加工余量對孔軸類零件加工精度的影響分析

□ 朱達新

1.江蘇省江陰中等專業(yè)學校 江蘇江陰 214400 2.北京理工大學 機械與車輛學院 北京 100081

一般制造類企業(yè)在探索提高機械加工產(chǎn)品質(zhì)量時，往往在加工方法和措施方面投入大量的時間和精力，而忽視機加工具體工藝過程中加工余量對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，在確定零件的加工余量時或多或少存在隨意性問題，這不僅會增加零件的加工難度，而且可能給產(chǎn)品質(zhì)量帶來不良影響。

1 加工余量概念

加工余量指零件在加工過程中從零件加工表面切除的金屬層厚度，可分為工序加工余量和總加工余量。

工序加工余量指零件加工表面在一道工序中所切除的金屬層厚度，取決于相鄰工序、前后工序尺寸之差。

總加工余量指零件從毛坯變?yōu)楫a(chǎn)品的整個加工過程中切除的金屬層總厚度，也即零件同一表面毛坯尺寸和零件尺寸之差?？偧庸び嗔康扔诟鞴ば蚣庸び嗔恐汀?/p>

由于毛坯制造和各工序尺寸都不可避免地存在誤差，因此無論總加工余量還是工序加工余量都為變動值，也就產(chǎn)生了最小加工余量和最大加工余量。加工余量與公差的關(guān)系如圖1所示。

最小加工余量是前工序最小工序尺寸和本工序最大工序尺寸之差，最大加工余量是前工序最大工序尺寸和本工序最小工序尺寸之差。工序加工余量的變動范圍，即最大加工余量與最小加工余量的差值等于前工序與本工序兩工序尺寸公差之和。工序尺寸的公差帶一般規(guī)定在零件的入體方向，對于軸類零件而言，其基本尺寸就是最大工序尺寸；而對于孔而言，則是最小工序尺寸[1-2]。

圖1 加工余量與公差關(guān)系示意圖

2 加工余量的影響分析

2.1 加工余量過大

零件在機械加工過程中必定會產(chǎn)生切削熱，這些切削熱一部分被切屑和切削液帶走，一部分傳給刀具，還有一部分傳給工件，使零件的溫度升高。溫度的高低與加工余量大小有很大關(guān)系，加工余量大，粗加工時間必然會延長，切削用量也會加大，導致切削熱不斷增加，零件溫度進一步升高。零件溫度升高帶來的最大危害就是使零件產(chǎn)生變形，尤其是對溫度變化比較敏感的材料，如不銹鋼所受影響更大，使加工難度增加，產(chǎn)品質(zhì)量受影響[3]。

在加工絲杠類細長軸零件時，由于采用的是一夾一頂?shù)募庸し椒?，長度方向的自由度受到限制，這時如果工件溫度過高，便會產(chǎn)生熱膨脹，在長度方向延伸受阻的情況下，工件受應(yīng)力影響必然會產(chǎn)生彎曲變形，如圖2所示，給后期的加工帶來很大麻煩。這時如繼續(xù)加工，將凸出部分車直至成品，待冷卻至常溫，零件在應(yīng)力作用下又會產(chǎn)生反向變形，如圖3所示，造成形位誤差超差而影響質(zhì)量。精密絲杠磨削時工件的熱變形還會引起螺距誤差。

圖2 受熱后零件彎曲變形

圖3 冷卻至常溫后零件彎曲變形

2.2 加工余量過小

零件的加工余量不能過大，也不能過小。加工余量過小，則不能消除前道工序加工過程中殘留的形位公差和表面缺陷，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了保證零件的加工質(zhì)量，各工序所留最小加工余量應(yīng)能滿足基本要求。

圖4為某零件內(nèi)孔最小加工余量構(gòu)成因素示意圖，圖4（a）為所要加工內(nèi)孔的零件。如果該孔在前道工序加工時軸線O1-O1偏離基準軸線O-O，存在位置誤差n，且內(nèi)孔存在圓柱度誤差p和表面粗糙度誤差h，如圖4（b）所示，那么為了消除鏜孔前的形位公差，鏜孔工序的單邊最小加工余量應(yīng)包含上述誤差和缺陷。考慮到本工序鏜孔時工件不可避免地存在安裝誤差，即原孔軸線O-O與工件安裝后的回轉(zhuǎn)軸線O'-O'間存在誤差e，加之本工序鏜孔時的尺寸公差T，得到本工序的單面最小加工余量為Z≥（T+h+p+n+e）/2。

