車削加工中的常見問題與誤差分析

鄒錫雄

摘 要：本文對車削加工過程中影響工件加工質(zhì)量的多種因素和常見問題進行探討，分析車削工藝如何減少各種因素對加工精度的影響，對影響車削加工精度的因素進行誤差分析使工件的加工達到質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞：車削加工 加工精度 誤差分析 加工質(zhì)量

中圖分類號：TG5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0123-02

在車床加工零件的車削過程中，影響工件加工質(zhì)量的因素是多方面的，由于車床的運動部件是機械性的，在傳動的過程中，可能會發(fā)生誤差，再加上車刀刀尖是一段圓弧，而不是真正的點，存在各種誤差因素影響車削加工精度。因此，需要針對車削加工中的常見問題和誤差因素進行分析，并提出解決車削加工中常見問題的一般措施，減少或消除誤差使工件的加工達到質(zhì)量要求。按產(chǎn)生誤差的原因分類，造成車削加工的誤差類型主要有：系統(tǒng)工藝誤差（如：系統(tǒng)幾何誤差、系統(tǒng)受力變形誤差、系統(tǒng)受熱變形誤差、車床調(diào)整誤差、車床本身精度導(dǎo)致的誤差等）和切削加工誤差（如：刀具角度誤差和刀具磨損產(chǎn)生的誤差）兩大類。本文將根據(jù)各種誤差產(chǎn)生的原因進行分析，拋磚引玉供廣大同行交流。

1 車削加工中的常見問題及原因

以臥式車床為例，車削加工中的常見問題是：工件的圓度、圓柱度超差；錐度和尺寸超差；端面垂直度和平面度超差；表面粗糙度太大；出現(xiàn)混亂波紋或重復(fù)出現(xiàn)定距波紋。這些常見問題的產(chǎn)生原因主要有如下各種因素。

1.1 圓度超差的原因一般是

（1）卡盤法蘭與主軸配合螺紋松動或卡盤定位面松動；（2）工件孔壁較薄，裝夾變形；（3）主軸軸承間隙大，主軸軸套外徑與箱體孔配合間隙大，或主軸頸圓度超差。

2.2 圓柱度超差的因素

主要有八個方面：（1）坯料彎曲。（2）前后面頂尖不等高或中心偏移。（3）頂尖頂緊力不當。（4）車床主軸軸線與床身導(dǎo)軌面在水平面內(nèi)不平行。（5）刀尖離跟刀架支承處距離過大。（6）工件裝夾剛度不夠。（7）刀具在一次進給中磨損或刀桿過細，造成讓刀（對孔）。（8）由車削應(yīng)力和車削熱產(chǎn)生變形。

1.3 錐度和尺寸超差的主要原因

（1）車刀刀尖與工件軸線沒對準。（2）刀架轉(zhuǎn)角或尾座偏移有誤差。

1.4 表面粗糙度太大

往往是如下三方面的原因：（1）潤滑不良，切削液過濾不好或選用不當。（2）工件金相組織不好。（3）刀具刃磨不良或刀尖高于工件軸線。

1.5 端面垂直度和平面度超差

與兩個因素有關(guān)：（1）主軸軸向竄動。（2）大滑板上下導(dǎo)軌不垂直而引起端面凹凸。

1.6 出現(xiàn)混亂波紋現(xiàn)象的產(chǎn)生

原因是：（1）主軸軸向竄動大或主軸軸承磨損嚴重。（2）卡盤法蘭與主軸配合松動，方刀架底面與刀架滑板接觸不良，中、小滑板間隙過大。

1.7 重復(fù)出現(xiàn)定距波紋

一般是由三個原因造成：（1）進給系統(tǒng)傳動齒輪嚙合間隙不正?；驌p壞。（2）大滑板縱向兩側(cè)壓板與床身導(dǎo)軌間隙過大。（3）光杠彎曲，支承光杠的孔與光杠的同軸度超差或杠與床身導(dǎo)軌不平行。

