如何提高机械加工精度

机械加工精度的影响因素及改进措施广东省工业高级技工学校胡景清摘要：机械加工精度是指相关工件在加工完成后所具有的包括尺寸大小、几何形状以及各表面相互位置等参数的实际值，与其预先设计应具备的理想几何参数需求比对的相符程度。本文通过影响机械加工精度主要因素的分析,探讨了提高机械加工精度的措施。关键词：机械加工；精度；原因；措施机械加工精度是指相关工件在加工完成后所具有的包括尺寸大小.几何形状以及各表面相互位置等参数的实际值，与其预先设计应具备的理想几何参数需求比对的相符程度。加工精度通常包括尺寸精度.形状精度和位置精度等方面的内容，尺寸精度用来限制加工表面与其基准间尺寸误差的范围，形状精度用来限制加工表面宏观几何形状误差，位置精度用来限制加工表面与其基准间的平行度.垂直度.同轴度等相互位置误差。由于加工机械的性能.技术方法.生产条件等因素的不同影响，机械加工出来的相关零件在其尺寸.形状和表面相互位置参数与理想参数总是存在一定的偏离误差，在数值上通常采用加工误差的大小来表示加工精度。机械元件的加工精度和表面质量等加工质量.是保证相关机械产品装配质量的基础，加工误差的大小反映了加工精度的高低。一、机械加工产生误差主要原因1.机床磨损及几何误差对加工精度的影响（1）主轴回转误差机床主轴的回转误差是一项综合性的误差，是主轴在回转过程中实际回转轴线相对于理论回转轴线的漂移。机床主轴的回转误差可以分为3种基本形式：主轴的纯径向跳动、主轴的纯轴向窜动和纯角度摆动。一般情况下，这3种基本形式的误差是同时存在的，产生的加工误差也是3种形式误差影响的叠加。不同形式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的，同一形式的主轴回转误差对于不同加工方法的影响也是不同的。下面主要分析主轴纯径向跳动对零件加工的影响。。主轴纯径向跳动是指主轴实际回转轴线绕均匀轴线作平行的公转运动。引起主轴纯径向跳动的主要原因是主轴轴颈和轴承的精度误差。机床上使用的轴承分为滑动轴承和转动轴承两类，轴承的类型不同，对纯径向跳动的影响也是不同的。在采用滑动轴承对主轴纯径向跳动的影响采用滑动轴承作支承时，主轴以其轴颈在轴承孔内旋转。对于车床类机床，在加工过程中，主轴的受力方向是一定的，主轴轴颈被切削力压向轴承孔表面的固定地方。这时主轴轴颈的不同部位和轴承孔内的某一固定部位相接触，所以轴颈的圆度误差会使主轴回转产生纯径向跳动，而轴承孔的外形误差对主轴回转精度的影响很小。如图1(a)所示。对于镗床类机床，作用在主轴上的切削力是随镗刀的旋转而转动的，轴颈上的某一固定部位与轴承孔表面的不同部位相接触，因此轴承孔的圆度误差会引起镗床主轴的纯径向跳动，而镗床主轴轴颈外形误差对主轴回转精度的影响不大，如图(b)所示。(a)(b)车削和镗削时的主轴跳动因此在机械加工中，应采取有效措施减少主轴回转误差对零件加工精度的影响。采取的措施可以从两个方面来考虑。首先要提高主轴的回转精度。主轴轴承是影响主轴回转精度的关键零件，对于精密机床可采用精密的滚动轴承，也采用多油楔动压轴承和静压轴承。同时还要提高与轴承相配合零件的精度。其次要减少主轴回转误差对零件加工的影响。可以采用运动和定位分离的主轴结构，使工件在加工过程中的回转精度不受机床主轴回转误差的影响，使主轴回转误差不反映到工件上（2）导轨误差机床中导轨主要起着承载和导向的作用，它既是运动的基准，也是确定机床主要部件相对位置的基准，因此它的误差会对工件的形状精度产生直接的影响。