机械加工工艺系统的误差控制策略

2020-01-19谢祖华李云妹

中国设备工程 2020年22期

谢祖华，李云妹

（福建船政交通职业学院，福建福州 350007）

随着技术的发展，人们对机械加工产品质量要求不断提高。机械加工精度与产品质量有直接的关系，必须重视机械加工的误差问题。机械加工精度会影响零件外观与使用寿命，机械产品实际生产中，要结合产品用途严格控制加工工艺，加强对加工误差的控制，提高零件质量稳定性。

1 机械加工工艺系统误差概述

机械加工精度是零件加工后的实际几何参数与理想几何参数相符合的程度，它们之间的偏离即为加工误差。机械零件加工精度分为尺寸精度、形状精度、位置精度。机械加工中，由机床、夹具、刀具和工件等组成的统一体称为工艺系统。工艺系统在刀具和工件的相对位置在静态下已经存在的误差称为工艺系统原始误差，也叫工艺系统的几何误差，如机床误差以及刀具、夹具制造误差以及调整误差、安装误差；刀具和工件的相对位置在运动状态下存在的误差称为工艺系统的动误差，工艺系统由于切削力、切削热引起的受力受热变形，加工过程中因量具误差、测量方法的局限产生的测量误差，工件加工后因工件残余应力引起工件变形而产生的误差也归入了工艺系统的动误差范围。

2 工艺系统的误差分析

2．1 几何误差

机械加工生产中由于各种原因，零件加工中必然会产生误差，保证机械零件生产中的精度，对增强机械产品性能具有重要意义。加工原理误差。机械加工时，由于零件形状和结构复杂，刀具相对于工件的运动也较为复杂，往往是采用近似的成型运动或近似的切削刃轮廓进行加工，由此产生的误差即加工原理误差，如数控加工中，数控机床的运动控制中，工作台(刀具)X、Y、Z轴的最小移动单位是一个脉冲当量，刀具的运动轨迹是具有极小台阶所组成的折线，数控系统根据给定的直线、圆弧(曲线)函数，在理想的轨迹上的已知点之间，进行数据点密化，确定一些中间点的方法，称为插补原理，插补用折线模拟实际曲线存在一定误差；采用类似加工方法及传动比等，代替理论加工方法，使得机械零件生产中发生偏离理想参数的情况；刀具是机械零件加工的重要工具，实际生产加工中，不能完全达到刃口与曲面完全吻合，通常采用近似曲面，由于刀具轮廓差异导致产生加工原理误差。

机床误差。机床振动会导致工件移动；机床的制造误差、安装误差以及使用中的磨损，都直接影响工件的加工精度。机床误差包括机床主轴回转运动误差、导轨的导向误差、传动链机构的传动误差等；机床运转会产生摩擦，可能引起主轴回转误差与传动链误差。主轴回转误差发生率较高，不稳定的运转量会加速轴承磨损，运转时同轴转速不同等磨损机械设备；机床导轨作用是固定工件，一些机床使用年限较长，导轨表面有划痕等影响表面光滑度，借助导轨确定部件的定位会发生误差。机械加工中，机床两端传动滚动引导传动链完成能量传递，滚筒运动时难以保持相同转速，受到机床装配影响，传动链运动误差会引起其他机床构件运动误差。

刀具误差。机械加工刀具分为一般刀具、定尺寸刀具、成型刀具以及展成法刀具。定尺寸刀具如铰刀、拉刀、钻头的尺寸误差直接影响工件尺寸精度；成型刀具的制造误差影响被加工表面的形状精度；如齿轮滚刀、插齿刀等展成法刀具的刀刃形状必须是加工表面的共轭曲线，刀刃的几何形状影响加工表面的形状精度；任何刀具在切削过程中都不可避免地产生磨损，由此造成工件尺寸和形状误差。

夹具误差。夹具误差包括制造误差、定位误差、夹具安装误差、夹紧变形、对刀误差。机械加工需要夹具等辅助工具，辅助工具质量会影响加工件精度。如选用质量不达标夹具，加工时出现松动导致模板固定不稳，人工操作失误会导致误差出现。