2 影響車削加工精度的主要因素

通常影響工件車削加工精度的主要因素有如下三種情形。

2.1 加工系統(tǒng)剛度變化引起誤差

加工系統(tǒng)的剛度隨受力點位置的變化而變化，例如：用三爪卡盤夾緊工件車削外圓的加工，隨懸臂長度的增加剛度將越來越小，導(dǎo)致車出的外圓將呈錐形。在工件的裝夾過程中，如果夾緊力的方向和施力點選擇不當或工件剛度較低，將會造成工件變形，產(chǎn)生相應(yīng)的加工誤差。另一方面，切削過程中，加工系統(tǒng)的剛度隨著切削力施力點位置的改變而變化，引起加工系統(tǒng)的變形也會使零件造成加工誤差。

2.2 加工系統(tǒng)受力變形產(chǎn)生誤差

車削加工系統(tǒng)產(chǎn)生的變形會導(dǎo)致工件和刀具之間的相對位置發(fā)生變化從而使工件的加工精度降低，由于工件、夾具、車床、刀具所組成的加工系統(tǒng)是一個彈性系統(tǒng)，在加工過程中受到傳動力、切削力、夾緊力、慣性力以及重力等的作用，必然發(fā)生彈性變形，從而破壞工件與刀具之間的相對位置導(dǎo)致加工誤差。例如車削細長軸時，在切削力的作用下，工件因彈性變形而出現(xiàn)“讓刀”現(xiàn)象。隨著刀具的進給，在工件的全長上切削深度將會由多變少，然后再由少變多，結(jié)果使零件產(chǎn)生腰鼓形。如果在兩頂尖間車削粗而短的光軸時，由于工件剛度較大，在切削力作用下的變形相對車床、夾具和刀具的變形要小得多，故可忽略不計。此時，工藝系統(tǒng)的總變形完全取決于車床床頭、尾架（包括頂尖）和刀架（包括刀具）的變形，工件產(chǎn)生的誤差為雙曲線圓柱度誤差。在兩頂尖間車削細長軸時，由于工件細長，剛度小，在切削力作用下，其變形大大超過車床夾具和刀具的受力變形。因此，車床、夾具和刀具的受力變形可略去不計，此時，工藝系的變形完全取決于工件的變形，工件產(chǎn)生腰鼓形圓柱度誤差。

2.3 加工系統(tǒng)受熱變形產(chǎn)生誤差

熱變形影響加工精度比較大，特別是在大件加工和精密加工中，由于熱變形所導(dǎo)致的加工誤差甚至可占工件總誤差的一半左右。工件、刀具和車床受到各種熱源的作用，溫度會慢慢升高，同時這些金屬也通過各種散熱方式向周圍的空間和物體傳熱。例如：死頂尖裝夾工件時，熱變形將造成工件彎曲。當車床受熱不均時，造成車床部件產(chǎn)生變形。例如：車床主軸前、后端受熱不均，將造成主軸抬高并傾斜。刀具受熱以后，引起刀具熱伸長，刀尖位置發(fā)生變化，因而影響加工誤差。

3 車削加工中的誤差成因分析

3.1 車削加工過程中引起的誤差成因

3.1.1 近似加工原理造成的誤差

由于采用近似的刀具輪廓或近似的加工運動而造成加工誤差，例如：蝸桿車削加工時，由于蝸桿螺距Pg=πm，而π=3.1415926…，是無理數(shù)，所以螺距值只能用近似值代替。因而，刀具與工件之間的螺旋軌跡是近似的加工運動。

3.1.2 刀具角度產(chǎn)生誤差

刀具角度對切削加工的影響很大，刀具角度要根據(jù)其本身材料，結(jié)合工件材料和加工性質(zhì)等多方面綜合選擇。刀具角度的改變對切削刃口的鋒利程度，切削力的大小，切削深度和切屑變形的大小以及表面粗糙度的優(yōu)劣都有比較明顯的影響，對刀尖強度和散熱性能的影響也較突出。然而，其對尺寸精度的影響是比較隱蔽的，如刀具磨損產(chǎn)生尺寸誤差和刀尖是否對準車床的回轉(zhuǎn)中心，都會對加工零件的尺寸和表面粗糙度有較大影響。

