浅谈机械加工工艺系统对加工精度的影响

魏辉朋，梁治民，郭慧鸽

河南万合机械有限公司，河南新密 452370

1 概述

零件进行机械加工时，必须具备一定的条件，即要有一个系统来支持，称之为机械制造工艺系统，主要是由工件、机床、工具和夹具所组成。工艺系统对零件精度影响主要有以下几方面：工艺系统几何精度、工艺系统的受力变形、工艺系统热变形。

2 工艺系统的几何精度对加工精度的影响

工艺系统的几何精度对加工精度的影响包括：加工原理误差、调整误差、机床误差、夹具的制造误差与磨损、刀具的制造误差与磨损。

加工原理误差是采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工而产生的误差。如三坐标数控铣床上铣削复杂曲面零件时，通常要用球头刀采用“行切法”加工。所谓行切法，就是球头刀与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，而行间的距离S是按零件加工要求确定的，S=8Rh ，S为球头刀半径，h为允许的表面不平度。采用近似成形运动或近似的切削刃轮廓虽然会带来加工原理误差，但往往可简化机床结构或刀具形状，或可提高生产效率，有时甚至能得到高的加工精度。因为行切法所带来的误差不超过规定的精度要求（其原理误差小于10%～15%工件的公差值），所以在生产仍能得到广泛的应用。在机械加工的每个工序中，总是要对工艺系统进行这样那样的调整工作。由于调整不可能绝对地准确，因而产生调整误差。引起机床误差的原因是机床制造误差、安装误差和磨损等原因综合引起的。引起夹具的制造误差与磨损主要原因是：定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等的制造误差；夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸误差；夹具在使用过程中工作表面的磨损所带来的误差。刀具的制造误差与磨损对加工精度的影响根据刀具种类不同而异：用成形车刀加工零件时，刀具刃口的不均匀磨损将直接反映在工件上，造成误差；在加工较大表面（一次走刀需较长时间）时，刀具的磨损会严重影响工作的形状精度；用调整法加工一批工件时，刀具的磨损会扩大工件尺寸的分散范围。因此，在刀具达到急剧磨损阶段前就必须重新磨刀。

3 工艺系统的受力变形对加工精度的影响

在切削加工时，由机床、刀具、夹具和工件组成的工艺系统，在切削力、夹紧力以及重力等的作用下，将产生相应的变形，使刀具和工件在静态下调整好的相互位置，以及切削成形运动所需要的正确几何关系发生变化，而造成的加工误差。减小工艺系统受力变形是保证加工精度的有效途径之一。在生产实际中，常从两个主要方面采取措施来予以解决：一是提高系统刚度；二是减小载荷及其变化。从加工质量、生产效率等方面考虑，提高工艺系统中薄弱环节的刚度是最重要的措施。而提高刚度的措施有：合理的结构设计、提高联接表面的接触刚度、采用合理的装夹和加工方式。

工件残余应力引起的变形。是指在没有外力作用下或去除外力后工作内存留的应力。残余应力的来源主要有：毛坯制造和热处理过程中产生的残余应力；冷校直带来的残余应力；切削加工带来的残余应力。要清除残余应力一般可采取下列措施：1）增加消除内应力的热处理程序。如对铸、锻、焊接件进行退火或回火等；2）合理安排工艺过程。例如粗精加工分开在不同的工序中进行，使粗加工后有一定时间让残余应力重新分布，以减少对精加工的影响；3）改善零件结构，提高零件的刚性，使壁厚均匀等均可减少残余应力的产生。

4 工艺系统的热变形对加工精度的影响

在机械加工中，工艺系统会受到各种热的影响而产生热变形，这种变形将破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系，造成工件的加工误差。热变形对加工精度的影响比较大，特别是精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的40%～70%。热变形对精度的影响主要有以下3方面：工件热变形对精度的影响、刀具热变形对精度的影响、机床热变形对精度的影响。

4.1 工件热变形对精度的影响

一般来说工件热变形在精加工中影响比较严重，特别是长度长，而精度要求高的零件。如磨削丝杠就是一个突出的例子。若丝杠的长度为2m，每磨一次其温度相对于丝杠就升高约3℃，则丝杠的伸长量：△L＝2000×1.17×10-5×3mm=0.07mm，而6级丝杠的螺距积累误差在全长上不允许超过0.02mm，由此可见热变形的严重性。再如铣、刨、磨平面时，工件在单面受到切削热的作用，上下表面温差将导致工件向上拱起，加工中凸起的部分被切去，冷却后变成下凹造成平面度误差。为减少这些误差可以采取的措施：在切削时使用充分的切削液减少表面升温，也可采取误差补偿法：在装夹工件时使工件表面产生微量的夹紧变形，以此来减少切削时工件单面受热而拱起的误差，或降低切削用量以减少切削热和摩擦热，也可以采用粗加工后停机以待热量散发后再进行精加工。

4.2 刀具热变形对加工精度的影响

主要由切削热引起的。连续切削时，刀具的热变形在切削初始阶段增加很快，随后变得较缓慢，经过不长时间后（约10min～20min）便趋于平衡状态。为减少热变形应合理选择切削用量和刀具的几何参数，并给予充分的冷和润滑。

4.3 机床热变形对精度的影响

机床在工作过程中，受到内外热源的影响，各部分温度将逐渐升高。由于各部件的热源不同，分布不均匀，以及机床结构的复杂性，因此各部件的温升不同，而且同一部件不同位置的温升也不相同，形成不均匀的温度场，使机床各部件之间的相互位置发生变化，破坏了机床原有的几何精度而造成加工误差。

车床类机床的主要热源是主轴箱中的轴承、齿轮、离合器等传动副的摩擦使主轴箱和床身的温度上升，从而造成了机床主轴抬高和倾斜。大型机床如导轨磨床、外圆磨床、龙门铣床等长床身部件，其温差的影响也是很显著的。一般由于温度分层变化，床身上表面比床身的底面温度高而形成温差，因此床身将产生弯曲变形，表面呈中凸状。

减少机床热变形有以下几种方法：1）减少热源的发热和隔离热源。把热源从主机上分离出去，或者从结构和润滑等方面改善其摩擦特性；2）加强散热能力。可以采取强制冷却的办法，吸收热源发出的热量；3）采用合理的机床部件结构及装配基准。采用热对称结构，在变速箱中，将轴、轴承、传动齿轮等对称布置，可使箱壁温升均匀，箱体变形减少；4）使机床加速达到热平衡状态，当达到热平衡状态后，热变形就趋于稳定，加工精度就容易控制。可以使机床高速空运转，或适当部位设置热源以快速达到热平衡状态；5）控制环境温度。精密机床可安装在恒温车间，恒温室平均温度为20℃，冬季为17℃，夏季为23℃。