导轨在水平面的直线度误差，会直接反映在工件表面的误差敏感方向，即法线方向，加工精度受其影响的程度最大；而导轨在垂直平面内的直线度误差则相对影响较小，甚至可以忽略不计；前后导轨平行度误差会造成在运动过程中工作台的摆动，刀尖的运动轨迹则为空间曲线，从而导致工件形状的误差。比如．机床导轨在水平面内直线度误差的影响如图所示，磨床导轨在x方向存在误差Δ（图a），引起工件在半径方向上的误差ΔR（图b），当磨削长外圆柱表面时，将造成工件的圆柱度误差。（3）传动链的误差工件在切削的过程中，其表面的成形运动是靠一系列的传动机构实现的。该传动机构包括齿轮.螺母.蜗杆.丝杆等传动元件。由于这些元件会在装配.加工以及使用过程中产生磨损而导致误差，所以就导致传动链的传动误差。传动线路越长.传动机构越复杂，传动误差就会相应的越大。影响工件表面加工精度的误差因素中，主要因素就是机床的传动链误差。2.刀具.夹具的误差刀具种类的不同，对于加工精度的影响程度也不同，普通的刀具比如车刀.铣刀等，其制造误差几科对加工精度没有直接的影响；而定尺寸刀具的尺寸误差，则直接影响着工件的尺寸精度；成形刀具则会影响到工件的形状精度。刀具的磨损则直接影响到工件与刀具的相对位置，从而造成尺寸误差。此外，由于夹具是保证工件相对于机床刀具有正确位置，所以夹具对工件的位置精度有很大影响，夹具的磨损会造成工件定位的误差。3.工艺系统受力变形导致的误差（1）切削过程中受力点位置变化引起的加工误差。在切削过程中，工艺系统的刚度随切削力着力点位置的变化而变化，引起系统变形的差异，使被加工表面产生形状误差。（2）切削力大小变化引起的加工误差--误差复映。工件的毛坯外形虽然具有粗略的零件形状，但它在尺寸.形状以及表面层材料硬度上都有较大的误差。毛坯的这些误差在加工时使切削深度不断发生变化，从而导致切削力的变化，进而引起工艺系统产生相应的变形，使得零件在加工后还保留与毛坯表面类似的形状或尺寸误差。当然，工件表面残留的误差比毛坯表面误差要小得多这种现象称为“误差复映规律”，所引起的加工误差称为“误差复映”除切削力外，传动力.惯性重力.夹紧力等其他作用力也会使工艺系统的变形发生变化，从而引起加工误差，影响加工精度。4.工艺系统受热变形导致的误差机械加工过程中，工艺系统会在各种热源的作用下产生一定的热变形。因为工艺系统的热源分布不均匀，各个环节的材料和结构也不同，从而导致工艺系统各部分变形产生误差，破坏工件和刀具的运动关系和准确位置，最终产生加工误差。特别是精密加工，热变形误差占总误差的百分之四十到七十的比重。（1）机床热变形受到热源的影响，机床各个部分的温度会发生变化，因为机床构造的复杂性以及热源分布的不均匀，机床部件会发生不同程度的热变形，从而破坏了机床部件原有的互相位置关系，从而影响工件的加工精度。（2）刀具热变形虽然刀具在切削加工中受到的热量比例很小，但是因为其刀具的热容量和尺寸都很小，所以有很高的温升，最终会引起刀具的热伸长并最终导致加工误差。粗加工情况下可以不用考虑刀具的热变形影响，但如果是要求较高的工件，刀具的热变形则会对于表面形状误差产生影响。（3）工件热变形工件热变形主要是由切削热所导致的，其热变形的情况和加工方法以及是否受热均匀有关。当工件均匀受热时，比如一些简单的车.磨轴工件的外圆，等到加工后冷却至室温，工件的直径和长度都会有所收缩，从而产生一定的尺寸误差；加工较短的轴套类或者盘类工件时，因为加工行程相对较短，就可以近似的认为沿工件轴向方向温升相同。而加工较长的工件时，工件开始走刀温度相对较低，从而变形也小，随着进一步的切削加工，工件的温度会逐渐升高，工件的直径也越来越大，所以工件表面切去的金属层也越来越厚，冷却后不但会产生圆柱度误差，并且会产生径向尺寸误差；如果轴向精度要求较高的工件，热变形会引起轴向伸长从而产生螺距误差。