機械加工工藝技術(shù)誤差分析與控制

李明明，白志紅

機械加工工藝技術(shù)誤差分析與控制

李明明，白志紅

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌，461000）

機械加工過程中過量的誤差影響機械產(chǎn)品性能。在研究分析機械加工工藝技術(shù)誤差來源的基礎(chǔ)之上，確定了誤差來源，主要包括定位誤差、機床制造誤差和工具幾何誤差；分析了相應(yīng)的誤差控制方法，包括誤差補償法、直接減小誤差法和誤差分組法，并加以比較；最終提出了三種誤差控制方法在不同機械加工中的應(yīng)用特征。對實踐工作有參考價值。

機械產(chǎn)品；加工工藝；誤差分析；誤差控制；精度

引言

機械加工工藝技術(shù)在一定程度上決定了機械產(chǎn)品的精確度和可靠性。近年來，受產(chǎn)品精細(xì)化發(fā)展趨勢的影響，人們對機械產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。然而在實際過程中，加工所得產(chǎn)品的參數(shù)與規(guī)劃設(shè)計之間總是不可避免地存在一定誤差，如果誤差超過標(biāo)準(zhǔn)范圍，必然會影響其使用性能。因此，必須加強機械加工工藝技術(shù)中的誤差分析，并在此基礎(chǔ)上探尋提升工藝技術(shù)的措施，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)化。

1　機械加工工藝

在機械加工中，工藝員根據(jù)加工設(shè)備條件、待加工產(chǎn)品數(shù)量，以及工人加工素質(zhì)等實際情況，確定應(yīng)采用的工藝過程，并把相關(guān)加工內(nèi)容和要求制成工藝文件，這些工藝文件也稱為工藝規(guī)程，是組織生產(chǎn)的重要技術(shù)文件。由于各個工廠的實際生產(chǎn)情況和工藝流程各不相同，因此工藝規(guī)程的針對性較強。

所謂機械加工工藝過程，是指通過機械加工改變毛坯的表面質(zhì)量、尺寸與形狀等，使其成為零件的過程。例如，一個普通零件的粗加工、精加工、裝配、檢驗、包裝等過程，為一套完整的機械加工工藝過程。以上過程中所采用的技術(shù)，稱作機械加工工藝技術(shù)。

2　誤差來源

在機械加工工藝過程中，會受到加工環(huán)境、人員操作以及車床自身等因素的影響，導(dǎo)致加工所得工件與設(shè)計尺寸之間存在較大差異，尤其是對于一些對緊密度要求較高的“高精尖”設(shè)備，如果誤差過大，將會失去利用價值，造成材料浪費和經(jīng)濟損失。因此，必須詳細(xì)分析機械加工工藝技術(shù)誤差來源，為誤差控制奠定基礎(chǔ)[1]。

2.1定位誤差

在利用機床進行產(chǎn)品加工時，往往需要選擇該產(chǎn)品上的某一幾何要素作為定位基準(zhǔn)。然而，受到人為操作或零件自身因素的影響，很容易導(dǎo)致基準(zhǔn)定位不準(zhǔn)確，為后期機械加工造成負(fù)面影響。通常來說，在機械加工階段所產(chǎn)生的定位誤差主要分為兩大類：定位參照誤差和基準(zhǔn)不重合誤差。

2.1.1定位參照誤差

使用數(shù)控機床進行機械加工時，工件是以計算機上的數(shù)字模型為基準(zhǔn)，通過程序控制指令進行復(fù)制加工。然而，如果數(shù)字模型與待加工工件之間的定位參照存在明顯誤差，就會導(dǎo)致后期出現(xiàn)配合間隙，所加工出來的工件與模型之間存在較大差距，難以滿足實際使用需求，造成材料浪費。

2.1.2基準(zhǔn)不重合誤差

除了參照計算機數(shù)字模型進行工件加工外，還可利用已有的實際工件進行工件加工復(fù)制。在加工之前，需要將標(biāo)準(zhǔn)件與加工模板對齊，保證兩者之間的基準(zhǔn)重合。然而，由于加工過程中會產(chǎn)生機床振動，導(dǎo)致兩者之間的基準(zhǔn)出現(xiàn)偏差（如圖1所示），如果不能及時進行基準(zhǔn)調(diào)整，后期加工出來的工件往往會出現(xiàn)變形等問題。

