機械加工工藝的技術誤差問題分析與對策研究

陳 輝，陳素芹，王桂珍，張金柱

（徐工集團工程機械股份有限公司科技分公司，江蘇 徐州 221000）

具有復雜與繁瑣特性的機械加工工藝是機械加工的重要內容[1]。機械的加工過程對工藝有著嚴格的要求，工藝存在缺陷則會導致最終產品難以達到交付標準[2-5]。在企業的生產管理中，會通過設置工藝規程來對成品質量進行控制[7]。這種工藝規程能夠對加工流程進行詳細指導，有效協調加工的位置、規格、尺寸、順序等問題[8]。然而，由于零件生產的精密性，在實際機械加工生產中，往往存在著一些加工工藝的技術誤差[9]。機械加工工藝的技術誤差分析能夠幫助企業尋找到降低誤差的解決方案，從而提升零件的精度，提高產品的質量，為企業的長遠發展打下良好的基礎[10]。

1 零件加工精度影響因素

1.1 內在因素

機械加工企業常常為了降低企業的成本支出，而減緩設備更新換代的速度[11]。較為緩慢的設備更新速度容易使企業的機械加工設備落后于市場需求，以至于被市場淘汰。其次，長時間、高強度的使用也會使加工設備出現由于老化、壓力、損耗等原因帶來的精度損失。因此，應注重對設備的日常維護保養，定時對設備進行精度校準，通過對設備的維修、養護、零部件更換等方法來延長設備壽命，提高設備的零件加工精度[12]。

1.2 受力因素

受力因素也會導致機械加工設備在工作中出現零件精度異常的問題。一些外力可能會導致機械加工設備出現微小的變形或者是工作狀態不佳的情況[13]。這些設備的微小變化會使加工系統的部分工件發生位置變化，從而使待加工零件的位置出現變化，從而影響零件的加工精度。可能發生位移的工件主要有刀具、夾具等，在長時間持續加工中，加工系統過強的承載力容易使刀具、夾具發生位移，以至于加工系統出現微小形變，從而降低零件加工精度[14]。另外，作為一個多結構的復雜系統，零件加工系統的各部分在承受內部壓力的同時也要承擔加載在零件上的力，因此零件加工系統各分部件之間的連接處也容易發生位移，使機械加工設備產生微小的變形，從而影響零件精度。

1.3 熱變因素

此外，熱變因素也是影響機械加工工藝零件加工精度的一個重要原因。在刀具切削工序中，可能出現由于操作人員不嚴格執行操作規范而采用不專業的工具進行加工的情況，使得加工精度出現降低。為對降低的精度進行彌補，操作工可能使用不專業工具進行反復切削，大量增加零件與加工設備間的摩擦力，使得零件與刀具間產生大量熱量，降低了零件精度。長時間的加工運行也會導致零件與加工設備的溫度升高，不僅降低了零件的精度，還可能導致設備的損壞或異常。

2 機械加工工藝技術誤差分析

2.1 加工過程位置誤差

在使用機床進行加工時，會通過具體產品不同的幾何特征來設置不同的位置基準。在實際生產活動中，不標準的操作和存在誤差的加工零器件會使得出現一定的基準位置誤差。這些零件極小的定位誤差會在后期的機械加工中對最終加工精度造成較大的影響。在機械加工工藝中，產生這種基準位置誤差的原因主要包含位置精度誤差與基準位置精度誤差。機械加工中，產品精度的基準通常由其使用的數控機床零點進行校正。位置精度誤差是指數字模型與待加工零件之間存在的精度誤差，這種誤差在加工后期會導致設備配套誤差的發生，從而使產品與圖紙不匹配，使機械加工成品的精度不滿足生產要求，最終造成原料與時間的浪費。在實際的生產加工工藝流程中，還需要通過程序對零件進行批量化的重復性加工。在進行批量加工時，應注意控制圖紙位置基準與加工設備位置基準的一致性，以保證這兩個基準之間的位置差盡可能小。由圖紙位置基準和數控機床位置基準的不一致而導致的精度誤差即為基準位置精度誤差。在實際的加工生產過程中，由于數控機床的振動、零件的毛刺等客觀原因，會使得零件加工的基準位置精度誤差較大，以至于零件發生變形，同樣會造成原材料的浪費與工期的延誤。

2.2 機床制造誤差

機床在生產制造過程中容易產生由機械運行摩擦而導致的制造誤差，這種誤差主要來自于軸、導軌等部件之間的機械磨損。制造誤差主要分為主軸運轉誤差與傳動鏈誤差。主軸運轉時的轉速和運轉量發生不確定的改變，會造成加工機床嚴重的機械磨損，這種由主軸運轉的不確定性導致的機械磨損帶來的機械加工工藝技術誤差即為主軸運轉誤差。主軸運轉誤差在使實際運轉與程序設定的運轉發生錯位的基礎上，使得產品存在一定的誤差。實際加工過程中，機床使用傳送鏈對物料與待加工工件進行傳輸，而傳動鏈兩側容易出現進度不一致，導致傳送鏈誤差，進而導致零件誤差與產品誤差。

