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機械工程加工精度的影響因素分析研討
相對于人類社會的發(fā)展需求而言，機械工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)，作為現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，機械加工是利用機械手段針對相關(guān)工件進行加工制造的過程。隨著高尖科技的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，對于機械元件加工的精度要求愈來愈高，針對影響機械加工精度的誤差成因，如何在機械加工過程中避免或減小機械部件的精度誤差，提高和優(yōu)化機械產(chǎn)品的加工質(zhì)量及其性能，成為現(xiàn)代機械加工制造領(lǐng)域廣為關(guān)注的技術(shù)問題。
一、機械加工精度的概念及內(nèi)涵
機械加工是根據(jù)相關(guān)工件的外形尺寸或性能結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，以車床、銑床、鉆床、磨床、沖壓機、壓鑄機等專用機械加工設(shè)備為介質(zhì)，采用一定的技術(shù)加工手段來進行機械工件產(chǎn)品制作的過程。根據(jù)被加工機械元件所處的溫度狀態(tài)，機械加工通常分為冷加工和熱加工兩種方式。
機械加工精度是指相關(guān)工件在加工完成后所具有的包括尺寸大小、幾何形狀以及各表面相互位置等參數(shù)的實際值，與其預(yù)先設(shè)計應(yīng)具備的理想幾何參數(shù)需求比對的相符程度。加工精度通常包括尺寸精度、形狀精度和位置精度等方面的內(nèi)容，尺寸精度用來限制加工表面與其基準間尺寸誤差的范圍，形狀精度用來限制加工表面宏觀幾何形狀誤差，位置精度用來限制加工表面與其基準間的平行度、垂直度、同軸度等相互位置誤差。由于加工機械的性能、技術(shù)方法、生產(chǎn)條件等因素的不同影響，機械加工出來的相關(guān)零件在其尺寸、形狀和表面相互位置參數(shù)與理想?yún)?shù)總是存在一定的偏離誤差，在數(shù)值上通常采用加工誤差的大小來表示加工精度。機械元件的加工精度和表面質(zhì)量等加工質(zhì)量、是保證相關(guān)機械產(chǎn)品裝配質(zhì)量的基礎(chǔ)，加工誤差的大小反映了加工精度的高低。
二、機械加工誤差及其產(chǎn)生的原因
任何零件在加工過程都會存在加工誤差，其來源是由于機床一夾具一工件一刀具存在誤差;我們把“機床一夾具一工件一刀具”構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，稱為工藝系統(tǒng)。也即工藝系統(tǒng)的誤差，是造成零件加工誤差的根源，故稱之為原始誤差。工藝系統(tǒng)誤差是“因”，加工誤差是“果”。原始誤差與加工誤差是一個因果關(guān)系，就是說因為有原始誤差的存在，所以零件一定存在著加工誤差。因此，有多方面的因素對此系統(tǒng)產(chǎn)生影響，引起加工誤差，歸納起來有以下幾方面的因素：
(一)工藝系統(tǒng)幾何誤差。包括機床、夾具、刀具的制造和磨損。尺寸鏈誤差，機床傳動鏈的靜態(tài)和動態(tài)調(diào)整誤差及工件、夾具、刀具的安裝誤差。其還包括定位誤差，一是基準不重合誤差：
定位基準與設(shè)計基準不重合時所產(chǎn)生的基準不重合誤差，只有在采用調(diào)整法加工時才會產(chǎn)生，在試切法加工中不會產(chǎn)生。二是定位副制造不準確誤差：工件在夾具中的正確位置是由夾具上的定位元件來確定的�；鶞什恢睾险`差的方向和定位副制造不準確誤差的方向可能不相同，定位誤差取為基準不重合誤差和定位副制造不準確誤差的矢量和。
(二)工藝系統(tǒng)熱變形產(chǎn)生的誤差。包括機床、刀具和工件熱變形以及環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的誤差。在加工過程中，由于受切削熱、摩擦熱以及工作場地周圍熱源的影響，工藝系統(tǒng)的溫度會產(chǎn)生復(fù)雜的變化，工藝系統(tǒng)會發(fā)生變形，改變了系統(tǒng)中各組成部分的正確相對位置，導(dǎo)致了加工誤差的產(chǎn)生。