圖4 最小加工余量構(gòu)成因素示意圖

對不同的零件和不同的工序，上述誤差數(shù)值和表現(xiàn)形式各有不同，在決定工序加工余量時應(yīng)區(qū)別對待。細長軸易彎曲變形，母線直線誤差已超出直徑尺寸公差范圍，工序加工余量應(yīng)適當放大。對采用浮動絞刀等工具并以加工表面本身定位進行加工的工序，則可以不考慮安裝誤差的影響，工序加工余量可相應(yīng)減小。對某些主要用來降低表面粗糙度值的精加工工序，工序加工余量的大小僅與表面粗糙度誤差有關(guān)[4-6]。

3 確定軸孔類零件加工余量的方法

3.1 經(jīng)驗估計法

經(jīng)驗估計法是根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗或同類型零件對比來確定加工余量的方法。在船舶中，舵桿、舵銷、中間軸、艉軸的加工余量就是由工藝人員根據(jù)多年的設(shè)計經(jīng)驗而定，考慮到工件的重要性，加上體積龐大、鍛件毛坯應(yīng)力大等因素的影響，粗車外圓后留6 mm余量待時效后半精車，半精車后留3 mm精車余量，精車留1 mm磨削余量。為了防止加工余量不足而產(chǎn)生廢品，經(jīng)驗估計法所估加工余量一般偏大，常用于單件小批量生產(chǎn)[7]。

3.2 查表修正法

查表修正法以生產(chǎn)實踐和試驗研究積累的有關(guān)加工余量的資料數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，編制成表格，并結(jié)合實際加工情況進行修正，進而來確定加工余量，應(yīng)用比較廣泛[8]。

軸類零件粗車后精車外圓，以及磨加工外圓時直徑加工余量表見表1、表2，表中L為零件長度，零件表面未淬硬。

表1 軸類零件粗車后精車外圓直徑加工余量mm

表2 軸類零件磨加工外圓直徑加工余量mm

3.3 分析計算法

分析計算法是根據(jù)試驗資料和計算公式來對影響加工余量的各種因素進行分析和綜合計算，進而確定加工余量的方法。這一方法確定的加工余量既準確又經(jīng)濟合理，但需要積累比較全面的資料，計算過程也比較煩瑣，不如上述兩種方法簡單直觀，因此目前應(yīng)用較少。

實際生產(chǎn)中，由于許多零件毛坯的制作方法都是臨時確定的，如采用鋼板卷制后焊接而成的不銹鋼套，以及冷卻器端蓋、馬達底座、齒輪箱翻砂件等，這些零件在毛坯制作過程中有許多不確定因素，形狀誤差很難預料，因此其加工余量很難用某一種方法確定，只能在實際制作過程中靈活應(yīng)用各種方法[9-10]。

4 結(jié)束語

零件加工余量的大小直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，合理安排零件加工余量及選擇正確的加工方法具有重要意義。筆者提出了合理選擇加工余量的常用方法，以供參考。

[1]陳宏鈞.實用機械加工工藝手冊[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[2]王先逵.機械加工工藝手冊：第1卷 工藝基礎(chǔ)卷[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3]宋曉艷.大余量毛坯孔的加工工藝與刀具設(shè)計[J].工具技術(shù)，2003，37（1）：45-47.

[4]瞿繼九.合理確定機械加工余量的意義[J].科技資訊，2010（35）：85.

[5]任妙芳.淺析機械加工精度的影響因素及提高措施[J].機械研究與應(yīng)用，2010（2）：124-126.

[6]王國敏.淺析機械加工精度的影響因素及對策[J].經(jīng)濟研究導刊，2010（26）：296-297.

[7]姚愿偉，王曉慧，王友利，等.平面毛坯尺寸標注的新方法及應(yīng)用[J].機械制造，2016，54（8）：41-44.

[8]卞亞峰，王曉慧，徐小龍.淺析鑄件毛坯尺寸標注基準的合理選擇[J].機械制造，2013，51（2）：65-67.

[9]李政軍.缸體加工典型粗基準的選擇[J].汽車工藝師，2016（2）：59-61.

[10]冉啟軍，張玉峰.機械加工工序誤差分析與計算（下）[J].金屬加工（冷加工），2011（5）：58-60.