤差。還可以通過開發必要的測量程序和測量數據處理軟件， 直觀顯示測量結果，按測量結果直接補償。不過目前大多數的數控機床自身的控制系統不具備測量數據分析功能。一般的檢查數據處理方式是將數據輸出至外部計算機上進行數據處理。

4 結束語

目前零件的加工精度要求越來越高，采取合理措施減少或消除相關影響機械加工精度的原始誤差因素很有必要，隨著科學技術發展，誤差的識別與控制技術發展較快，這使得誤差控制措施更加經濟完善。很多學者專家對從事誤差仿真預測及及檢測技術課題研究取得了重大突破， 相信在不久的將來，誤差補償技術一定會成為一種比較常用的誤差控制措施。

參考文獻

[1]王先逵.機械制造工藝學[M]，北京：清華大學出版社，1989.

[2]賈作森.裝夾定位誤差的補償方法[J].制造技術與機床，1995，10：14-16.

[3]張虎，周云飛.數控加工中心誤差G代碼補償技術[J].華中科技大學學報，2002，30（2）：13-16.

[4]劉剛軍，劉黎.加工中心在線檢測系統的研究[J].機械工程與自動化，2009，156（5）：110-113.

作者簡介：劉學杰（1982-），男，工程師，碩士研究生，從事機械結構設計與研究等。