(三)工藝系統(tǒng)力效應(yīng)產(chǎn)生的誤差。包括彈性及塑性變形產(chǎn)生的誤差(工藝系統(tǒng)剛性不足或變形引起的誤差)，工件的夾緊誤差，離心力和傳動力以及材料本身的殘余應(yīng)力引起的誤差等。
現(xiàn)在影響最大的是內(nèi)應(yīng)力重新分布引起的誤差沒有外力作用而存在于零件內(nèi)部的應(yīng)力，稱為內(nèi)應(yīng)力。工件上一旦產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力之后，就會使工件金屬處于一種高能位的不穩(wěn)定狀態(tài)，它本能地要向低能位的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化，并伴隨有變形發(fā)生，從而使工件喪失原有的加工精度。內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生：在熱處理工序中由于工件壁厚不均勻、冷卻不均、金相組織的轉(zhuǎn)變等原因，使工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。
冷校直產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力：絲杠一類的細長軸經(jīng)過車削以后，棒料在軋制中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力要重新分布，產(chǎn)生彎曲。
(四)由于人的情緒和技術(shù)水平的不穩(wěn)定所引起的加工誤差。
三、機械加工工藝系統(tǒng)誤差
(一)機床的幾何誤差。在零件的實際加工中，刀具相對于工件的成形作用主在都是通過機床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取決于機床的精度。而機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)軌誤差和傳動鏈誤差。且不難發(fā)現(xiàn)，機床的磨損將使機床工作精度下降。
(二)刀具的幾何誤差。任何刀具在切削過程中，都不可避免地要產(chǎn)生磨損，并由此引起所加工零件件尺寸和形狀地改變。正確地選用刀具材料和選用新型耐磨地刀具材料，正確地采用冷卻液、合理地選用刀具幾何參數(shù)和切削用量，正確地刃磨刀具等，都可以有效地減少刀具地尺寸磨損，從而提高所加工零件的精準度。而必要的時候還可以采用補償裝置對刀具尺寸磨損進行自動補償。
(三)定位誤差。①基準不重合誤差：在零件圖上用來確定某一表面尺寸、位置所依據(jù)的基準稱為設(shè)計基準。在工序圖上用來確定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依據(jù)的基準稱為工序基準。一般情況下，工序基準應(yīng)與設(shè)計基準重合。在機床上對工件進行加工時，必須選用工件上若干幾何要素作為加工時的定位基準，如果所選用的定位基準與設(shè)計基準不重合，那么就會產(chǎn)生基準不重合誤差�；鶞什恢睾险`差等于定位基準相對于設(shè)計基準在工序尺寸方向上的最大變動量。②定位副制造不準確誤差：工件在夾具中的正確位置是由夾具上的定位元件來確定的。夾具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得絕對準確，它們的實際尺寸都允許在分別規(guī)定的公差范圍內(nèi)變動。同時，工件上的定位基準面也會有制造誤差。工件定位面與夾具定位元件共同構(gòu)成定位副，由于定位副制造的不準確和定位副間的配合間隙引起的工件最大位置變動量，稱為定位副制造不準確誤差。
(四)工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差。工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響比較大，特別是在精密加工和大件加工中，由熱變形所引起的加工誤差有時可占工件總誤差的40～70%。機床、刀具和工件受到各種熱源的作用，溫度會逐漸升高，同時它們也通過各種傳熱方式向周圍的物質(zhì)和空間散發(fā)熱量。當單位時間傳入的熱量與其散出的熱量相等時，工藝系統(tǒng)就達到了熱平衡狀態(tài)。
四、提高機械精度的誤差控制措施