当工件受热不均匀时，因为工件单面受热会产生向上的翘曲变形，在冷却后会形成中凹的形状误差。二、提高机械加工精度的措施保证和提高加工精度的方法，大致可概括为以下几种：减小原始误差法.补偿原始误差法.转移原始误差法.均分原始误差法.均化原始误差法.就地加工法。1.减少原始误差提高零件加工所使用机床的几何精度,提高夹具.量具及工具本身精度,控制工艺系统受力.受热变形.刀具磨损.内应力引起的变形.测量误差等均属于直接减少原始误差。为了提高机械加工精度,需对产生加工误差的各项原始误差进行分析,根据不同情况对造成加工误差的主要原始误差采取不同的措施解决。对于精密零件的加工应尽可能提高所使用精密机床的几何精度.刚度和控制加工热变形;对具有成形表面的零件加工,则主要是如何减少成形刀具形状误差和刀具的安装误差。2.补偿原始误差误差补偿法，是人为地造出一种新的误差，去抵消原来工艺系统中的原始误差当原始误差是负值时人为的误差就取正值，反之，取负值，并尽量使两者大小相等;或者利用一种原始误差去抵消另一种原始误差，也是尽量使两者大小相等，方向相反，从而达到减少加工误差，提高加工精度的目的。3.转移原始误差误差转移法实质上是转移工艺系统的几何误差.受力变形和热变形等。误差转移法的实例很多：如当机床精度达不到零件加工要求时，常常不是一味提高机床精度，而是从工艺上或夹具上想办法，创造条件，使机床的几何误差转移到不影响加工精度的方面去。如磨削主轴锥孔保证其和轴颈的同轴度，不是靠机床主轴的回转精度来保证，而是靠夹具保证。当机床主轴与工件之间用浮动联接以后，机床主轴的原始误差就被转移掉了。4.均分原始误差在加工中，由于毛坯或上道工序误差（以下统称“原始误差”）的存在，往往造成本工序的加工误差，或者由于工件材料性能改变，或者上道工序的工艺改变，引起原始误差发生较大的变化，这种原始误差的变化，对本工序的影响主要有两种情况：误差复映，引起本工序误差;定位误差扩大，引起本工序误差。解决这个问题，最好是采用分组调整均分误差的办法。这种办法的实质就是把原始误差按其大小均分为n组，每组毛坯误差范围就缩小为原来的1/n，然后按各组分别调整加工。5.均化原始误差对配合精度要求很高的轴和孔，常采用研磨工艺。研具本身并不要求具有高精度，但它能在和工件作相对运动过程中对工件进行微量切削，高点逐渐被磨掉最终使工件达到很高的精度。这种表面间的摩擦和磨损的过程，就是误差不断减少的过程。这就是误差均化法。它的实质就是利用有密切联系的表面相互比较，相互检查从对比中找出差异，然后进行相互修正或互为基准加工，使工件被加工表面的误差不断缩小和均化。在生产中，许多精密基准件都是利用误差均化法加工出来的。6.就地加工法在加工和装配中有些精度问题，牵涉到零件或部件间的相互关系，相当复杂，如果一味地提高零.部件本身精度，有时不仅困难，甚至不可能，若采用就地加工法，就可能很方便地解决看起来非常困难的精度问题。就地加工法在机械零件加工中常用来作为保证零件加工精度的有效措施。在任何一种机械加工中，出现误差都是不可避免的，作为实际的操作者一定要对误差产生的原因进行详细的分析，在分析的基础上采取相应的预防措施，从而减少加工误差，尽可能的提高机械加工精度。参考文献：[1]刘涛,王慧智.机械加工精度误差分析及提高措施[J].宁夏机械,2009,(04).[2]何成奎.浅析影响机械加工精度的主要因素[J].农业开发与装备,2011,(02).[3]池丽婷.影响机械加工精度的主要因素[J].科学之友,2010,(03).