2．2 动误差

工艺系统的受力变形。加工时，机械系统受到的力有传动力、切削力、夹紧力、惯性力、重力等，机械系统在这些力的作用下产生变形，这种变形将破坏刀具与工件之间已经调整好的位置关系，导致加工工具与零件位置错位，从而产生误差。

受力变形引起的误差主要包括机械零件受力点位置变化引起误差，机械零件受力程度变化引起误差。工艺系统切削着力点伴随切削位置变化，被加工机械零件存在质地等方面的不均匀问题，所以，机械零件加工中受力程度不均也导致误差存在。工件原材料机械性能会导致误差产生，待加工件强度较低，加工时容易发生弯曲等变形造成产品误差。

3 机械加工工艺误差控制策略

机械加工工艺是通过机械加工改变毛坯表面质量等，是需要经过多个加工环节的烦琐过程，每个环节出现问题都会对产品质量产生影响，必须结合工厂现有设备、人员技术等制定科学的工艺规程。机械加工工艺误差控制措施包括减小直接误差法、误差补偿法、误差分组法等。减小直接误差法是最经济便捷的误差控制方式，加工前，根据加工工艺流程等全面分析加工中可能产生的误差，加工中密切关注加工流程。如进行加工时使用刀具造成误差，刀具加工中磨损严重，加工精度受到影响，要合理选择刀具尺寸精度，达到损耗厚度及时更换刀具。

误差补偿法是机械加工产生误差可以通过技术人员人为补救减小，针对某些可见性误差，通过添加材料等方式进行修补调整。

误差分组法是针对系统工序进行误差控制方式，大部分环节工艺完善，但工序中存在某环节加工技术不成熟，误差会降低成品精度。可将系统中产生误差进行分组，可控制的误差分为一组，使用控制降低误差的工艺为重点，制定有效的控制误差措施。难以控制的误差采用高精度机床等措施。

机床在线监检。随着机械加工技术不断提高，数控机床得到普及，通过计算机检测技术可以实时检测到工件的几何参数，根据检测误差微量位移进行误差补偿。

控制温度变形。主要方法是采用冷却液带走刀具切割工件产生的大量摩擦热与变形热。同时，注意减少机床与热源联系，安装散热装置，减少零件因温度升高产生的误差。减小或消除内应力措施：合理设计零件结构、合理安排工艺过程、必要时，增加时效处理工序。

4 机械加工误差控制注意要点

控制机床误差的内容包括：控制回转轴误差、轨道误差以及传动链误差。控制回转轴误差主要措施：设计制造高精度主轴部件、对高速运动系统进行动平衡以及定位与运动传递结构分开；控制轨道误差：以车床导轨为例，控制车床导轨在水平面内的直线度误差以及垂直面内的直线度误差；为减小传动链误差，减少传动元件数量，缩短传动链，提高传动元件的制造与装配精度，采用降速传动合理分配各传动副的传动比，尽量消除传动元件之间的间隙。

减小工艺系统受力变形的主要措施：提高工艺系统的刚度设置辅助支承提高工件刚度。

机械加工工序需要遵循一定原则。先加工基准面，为后续加工提供基准参考。可将机械加工分为不同阶段，各阶段选择不同机械设备。对箱体等零件加工要遵循先孔后面的原则，更好地确定孔和平面的位置精度。机械产品加工中，应注意将粗精加工分开进行，为了提高切削效率，粗加工常需大量切削，毛坯受到较大切削力，导致表面加工中出现硬化状态，粗精加工同时进行会降低精加工精度，部分精度要求较高的机械加工零件需要失效处理降低内应力影响。进行热处理时，需遵循一定原则，为提高金属切削性能的热处理需安排在加工前完成，提高零件性能热处理多在加工后完成，热处理后零件出现变形需进行精磨处理。粗加工主要任务是减少加工余量，选择功率大的机床，精加工需较高精度的加工机床作业。