相對來說，機械加工過程中的精度誤差具有不可避免的客觀性，但應(yīng)在最大可能的基礎(chǔ)上將影響機械加工精度的誤差因素控制在允許范圍內(nèi)，從而提高工件加工質(zhì)量和精度，具體措施如下：
(一)減少原始誤差。高零件加工所使用機床的幾何精度，提高夾具、量具及工具本身精度，控制工藝系統(tǒng)受力、受熱變形、刀具磨損、內(nèi)應(yīng)力引起的變形、測量誤差等均屬于直接減少原始誤差。它是生產(chǎn)應(yīng)用較廣的一種基本方法。為了提高機械加工精度，需對產(chǎn)生加工誤差的各項原始誤差進行分析，根據(jù)不同情況對造成加工誤差的主要原始誤差采取不同的措施解決。對于精密零件的加工應(yīng)盡可能提高所使用精密機床的幾何精度、剛度和控制加工熱變形;對具有成形表面的零件加工，則主要是如何減少成形刀具形狀誤差和刀具的安裝誤差。以細長軸加工為例進行分析，在車床上加工細長軸時，由于長度與直徑之比大于20，故剛性差，即使在切削量較小的情況下也會使工件產(chǎn)生彎曲變形和振動，雖然在加工過程中采用了跟刀架，但仍難車出較高精度的長軸。分析細長軸在車削加工時的受力狀態(tài)知：采用跟刀架雖消除了背向力引起工件彎曲的因素，但軸向力和工件熱伸長還會導(dǎo)致工件彎曲變形，現(xiàn)采用反拉法切削，一端用卡盤夾持，另一端采用可伸縮的活頂尖裝夾�？梢赃M一步消除熱伸長引起的彎曲變形以及徑向顫動，使切削平穩(wěn)，使被加工工件獲得較高的形狀精度。
(二)積極實行實時補償控制。在電子信息技術(shù)廣泛使用以前，補償控制技術(shù)主要應(yīng)用在傳動精度要求很高的機床中，其補償控制裝置由校正尺、杠桿、及接收附加運動的螺母等組成。機械補償控制裝置簡單可靠，但補償精度依賴于校正尺的制作精度，另外校正尺的調(diào)整也比較復(fù)雜。在現(xiàn)代數(shù)控機床上，一般都采用軟件補償，事先測量好的誤差數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)表中，數(shù)控系統(tǒng)在完成每一次精插補后，根據(jù)當前坐標位置從數(shù)據(jù)表中查找誤差補償值，并據(jù)此控制坐標軸一個附加的運動。軟件補償實現(xiàn)起來比較簡單，不需要增加另外的裝置，誤差數(shù)據(jù)隨時可以修改調(diào)整。實時補償控制是通過高精度測量裝置在加工過程中定時采集誤差數(shù)據(jù)，根據(jù)誤差的方向和大小由補償控制裝置控制刀架走一個微量位移。實時補償控制采集的是當前狀態(tài)下的實際誤差，雖然補償裝置的機枕慣性使補償?shù)奈恢脮晕螅a償精度仍然比較高，實時補償控制的缺點是補償裝置復(fù)雜且調(diào)試相對困難。
(三)加強誤差預(yù)防。誤差預(yù)防是指減少誤差源或改變誤差源至加工誤差之間的數(shù)量轉(zhuǎn)變關(guān)系。常用的方法有：直接減少原始誤差法、誤差轉(zhuǎn)移法、采用先進工藝和設(shè)備法、誤差分組法、就地加工法和誤差平均法等。實踐與分析表明，精度要求高于某一程度后，利用誤差預(yù)防技術(shù)來提高加工精度所花費的成本將成指數(shù)增長。
(四)轉(zhuǎn)移誤差。這種方法的實質(zhì)就是將原始誤差從誤差敏感方向轉(zhuǎn)移到誤差非敏感方向上去。①轉(zhuǎn)移誤差至非敏感方向。
各種原始誤差反映到零件加工誤差上的程度與其是否在誤差敏感方向上有直接關(guān)系。若在加工過程中設(shè)法使其轉(zhuǎn)移到加工誤差的非敏感方向，則可大大提高加工精度。②轉(zhuǎn)移誤差至其他對加工精度無影響的方面。在大型龍門式機床中，由于橫梁較長，故在其上的主軸箱等部件重力的作用下產(chǎn)生彎曲和扭曲變形。
使用這類機床時，橫梁變形即為產(chǎn)生加工誤差的主要原始誤差之一。為了消除這項原始誤差的影響，可在機床結(jié)構(gòu)上再增添一根主要承受主軸箱部件重力的附加梁。
結(jié)論：
機械加工是當前機械工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，高端科技條件下，對于機械工件的加工精度和質(zhì)量要求程度較為嚴格，采取合理措施減少或消除相關(guān)影響機械加工精度的誤差因素，是保障機械加工產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。
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