機(jī)械加工質(zhì)量的影響因素及控制對(duì)策研究

郁沖

摘要：機(jī)械加工零件產(chǎn)品的質(zhì)量是絕大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。面對(duì)客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的各個(gè)需求，機(jī)械加工設(shè)計(jì)人員根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備性能和專業(yè)知識(shí)，合理的制定零件加工工藝方案和設(shè)備型號(hào)。機(jī)械加工人員根據(jù)零件加工工藝方案，開展一系列加工生產(chǎn)。本文從加工工藝和機(jī)械設(shè)備兩方面角度闡述影響機(jī)械加工零件精密度質(zhì)量的因素，并提出了優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工;精密度;幾何尺寸;形狀

0? 引言

機(jī)械加工制造出的各類機(jī)械零件是汽車、航天、船舶、化工等眾多領(lǐng)域必須使用的產(chǎn)品，隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)，各個(gè)產(chǎn)業(yè)對(duì)機(jī)械零件產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)格。例如有些化工生產(chǎn)工藝中使用到的機(jī)械零件需要長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度工作在高溫、高壓、高有機(jī)溶劑腐蝕的環(huán)境下，如果使用的機(jī)械零件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，不僅會(huì)影響到化工工藝的正常生產(chǎn)，并且一旦機(jī)械零件發(fā)生故障，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的化工安全事故。關(guān)于機(jī)械加工產(chǎn)品的質(zhì)量的各個(gè)參數(shù)，包括了產(chǎn)品表面粗糙度、產(chǎn)品表面性能以及產(chǎn)品的精密度。本文主要對(duì)機(jī)械加工零件質(zhì)量中的產(chǎn)品精密度質(zhì)量的控制強(qiáng)化做出系統(tǒng)闡述，從影響零件精密度的加工因素出發(fā)，提出一系列完善措施，提高企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1? 機(jī)械加工零件精密度概述

機(jī)械加工零件精密度主要指的是原材料經(jīng)過機(jī)械加工后得到零件產(chǎn)品的尺寸、幾何形狀、結(jié)構(gòu)位置與目標(biāo)產(chǎn)品零件的匹配度，匹配度越高說明機(jī)械加工零件的精密度越高，反之則越低。

①尺寸精密：零件外觀尺寸與目標(biāo)產(chǎn)品零件圖紙標(biāo)注的尺寸要滿足一定的誤差范圍;

②幾何形狀精密度：零件外觀幾何形狀，如平面度、正四方體、四棱錐、角度、弧度等于目標(biāo)產(chǎn)品零件圖紙表述的形狀要吻合，形狀誤差控制在一定范圍內(nèi);

③結(jié)構(gòu)位置精密度：零件結(jié)構(gòu)位置與目標(biāo)產(chǎn)品零件圖紙標(biāo)注的結(jié)構(gòu)位置要滿足一定的誤差范圍，比如相對(duì)位置大小、平行性、直角度等。從直觀角度來看，影響零件機(jī)械加工精密度的因素主要與加工工藝、操作人員技術(shù)水平和設(shè)備性能有關(guān)。但是放在企業(yè)整個(gè)加工周期大環(huán)境來看，除了職業(yè)因素意外，零件機(jī)械加工精密度還與企業(yè)質(zhì)量管理制度、材料材質(zhì)、各部門協(xié)調(diào)等工作相關(guān)。

2? 影響機(jī)械加工表面質(zhì)量的因素

2.1 內(nèi)部因素

所謂的內(nèi)部因素指的是機(jī)械加工過程中使用到的各種機(jī)床設(shè)備自身誤差所導(dǎo)致的零件精密度的因素，這種因素是影響零件精密度的核心因素，也是很難避免的因素。以常見的數(shù)控機(jī)床為例，數(shù)控機(jī)床加工過程中存在的幾何誤差主要包括以下三點(diǎn)：

①原始制造誤差：原始制造誤差指的是數(shù)控機(jī)床的各個(gè)零部件由于自身結(jié)構(gòu)的偏差所造成的運(yùn)動(dòng)位移誤差。其中機(jī)床控制系統(tǒng)誤差和熱變形誤差屬于原始制造誤差中的常見幾何誤差，控制系統(tǒng)誤差包括了機(jī)床軸系的輪廓跟隨誤差以及數(shù)控插補(bǔ)算法誤差。熱變形誤差主要是機(jī)床的部件機(jī)構(gòu)受熱變形所造成的誤差，受熱變形主要由機(jī)床內(nèi)部的熱源和環(huán)境溫度變化引起。

