機(jī)械加工工藝的技術(shù)誤差問(wèn)題分析與對(duì)策研究

陳 輝，陳素芹，王桂珍，張金柱

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司科技分公司，江蘇 徐州 221000）

具有復(fù)雜與繁瑣特性的機(jī)械加工工藝是機(jī)械加工的重要內(nèi)容[1]。機(jī)械的加工過(guò)程對(duì)工藝有著嚴(yán)格的要求，工藝存在缺陷則會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品難以達(dá)到交付標(biāo)準(zhǔn)[2-5]。在企業(yè)的生產(chǎn)管理中，會(huì)通過(guò)設(shè)置工藝規(guī)程來(lái)對(duì)成品質(zhì)量進(jìn)行控制[7]。這種工藝規(guī)程能夠?qū)庸ち鞒踢M(jìn)行詳細(xì)指導(dǎo)，有效協(xié)調(diào)加工的位置、規(guī)格、尺寸、順序等問(wèn)題[8]。然而，由于零件生產(chǎn)的精密性，在實(shí)際機(jī)械加工生產(chǎn)中，往往存在著一些加工工藝的技術(shù)誤差[9]。機(jī)械加工工藝的技術(shù)誤差分析能夠幫助企業(yè)尋找到降低誤差的解決方案，從而提升零件的精度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，為企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)[10]。

1 零件加工精度影響因素

1.1 內(nèi)在因素

機(jī)械加工企業(yè)常常為了降低企業(yè)的成本支出，而減緩設(shè)備更新?lián)Q代的速度[11]。較為緩慢的設(shè)備更新速度容易使企業(yè)的機(jī)械加工設(shè)備落后于市場(chǎng)需求，以至于被市場(chǎng)淘汰。其次，長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的使用也會(huì)使加工設(shè)備出現(xiàn)由于老化、壓力、損耗等原因帶來(lái)的精度損失。因此，應(yīng)注重對(duì)設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)，定時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行精度校準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)設(shè)備的維修、養(yǎng)護(hù)、零部件更換等方法來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提高設(shè)備的零件加工精度[12]。

1.2 受力因素

受力因素也會(huì)導(dǎo)致機(jī)械加工設(shè)備在工作中出現(xiàn)零件精度異常的問(wèn)題。一些外力可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械加工設(shè)備出現(xiàn)微小的變形或者是工作狀態(tài)不佳的情況[13]。這些設(shè)備的微小變化會(huì)使加工系統(tǒng)的部分工件發(fā)生位置變化，從而使待加工零件的位置出現(xiàn)變化，從而影響零件的加工精度?？赡馨l(fā)生位移的工件主要有刀具、夾具等，在長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)加工中，加工系統(tǒng)過(guò)強(qiáng)的承載力容易使刀具、夾具發(fā)生位移，以至于加工系統(tǒng)出現(xiàn)微小形變，從而降低零件加工精度[14]。另外，作為一個(gè)多結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)，零件加工系統(tǒng)的各部分在承受內(nèi)部壓力的同時(shí)也要承擔(dān)加載在零件上的力，因此零件加工系統(tǒng)各分部件之間的連接處也容易發(fā)生位移，使機(jī)械加工設(shè)備產(chǎn)生微小的變形，從而影響零件精度。

1.3 熱變因素

此外，熱變因素也是影響機(jī)械加工工藝零件加工精度的一個(gè)重要原因。在刀具切削工序中，可能出現(xiàn)由于操作人員不嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范而采用不專業(yè)的工具進(jìn)行加工的情況，使得加工精度出現(xiàn)降低。為對(duì)降低的精度進(jìn)行彌補(bǔ)，操作工可能使用不專業(yè)工具進(jìn)行反復(fù)切削，大量增加零件與加工設(shè)備間的摩擦力，使得零件與刀具間產(chǎn)生大量熱量，降低了零件精度。長(zhǎng)時(shí)間的加工運(yùn)行也會(huì)導(dǎo)致零件與加工設(shè)備的溫度升高，不僅降低了零件的精度，還可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞或異常。