圖1　基準(zhǔn)不重合誤差

2.2機床制造誤差

根據(jù)機床制造誤差的產(chǎn)生來源，可將其分為三類：傳動鏈誤差、導(dǎo)軌誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差。

2.2.1傳動鏈誤差

機床傳動鏈的傳動來自位于機床兩端的傳動滾筒引導(dǎo)。由于兩端滾筒存在一定的水平高度差，因此在相對運動階段就會產(chǎn)生傳動誤差。通常來說，這種傳動誤差并不會直接影響機床工件的加工精度。然而，由于機床自身裝配和結(jié)構(gòu)特點的制約，傳動鏈在運動過程中，還會使得機床其他構(gòu)件發(fā)生同步運動，有可能對機床工件的加工精度造成負(fù)面影響。

2.2.2導(dǎo)軌誤差

機床導(dǎo)軌除了用于固定工件外，還能夠為工件基準(zhǔn)位置的確定提供參考依據(jù)。然而，隨著機床使用年限的增長，導(dǎo)軌表面磨損、不均勻等問題也會逐漸突顯，如果仍以導(dǎo)軌作為衡量基準(zhǔn)，必然會產(chǎn)生誤差。

2.2.3主軸回轉(zhuǎn)誤差

導(dǎo)致主軸回轉(zhuǎn)誤差的因素較多，除了軸承自身磨損、老化外，還有在加工階段出現(xiàn)的同軸轉(zhuǎn)速誤差、主軸繞素誤差，以及回轉(zhuǎn)誤差等。由于主軸在機械加工中發(fā)揮主要作用，因此其一旦出現(xiàn)回轉(zhuǎn)誤差，將直接影響零件加工精度[2]。

2.3工具幾何誤差

除了上述必要加工設(shè)備外，在進行機械加工時，還需應(yīng)用到各類輔助工具，如果工具選用不合理，或是工具本身存在一定問題，也有可能導(dǎo)致機械加工過程中出現(xiàn)誤差。以夾具為例，其主要作用是將被加工模板固定在機床上，其產(chǎn)生的幾何誤差主要體現(xiàn)在兩方面：一是夾具在長期使用過程中，出現(xiàn)磨損或松動，導(dǎo)致工件固定不穩(wěn)，那么后期加工就容易出現(xiàn)工件位移，造成加工誤差（如圖2所示）；二是夾具的加工位置出現(xiàn)偏差。以刀具為例，其作為一種易耗材料，在工件加工過程中必然會出現(xiàn)一定磨損（如圖3所示）。磨損到一定程度后，在預(yù)定的加工時間內(nèi)就難以取得預(yù)期的加工效果，使得工件尺寸、加工進度等都無法達到標(biāo)準(zhǔn)要求。除了刀具精度以外，刀具種類的選擇、刀具尺寸的選用等，也會成為影響機械加工工藝的重要因素。

圖2　加工誤差

圖3　刀具磨損偏差（單位：mm）時間t的變化曲線

3　機械加工工藝技術(shù)誤差控制

3.1誤差補償法

誤差雖然不可避免，但可通過人為參數(shù)修改和機械調(diào)整實現(xiàn)誤差補償，達到誤差控制的目的。實施該方法的前提條件是機械加工中的誤差可見，即在進行加工之前，相關(guān)設(shè)備管理人員能夠清晰了解造成工件加工誤差的直接原因，從而以此為出發(fā)點，有針對性地采用誤差補償措施。例如，在制作數(shù)控機床上的滾珠絲杠時，考慮到其后期會因頻繁操作出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致其螺距減小，因此在裝配時預(yù)加了一拉伸力，間接增長了其螺距，從而能夠有效避免上述問題。