②作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的誤差：數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行正常作業(yè)時(shí)，主要發(fā)生切削負(fù)荷造成的工藝系統(tǒng)變形誤差以及機(jī)床振動(dòng)產(chǎn)生誤差。切削負(fù)荷所造成的機(jī)床、切刀、工件以及工藝的誤差又被稱為“讓刀”，這種誤差會(huì)造成加工零件的變形，引發(fā)加工零件的質(zhì)量問題。而機(jī)床在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由于系統(tǒng)工藝復(fù)雜，工序較多，工序較多工作狀態(tài)不穩(wěn)定時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，從而造成加工產(chǎn)品的幾何形狀誤差，甚至影響到加工產(chǎn)品的質(zhì)量。

③檢測(cè)系統(tǒng)誤差：數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)加工零件的實(shí)際位移量進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果反饋到機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行調(diào)整控制。第一，當(dāng)測(cè)量傳感器制造過程產(chǎn)生誤差或者安裝不當(dāng)所導(dǎo)致的系統(tǒng)本身的誤差;第二，當(dāng)測(cè)量傳感器受到機(jī)床零件和機(jī)構(gòu)使用誤差的影響，導(dǎo)致反饋信息的失真所引起的檢測(cè)誤差。

2.2 熱變因素

機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的熱變因素主要是由于機(jī)床熱變、磨具熱變和零件變形導(dǎo)致的。其中零件受熱變形是導(dǎo)致加工零件精密度降低重要因素，特別是當(dāng)時(shí)用一些受熱性能不好的材料時(shí)。例如，以磨削加工絲杠為例，當(dāng)磨削加工一根長(zhǎng)1m的絲杠時(shí)，沒完成一次磨削，絲杠的溫度都會(huì)上升4℃，絲杠的拉升程度都會(huì)增加0.04mm。當(dāng)機(jī)床工作時(shí)，受到內(nèi)部產(chǎn)生的熱量和外部環(huán)境的溫度影響，機(jī)床內(nèi)部的部分零件溫度變化，產(chǎn)生溫度勢(shì)差。由于機(jī)床的零件非常復(fù)雜也很精密，如果溫度和溫度勢(shì)差過高，也會(huì)影響機(jī)床的加工精密度。

2.3 受力因素

機(jī)械加工的本質(zhì)是機(jī)床根據(jù)中央控制命令，精確地控制刀具對(duì)工件材料進(jìn)行切割、打磨等機(jī)械加工，這個(gè)過程不可避免的會(huì)發(fā)生各種各樣的接觸形式，導(dǎo)致材料出現(xiàn)受力變形。例如，一些材料的受力變形性能較差，在進(jìn)行擠壓加工時(shí)，零件就會(huì)產(chǎn)生一定尺寸上的變形，影響產(chǎn)品的精密度。此外，加工過程中熱處理產(chǎn)生的盈利和切削時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致零件的精密度降低。

3? 改善機(jī)械加工表面質(zhì)量的方法

3.1 利用幾何補(bǔ)償原理

基于補(bǔ)償原理的零件加工精密度提高方法主要有防止和補(bǔ)償兩種。其中誤差防止雖然可以從數(shù)字機(jī)床硬件設(shè)備的提升來提高零件的制造水平，受到制造成本的影響，在數(shù)控機(jī)床的實(shí)際操作中使用范圍不廣。數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償原理是基于數(shù)控機(jī)床所產(chǎn)生的幾何誤差，通過人為設(shè)置一個(gè)誤差來抵消原來機(jī)床上的幾何誤差。誤差補(bǔ)償技術(shù)不增加生產(chǎn)成本，也不改變數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)，其通過測(cè)量傳感器對(duì)數(shù)控機(jī)床作業(yè)時(shí)在線檢測(cè)，得到刀具加工點(diǎn)和實(shí)際零件位置坐標(biāo)點(diǎn)的偏差，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將檢測(cè)到的坐標(biāo)偏差反饋給數(shù)控系統(tǒng)，通過輪廓跟蹤系統(tǒng)改變坐標(biāo)移動(dòng)量來進(jìn)行修正，可以在低成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床精密度的提高。

3.1.1 靜態(tài)補(bǔ)償法

對(duì)數(shù)控機(jī)床不斷調(diào)試，根據(jù)調(diào)試結(jié)果得到誤差值，通過修正自動(dòng)系統(tǒng)的位移量、更換零部件以及應(yīng)用導(dǎo)軌反向彈性變形等補(bǔ)償措施來彌補(bǔ)幾何誤差，從而提高數(shù)控機(jī)床的精密度。由于靜態(tài)補(bǔ)償補(bǔ)償效果較差，應(yīng)用局限性較高，這種最初的數(shù)控機(jī)床補(bǔ)償技術(shù)逐漸被其他補(bǔ)償技術(shù)所取代。