2 機(jī)械加工工藝技術(shù)誤差分析

2.1 加工過(guò)程位置誤差

在使用機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)通過(guò)具體產(chǎn)品不同的幾何特征來(lái)設(shè)置不同的位置基準(zhǔn)。在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，不標(biāo)準(zhǔn)的操作和存在誤差的加工零器件會(huì)使得出現(xiàn)一定的基準(zhǔn)位置誤差。這些零件極小的定位誤差會(huì)在后期的機(jī)械加工中對(duì)最終加工精度造成較大的影響。在機(jī)械加工工藝中，產(chǎn)生這種基準(zhǔn)位置誤差的原因主要包含位置精度誤差與基準(zhǔn)位置精度誤差。機(jī)械加工中，產(chǎn)品精度的基準(zhǔn)通常由其使用的數(shù)控機(jī)床零點(diǎn)進(jìn)行校正。位置精度誤差是指數(shù)字模型與待加工零件之間存在的精度誤差，這種誤差在加工后期會(huì)導(dǎo)致設(shè)備配套誤差的發(fā)生，從而使產(chǎn)品與圖紙不匹配，使機(jī)械加工成品的精度不滿足生產(chǎn)要求，最終造成原料與時(shí)間的浪費(fèi)。在實(shí)際的生產(chǎn)加工工藝流程中，還需要通過(guò)程序?qū)α慵M(jìn)行批量化的重復(fù)性加工。在進(jìn)行批量加工時(shí)，應(yīng)注意控制圖紙位置基準(zhǔn)與加工設(shè)備位置基準(zhǔn)的一致性，以保證這兩個(gè)基準(zhǔn)之間的位置差盡可能小。由圖紙位置基準(zhǔn)和數(shù)控機(jī)床位置基準(zhǔn)的不一致而導(dǎo)致的精度誤差即為基準(zhǔn)位置精度誤差。在實(shí)際的加工生產(chǎn)過(guò)程中，由于數(shù)控機(jī)床的振動(dòng)、零件的毛刺等客觀原因，會(huì)使得零件加工的基準(zhǔn)位置精度誤差較大，以至于零件發(fā)生變形，同樣會(huì)造成原材料的浪費(fèi)與工期的延誤。

2.2 機(jī)床制造誤差

機(jī)床在生產(chǎn)制造過(guò)程中容易產(chǎn)生由機(jī)械運(yùn)行摩擦而導(dǎo)致的制造誤差，這種誤差主要來(lái)自于軸、導(dǎo)軌等部件之間的機(jī)械磨損。制造誤差主要分為主軸運(yùn)轉(zhuǎn)誤差與傳動(dòng)鏈誤差。主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)轉(zhuǎn)量發(fā)生不確定的改變，會(huì)造成加工機(jī)床嚴(yán)重的機(jī)械磨損，這種由主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的不確定性導(dǎo)致的機(jī)械磨損帶來(lái)的機(jī)械加工工藝技術(shù)誤差即為主軸運(yùn)轉(zhuǎn)誤差。主軸運(yùn)轉(zhuǎn)誤差在使實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)與程序設(shè)定的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生錯(cuò)位的基礎(chǔ)上，使得產(chǎn)品存在一定的誤差。實(shí)際加工過(guò)程中，機(jī)床使用傳送鏈對(duì)物料與待加工工件進(jìn)行傳輸，而傳動(dòng)鏈兩側(cè)容易出現(xiàn)進(jìn)度不一致，導(dǎo)致傳送鏈誤差，進(jìn)而導(dǎo)致零件誤差與產(chǎn)品誤差。

2.3 變形誤差

在機(jī)械加工工藝中，還會(huì)出現(xiàn)變形誤差，可能的原因包括機(jī)械加工材料所存在的材料物理性能問(wèn)題，加工過(guò)程釋放的大量熱量導(dǎo)致的零件溫度變形等。某些特殊機(jī)械加工原材料可能存在塑性強(qiáng)、韌性強(qiáng)、脆性弱，或者脆性強(qiáng)、韌性低等情況，使得材料可能發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生缺陷、裂紋，甚至是發(fā)生剛性斷裂。材料變形會(huì)導(dǎo)致零件出現(xiàn)極大的誤差，甚至?xí)巩a(chǎn)品出現(xiàn)完全不能使用的情況。

3 機(jī)械加工技術(shù)誤差對(duì)策研究

3.1 誤差補(bǔ)償

機(jī)械加工技術(shù)中最常用的誤差消除方法是誤差補(bǔ)償法。機(jī)械元件一般都會(huì)廣泛存在著原始誤差，這些原始誤差是由加工過(guò)程中的摩擦、塑性變形、拉伸、磨損等等原因造成的。因此，可以通過(guò)對(duì)機(jī)械加工系統(tǒng)原始誤差的研究，通過(guò)反向的誤差扣除來(lái)對(duì)加工零件尺寸數(shù)據(jù)的設(shè)定進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性地誤差補(bǔ)償。誤差補(bǔ)償?shù)牟襟E主要有反向偏差的測(cè)定、反向偏差的補(bǔ)償、位置精度的測(cè)定、位置精度的補(bǔ)償。反向偏差通常采用百分表、千分表或者雙頻激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量。在使用分度表進(jìn)行偏差測(cè)量時(shí)，應(yīng)注意不要將表?xiàng)U設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，以防止在測(cè)量過(guò)程中分度表出現(xiàn)位移，使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。許多國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不具備誤差補(bǔ)償功能，對(duì)于這類機(jī)床，可采用單向位置編程的方式進(jìn)行反向誤差的清除。將機(jī)械模塊固定，將低速單向位置固定在起始點(diǎn)，并進(jìn)行插補(bǔ)加工。在插補(bǔ)過(guò)程中遇到反向誤差時(shí)，給出反向間隙值，然后再次進(jìn)行插補(bǔ)。采用這種方法能夠提高插補(bǔ)作業(yè)的精度，降低加工零件的機(jī)械加工技術(shù)誤差。