2.3 變形誤差

在機械加工工藝中，還會出現變形誤差，可能的原因包括機械加工材料所存在的材料物理性能問題，加工過程釋放的大量熱量導致的零件溫度變形等。某些特殊機械加工原材料可能存在塑性強、韌性強、脆性弱，或者脆性強、韌性低等情況，使得材料可能發生塑性變形，產生缺陷、裂紋，甚至是發生剛性斷裂。材料變形會導致零件出現極大的誤差，甚至會使產品出現完全不能使用的情況。

3 機械加工技術誤差對策研究

3.1 誤差補償

機械加工技術中最常用的誤差消除方法是誤差補償法。機械元件一般都會廣泛存在著原始誤差，這些原始誤差是由加工過程中的摩擦、塑性變形、拉伸、磨損等等原因造成的。因此，可以通過對機械加工系統原始誤差的研究，通過反向的誤差扣除來對加工零件尺寸數據的設定進行修改，實現針對性地誤差補償。誤差補償的步驟主要有反向偏差的測定、反向偏差的補償、位置精度的測定、位置精度的補償。反向偏差通常采用百分表、千分表或者雙頻激光干涉儀進行測量。在使用分度表進行偏差測量時，應注意不要將表桿設置過長，以防止在測量過程中分度表出現位移，使測量結果不準確。許多國產數控機床不具備誤差補償功能，對于這類機床，可采用單向位置編程的方式進行反向誤差的清除。將機械模塊固定，將低速單向位置固定在起始點，并進行插補加工。在插補過程中遇到反向誤差時，給出反向間隙值，然后再次進行插補。采用這種方法能夠提高插補作業的精度，降低加工零件的機械加工技術誤差。

3.2 減小溫度變形

溫度變形是機械加工工藝技術誤差的主要因素之一。在精密零件與大型器件的加工中，由溫度變形導致的零件加工誤差一般大于加工總誤差的40%。引起溫度變形的原因主要包括切削、摩擦等熱傳導操作引起的內部溫度升高，和熱對流、熱輻射等外源熱量引起的外部溫度升高。為減小機械加工工藝中的溫度變形，應從問題的根源上尋找突破點。首先，可以考慮通過減少熱源發熱或對熱源進行隔離的方式阻礙零件加工過程受到溫度影響。為了減少切削熱，可以適當降低切削工作的時間與次數。在進行粗加工后，應該將零件夾具松開，待零件完全冷卻后再夾緊，繼續進行下一步的精密加工，以盡量降低粗加工帶來的溫度升高對零件精度的影響。也可以通過將加工系統部件進行分類的方法，將熱源進行分離。電機、冷卻系統、變速箱等部分可以從機床分離，而難以分離的軸承、導軌等可以通過潤滑等方式降低其摩擦系數，減少加工過程中的發熱。當熱源既難以分離，又難以進行隔熱操作時，可以采用設置水冷或風冷等裝置對熱源進行冷卻。例如，切削液、潤滑油等液體可以使用冷機進行冷卻，而絲桿可以使用冷卻液來進行降溫。其次，可以通過加速機床達到熱平衡狀態的方式來減少溫度變形對零件精度的影響，具體操作方式包括在進行零件加工前使機床空轉，以及使用可控熱源進行人為加熱，以使機床快速達到熱平衡。對于精度要求極高的機床，還應對環境室溫進行控制，保持加工車間溫度恒定，以減少環境熱對流。

3.3 落實機械加工原則

在機械加工的過程中，為從操作標準的角度進一步提升零件加工精度，應遵循五大原則。首先，應該確定加工的基準面。其次，對于需要進行平面加工和鉆孔操作的工件，應該遵循“先平面再鉆孔”的原則。再次，在加工工藝的設計中，應對加工階段進行劃分，粗加工與細加工分離。然后，應該提高設備精度，在設備出現難以通過維修或更換零部件來解決的誤差問題時，應該及時對設備進行更換或更新。在工作中應該盡量選用精度較高的機床，并且定時對夾具、量具等部件進行校準，對設備進行定時維護包養。最后，應該著力于提高操作人員的技術水平，避免不規范操作導致的人為誤差。綜合以上五點機械加工原則，可以看出，科學地制定包含各類設備與工序操作規范、設備維修與維護安排、員工培訓與考察計劃等內容的企業綜合規章制度能夠從內因角度對產品誤差進行降低。

4 結束語

對于機械加工企業而言，產品質量是企業的立身之本。要保證產品的質量，不僅需要從設備層面對機床進行定期檢查、維修、養護、更換，與熱源部件的隔熱降溫處理，還可以從技術層面入手，采用誤差補償的方式對生產誤差進行降低。此外，還要加強對操作人員的操作規范培訓，三管齊下，以實現機械加工工藝技術誤差的有效降低。