機(jī)械設(shè)計中數(shù)據(jù)精度的影響

相對于人類社會發(fā)展需求而言，機(jī)械工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)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(jī)械設(shè)計是利用機(jī)械手段針對相關(guān)工件進(jìn)行設(shè)計制造的過程。隨著高尖科技的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，對于機(jī)械元件設(shè)計的精度要求愈來愈高，針對影響機(jī)械設(shè)計精度的誤差成因，如何在機(jī)械設(shè)計過程中避免或減小機(jī)械部件的精度誤差，提高和優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量及其性能，成為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域廣為關(guān)注的技術(shù)問題，本文簡述了機(jī)械數(shù)據(jù)精度的存在的問題及解決方法。

一、機(jī)械數(shù)據(jù)精度的概述

機(jī)械設(shè)計精度是指相關(guān)工件在設(shè)計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。設(shè)計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，尺寸精度用來限制設(shè)計表面與其基準(zhǔn)間尺寸誤差的范圍，形狀精度用來限制設(shè)計表面宏觀幾何形狀誤差，位置精度用來限制設(shè)計表面與其基準(zhǔn)間的平行度、垂直度、同軸度等相互位置誤差。由于設(shè)計機(jī)械的性能、技術(shù)方法、生產(chǎn)條件等因素的不同影響，機(jī)械設(shè)計出來的相關(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)值上通常采用設(shè)計誤差的大小來表示設(shè)計精度。機(jī)械元件的設(shè)計精度和表面質(zhì)量等設(shè)計質(zhì)量、是保證相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品裝配質(zhì)量的基礎(chǔ)，設(shè)計誤差的大小反映了設(shè)計精度的高低。

二、機(jī)械設(shè)計數(shù)據(jù)誤差及產(chǎn)生原因

任何零件在設(shè)計過程都會存在設(shè)計誤差，工藝系統(tǒng)誤差是“因”，設(shè)計誤差是“果”。原始誤差與設(shè)計誤差是一個因果關(guān)系，就是說因為有原始誤差的存在，所以零件一定存在著設(shè)計誤差。因此，有多方面因素對此系統(tǒng)產(chǎn)生影響，引起設(shè)計誤差，歸納起來有以下下面幾點(diǎn)：

①工藝系統(tǒng)幾何誤差：包括機(jī)床、夾具、刀具的制造和磨損。尺寸鏈誤差，機(jī)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。

②定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)不重合時所產(chǎn)生的基準(zhǔn)不重合誤差：只有在采用調(diào)整法設(shè)計時才會產(chǎn)生，在試切法設(shè)計中不會產(chǎn)生。

③工藝系統(tǒng)熱變形產(chǎn)生的誤差：包括機(jī)床、刀具和工件熱變形以及環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生誤差。在設(shè)計過程中，由于受切削熱、摩擦熱及工作場地周圍熱源影響，工藝系統(tǒng)溫度會產(chǎn)生復(fù)雜變化，工藝系統(tǒng)通常會發(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)致了設(shè)計誤差產(chǎn)生。

④由于人為情緒、技術(shù)水平不穩(wěn)定所引起的設(shè)計誤差。

三、機(jī)械設(shè)計工藝系統(tǒng)誤差

1.機(jī)床的幾何誤差。在零件的實際實踐設(shè)計過程中，刀具相對于工件的成形作用主要都是通過機(jī)床完成的，因此，工件的設(shè)計精度在很大程度上取決于機(jī)床的精度。我們了解到，而機(jī)床制造誤差對工件設(shè)計精度影響較大的有，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(jī)床的磨損將使機(jī)床工作精度下降。

2.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，并由此引起所設(shè)計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，都可以有效減少刀具地尺寸磨損，因此從而提高所設(shè)計零件精準(zhǔn)度。而必要時候還可以采用補(bǔ)償裝置對刀具尺寸磨損進(jìn)行自動補(bǔ)償。

3.工藝系統(tǒng)受熱變形引起誤差。我們知道，工藝系統(tǒng)熱變形對設(shè)計精度的影響比較大，特別是在精密設(shè)計和大件設(shè)計中，由熱變形所引起的設(shè)計誤差有時可占工件總誤差的百分之40到百分之70。機(jī)床、刀具和工件受到各種熱源的作用，溫度會逐漸升高，與此同時，它們也會通過各種傳熱方式向周圍的物質(zhì)和空間散發(fā)熱量。在此過程中，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(dá)到了熱平衡狀態(tài)。

四、提高機(jī)械精度的誤差控制措施

相對而言，機(jī)械設(shè)計過程中的精度誤差具有不可避免的客觀性，但應(yīng)該在最大可能的基礎(chǔ)上將影響機(jī)械設(shè)計精度的誤差因素控制在允許范圍內(nèi)，從而提高工件設(shè)計質(zhì)量和精度，具體措施如下：

①減少原始精度誤差。高零件設(shè)計所使用機(jī)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(jī)械設(shè)計精度，需對產(chǎn)生設(shè)計誤差的各項原始誤差進(jìn)行分析，根據(jù)不同情況對造成設(shè)計誤差的主要原始誤差采取不同的措施解決。對于精密零件的設(shè)計應(yīng)盡可能提高所使用精密機(jī)床的幾何精度、剛度和控制設(shè)計熱變形；對具有成形表面的零件設(shè)計，則主要是如何減少成形刀具形狀誤差和刀具的安裝誤差。

②對傳動精度實行實時補(bǔ)償控制。在電子信息技術(shù)廣泛使用以前，例如補(bǔ)償控制技術(shù)主要應(yīng)用在傳動精度要求很高的機(jī)床中，其補(bǔ)償控制裝置由校正尺、杠桿、及接收附加運(yùn)動的螺母等組成。機(jī)械補(bǔ)償控制裝置簡單可靠，但補(bǔ)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(jī)床上，一般都采用的軟件補(bǔ)償，事先測量好誤差數(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(bǔ)后，根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)位置從數(shù)據(jù)表中查找誤差補(bǔ)償值，并據(jù)此控制坐標(biāo)軸一個附加的運(yùn)動。

③加強(qiáng)精度誤差預(yù)防。誤差預(yù)防是指減少誤差源、改變誤差源至設(shè)計誤差之間的數(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(jìn)工藝和設(shè)備法、誤差分組法、就地設(shè)計法和誤差平均法等等之類。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)來提高設(shè)計精度所花費(fèi)成本等成指數(shù)增長。

④轉(zhuǎn)移精度誤差。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。

五、結(jié)語

機(jī)械設(shè)計是當(dāng)前機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)，隨著國家科技的迅猛發(fā)展，對于機(jī)械工件的設(shè)計精度和質(zhì)量要求程度較為嚴(yán)格，采取合理措施減少或消除相關(guān)影響機(jī)械設(shè)計精度的誤差因素，是保障機(jī)械設(shè)計的產(chǎn)品質(zhì)量的必要階段。

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作者簡介：劉凱（1992-1），男，漢族，湖北黃岡人，江漢大學(xué)文理學(xué)院機(jī)電與建筑工程工程學(xué)部2011級機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)本科生。