3.2 減小溫度變形

溫度變形是機(jī)械加工工藝技術(shù)誤差的主要因素之一。在精密零件與大型器件的加工中，由溫度變形導(dǎo)致的零件加工誤差一般大于加工總誤差的40%。引起溫度變形的原因主要包括切削、摩擦等熱傳導(dǎo)操作引起的內(nèi)部溫度升高，和熱對(duì)流、熱輻射等外源熱量引起的外部溫度升高。為減小機(jī)械加工工藝中的溫度變形，應(yīng)從問(wèn)題的根源上尋找突破點(diǎn)。首先，可以考慮通過(guò)減少熱源發(fā)熱或?qū)嵩催M(jìn)行隔離的方式阻礙零件加工過(guò)程受到溫度影響。為了減少切削熱，可以適當(dāng)降低切削工作的時(shí)間與次數(shù)。在進(jìn)行粗加工后，應(yīng)該將零件夾具松開(kāi)，待零件完全冷卻后再夾緊，繼續(xù)進(jìn)行下一步的精密加工，以盡量降低粗加工帶來(lái)的溫度升高對(duì)零件精度的影響。也可以通過(guò)將加工系統(tǒng)部件進(jìn)行分類的方法，將熱源進(jìn)行分離。電機(jī)、冷卻系統(tǒng)、變速箱等部分可以從機(jī)床分離，而難以分離的軸承、導(dǎo)軌等可以通過(guò)潤(rùn)滑等方式降低其摩擦系數(shù)，減少加工過(guò)程中的發(fā)熱。當(dāng)熱源既難以分離，又難以進(jìn)行隔熱操作時(shí)，可以采用設(shè)置水冷或風(fēng)冷等裝置對(duì)熱源進(jìn)行冷卻。例如，切削液、潤(rùn)滑油等液體可以使用冷機(jī)進(jìn)行冷卻，而絲桿可以使用冷卻液來(lái)進(jìn)行降溫。其次，可以通過(guò)加速機(jī)床達(dá)到熱平衡狀態(tài)的方式來(lái)減少溫度變形對(duì)零件精度的影響，具體操作方式包括在進(jìn)行零件加工前使機(jī)床空轉(zhuǎn)，以及使用可控?zé)嵩催M(jìn)行人為加熱，以使機(jī)床快速達(dá)到熱平衡。對(duì)于精度要求極高的機(jī)床，還應(yīng)對(duì)環(huán)境室溫進(jìn)行控制，保持加工車間溫度恒定，以減少環(huán)境熱對(duì)流。

3.3 落實(shí)機(jī)械加工原則

在機(jī)械加工的過(guò)程中，為從操作標(biāo)準(zhǔn)的角度進(jìn)一步提升零件加工精度，應(yīng)遵循五大原則。首先，應(yīng)該確定加工的基準(zhǔn)面。其次，對(duì)于需要進(jìn)行平面加工和鉆孔操作的工件，應(yīng)該遵循“先平面再鉆孔”的原則。再次，在加工工藝的設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)加工階段進(jìn)行劃分，粗加工與細(xì)加工分離。然后，應(yīng)該提高設(shè)備精度，在設(shè)備出現(xiàn)難以通過(guò)維修或更換零部件來(lái)解決的誤差問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行更換或更新。在工作中應(yīng)該盡量選用精度較高的機(jī)床，并且定時(shí)對(duì)夾具、量具等部件進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行定時(shí)維護(hù)包養(yǎng)。最后，應(yīng)該著力于提高操作人員的技術(shù)水平，避免不規(guī)范操作導(dǎo)致的人為誤差。綜合以上五點(diǎn)機(jī)械加工原則，可以看出，科學(xué)地制定包含各類設(shè)備與工序操作規(guī)范、設(shè)備維修與維護(hù)安排、員工培訓(xùn)與考察計(jì)劃等內(nèi)容的企業(yè)綜合規(guī)章制度能夠從內(nèi)因角度對(duì)產(chǎn)品誤差進(jìn)行降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于機(jī)械加工企業(yè)而言，產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)的立身之本。要保證產(chǎn)品的質(zhì)量，不僅需要從設(shè)備層面對(duì)機(jī)床進(jìn)行定期檢查、維修、養(yǎng)護(hù)、更換，與熱源部件的隔熱降溫處理，還可以從技術(shù)層面入手，采用誤差補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)生產(chǎn)誤差進(jìn)行降低。此外，還要加強(qiáng)對(duì)操作人員的操作規(guī)范培訓(xùn)，三管齊下，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝技術(shù)誤差的有效降低。