3.1.2 實(shí)時(shí)補(bǔ)償法

對(duì)機(jī)床移動(dòng)零件的實(shí)際位置的測(cè)量，將測(cè)量數(shù)值與數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)包中的設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，進(jìn)而獲得零部件的位移量的偏差。然后通過檢測(cè)系統(tǒng)將位移量偏差反饋到控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的精密度提高。數(shù)控機(jī)床定位誤差的測(cè)量手段常用的儀器為激光測(cè)量?jī)x，通過測(cè)量數(shù)控機(jī)床與被加工零件的位移點(diǎn)實(shí)現(xiàn)位移量誤差函數(shù)的建立，進(jìn)而得出機(jī)床位移量誤差值。

3.1.3 軟件補(bǔ)償法

軟件補(bǔ)償法是在數(shù)控機(jī)床中插入模型軟件，將數(shù)控機(jī)場(chǎng)作業(yè)的實(shí)時(shí)的參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥Ｐ蛙浖到y(tǒng)中，通過軟件分析得到誤差值。得到的誤差值通過數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)系統(tǒng)反饋到機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)后，再將補(bǔ)償差值進(jìn)行加工調(diào)整。相比于靜態(tài)補(bǔ)償法和實(shí)時(shí)補(bǔ)償法，軟件補(bǔ)償法的另一個(gè)特點(diǎn)在于不需要對(duì)數(shù)控機(jī)床的零部件或零件位移量進(jìn)行調(diào)整，只需要通過計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的閉環(huán)模型軟件就可完成誤差補(bǔ)償?shù)牟僮鳎瑢?shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床精密度的提高。但是受限于軟件補(bǔ)償法對(duì)模型軟件技術(shù)含量的要求較高，目前軟件補(bǔ)償法的推廣應(yīng)用沒有實(shí)時(shí)補(bǔ)償法廣泛。

3.2 合理控制工藝過程溫度

控制加工溫度可以有效的避免零件受熱變形、磨具熱變形和機(jī)床熱變形所帶來的零件精密度降低。除了采用上述幾何補(bǔ)償方法彌補(bǔ)受熱帶來的精密度變化以外，操作員工通過各種手段控制加工過程的溫度。例如，合理選擇切削刀具和數(shù)量的參數(shù)，使用前對(duì)刀具進(jìn)行潤(rùn)滑處理降低摩擦阻力，使用過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)冷卻。降低機(jī)床工作環(huán)境溫度、對(duì)發(fā)熱源進(jìn)行集中制冷，降低機(jī)床工作溫度，對(duì)機(jī)床內(nèi)部出現(xiàn)的溫度勢(shì)差，可以通過在局部設(shè)置熱源的方式降低溫度勢(shì)差，平衡機(jī)床工作溫度。

3.3 降低外力因素干擾

第一，降低工藝系統(tǒng)受力變形因素;第二，工作人員工作前要對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，對(duì)過緊的零件進(jìn)行校正和調(diào)試，降低擠壓力導(dǎo)致的變形;第三，對(duì)設(shè)備中的刀具進(jìn)行潤(rùn)滑打磨，降低摩擦帶來的變形。

4? 結(jié)語(yǔ)

除了上述與機(jī)械加工工藝、機(jī)械加工設(shè)備等有關(guān)因素以外，影響到機(jī)械加工產(chǎn)品精密度質(zhì)量的因素還包括了整個(gè)機(jī)械零件加工從準(zhǔn)備生產(chǎn)到產(chǎn)品出庫(kù)抵達(dá)客戶方的生產(chǎn)周期中各個(gè)環(huán)節(jié)。如原材料采購(gòu)、材料儲(chǔ)存、企業(yè)生產(chǎn)管理、產(chǎn)品管理等一系列工作，這些工作非常復(fù)雜，屬于不同的專業(yè)體系，需要企業(yè)各個(gè)部門之間相互協(xié)調(diào)配合。每一個(gè)管理環(huán)節(jié)或者技術(shù)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)導(dǎo)致機(jī)械加工零件產(chǎn)品質(zhì)量的缺失。因此，企業(yè)在開展機(jī)械加工質(zhì)量控制整改工作時(shí)，不能局限加工工藝和機(jī)械設(shè)備方面，還要從質(zhì)量管理、設(shè)備管理、材料采購(gòu)等方面進(jìn)行全方位控制。

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