3.2直接減小誤差法

對于一些單獨工件，往往不適宜采取誤差補償法。對于這些一次性加工完成的工件來說，其誤差的產(chǎn)生主要來源于加工硬件的精度，例如章節(jié)2.3中提到的刀具誤差、夾具誤差等。因此對于此類問題，首先需分析影響工件誤差的決定性因素，隨后采取直接減小誤差法。直接減小誤差法的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下兩方面：首先，極大簡化了機械加工流程[3]。與其他幾類誤差處理方法相比，直接減小誤差法不需在后期進行設(shè)備調(diào)整和器具更換，因此極大提升了機械加工效率；其次，誤差處理效果好。直接減小誤差法的目的是從機械加工的源頭上進行誤差防控，從而避免后續(xù)加工過程中不可控因素的發(fā)生。

3.3誤差分組法

在機械加工工藝過程中，有時會出現(xiàn)下列問題：雖然其中一個工序的工藝能力充足、加工精度穩(wěn)定，但在上一工序?qū)Π氤善返募庸r，由于精度太低，引起復(fù)映誤差或定位誤差過多，從而難以保證精度。若要求提供上一工序加工精度或毛坯精度，通常不是經(jīng)濟合理的做法。這時可采用誤差分組法，將半成品或毛坯尺寸按照誤差大小分成若干組，每組毛坯誤差就會相應(yīng)縮小[4]。爾后，調(diào)整工件與刀具的相對位置，或調(diào)整定位元件，以縮小整批工件尺寸分布范圍。誤差分組法的優(yōu)點在于能夠及時發(fā)現(xiàn)并修改誤差。在章節(jié)3.1和3.2的兩種誤差控制方法中，一旦在工件加工過程中出現(xiàn)明顯誤差，只能終止加工過程，影響整個工件的加工效率。誤差分組法可在加工過程中實現(xiàn)誤差分化，從而確保機械加工的持續(xù)性和經(jīng)濟性[5]。

4　結(jié)語

機械加工精確度是衡量一個國家工業(yè)技術(shù)水平的標(biāo)尺之一。在我國工業(yè)發(fā)展由“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變的過程中，保證機械加工工件的精確性和可靠性，已逐漸成為機械加工行業(yè)關(guān)注的焦點問題。客觀來說，機械加工誤差是不可避免的，但只要將誤差控制在允許范圍內(nèi)，就不會對工件使用產(chǎn)生明顯影響。因此，需要不斷優(yōu)化機械加工工藝技術(shù)，做好加工階段的質(zhì)量檢測，為機械加工的精確度提供必要保證。

[1]李建. 機械加工工藝技術(shù)的誤差原因與策略探討[J]. 中國科技信息, 2014(17): 134-135.

[2]江敦清. 淺談機械加工工藝對零件加工精度的影響[J]. 黑龍江科技信息, 2010(16): 7.

[3]陳志. 機械加工工藝對零部件表面完整性的影響分析[J]. 化學(xué)工程與裝備, 2011(12): 111-112.

[4]郭向東. 機械加工工藝對零件加工精度的影響[J]. 湖南農(nóng)機, 2013(7): 148-149.

[5]劉東凱. 機械加工工藝對零部件精度的影響[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2013(30): 106.

Error Analysis and Control of Mechanical Processing Techniques

LI Ming-ming, BAI Zhi-hong
(XJ ELECTRIC Co., Ltd., Xuchang, Henan, 461000, China)

Excessive error during mechanical processing will bring adverse effects on mechanical performance. On the basis of research and analysis on origins of error in mechanical processing techniques, correspondent error control methods are put forward and compared with each other. The research shows that the origins of error includes positioning error, machining error and geometric tool error; error control methods include error compensation method, direct error reduction method and error grouping method, the latest of which holds the most persistency and economy. Finally, application characteristics of three kinds of errors in various machining fields are carried out. Research results above provide essential guarantees for improvement of machining precision, laying a perfect foundation for practice.

Mechanical Product; Processing Technique; Error Analysis; Error Control; Precision

TH161+.2

A

2095-8412 (2016) 05-1013-03工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.050

李明明(1987-)，男，漢族，河南駐馬店人，助理工程師。研究方向：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。