3.1.3 刀尖圓弧引起誤差

在車削工件過程中，為了降低被加工工件表面的粗糙度，減緩刀具磨損，提高刀具壽命，通常將車刀刀尖刃磨成圓弧，圓弧半徑一般在0.4～1.6 mm之間。如圖1所示，采用試切法對刀時由A、B兩點分別確定刀架中心的X、Z位置。這樣，加工程序所描述的刀位點是P點，數(shù)控系統(tǒng)將控制P點的運動軌跡，而在切削時實際起作用的切削刃則是刀尖圓弧上的各切點，這樣勢必會產(chǎn)生加工表面的形狀誤差。在車削外圓、內(nèi)孔及端面時，這個誤差為零。而在加工弧面和錐面時，這個誤差就很明顯。零件SR10球面加工的誤差分析見圖1所示。圖中M線為加工程序所描述的P點軌跡，即工件的理想尺寸，而實際加工后的輪廓是N線，陰影就是少切削部分，即加工誤差。假設(shè)刀尖圓弧半徑為r=0.4 mm，理論分析表明，N線是半徑為R-r=9.6的圓弧，M、N兩圓弧圓心X、Z向均相距r=0.4 mm，最大誤差約為0.17 mm，不滿足精度要求。

3.2 加工工藝系統(tǒng)誤差

加工工藝系統(tǒng)中的各組成部分，包括刀具、夾具、車床的構(gòu)造誤差、裝配安裝誤差、使用過程中的磨損都直接或間接影響工件的加工精度。在車削加工過程中工藝系統(tǒng)會產(chǎn)生各種誤差，從而改變刀具和工件在切削運動過程中的相互位置關(guān)系而影響零件的加工精度。這些誤差與工藝系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和切削過程有關(guān)。

3.2.1 刀具誤差

刀具引起的誤差對工件加工精度的影響因刀具種類而不同。刀具制造的誤差、裝夾的誤差以及使用中的磨損，都影響工件的加工誤差。刀具在切削過程中，刀面、切削刃與工件、切屑產(chǎn)生強烈摩擦致使刀具磨損，直接影響切削生產(chǎn)率、加工質(zhì)量和成本。當?shù)毒吣p到一定值時會導(dǎo)致加工工件的表面粗糙度增加。

3.2.2 夾具引起的誤差

夾具引起的誤差包括定位誤差、夾具安裝誤差、夾緊誤差及對刀誤差等，這些誤差主要與夾具的制造精度和裝配誤差有關(guān)。夾具的作用是使工件相對于車床和刀具具有正確的位置，因此夾具的制造精度對工件的加工誤差有很大影響。工件在夾具中的位置是以其定位基準面與定位元件相配合來確定的。然而，由于定位基面、定位元件工作表面的制造誤差，會使各工件在夾具中的實際位置不相一致。加工后，各工件的加工尺寸必然大小不一，形成誤差。這種由于工件在夾具上定位不準而造成的加工誤差稱為定位誤差。其產(chǎn)生的原因是工件的制造誤差和定位元件的制造誤差，兩者的配合間隙及工序基準與定位基準不重合等。

3.2.3 車床系統(tǒng)引起的誤差

車削加工中工件相對于刀具的成形運動大都是通過車床系統(tǒng)完成的，車床的制造精度、安裝精度以及使用中的磨損，都直接或間接影響工件的加工誤差。因此，工件的加工精度在很大程度上取決于車床的精度，車床的磨損將使車床工作精度下降。車床系統(tǒng)精度對工件加工誤差影響較大的有：主軸旋轉(zhuǎn)精度、導(dǎo)軌精度和傳動鏈精度。

（1）導(dǎo)軌精度—— 導(dǎo)軌是車床上確定各部件相對位置的基準，也是車削加工的基準。除了導(dǎo)軌本身的制造精度外，導(dǎo)軌磨損也是車床精度下降的主要原因之一。導(dǎo)軌的不均勻磨損和裝配質(zhì)量是導(dǎo)致導(dǎo)軌誤差的重要因素。

（2）主軸旋轉(zhuǎn)精度—— 車床主軸是裝夾刀具或工件的基準，并且將動力和運動傳給刀具或工件，主軸旋轉(zhuǎn)精度直接影響被加工零件的誤差。主軸旋轉(zhuǎn)精度是主軸運動的實際旋轉(zhuǎn)軸線相對于平均旋轉(zhuǎn)軸線的變化量。它可分解為圓跳動（影響工件圓度）、軸方向波動（影響軸方向尺寸，加工螺紋時影響螺距值）和角度撓動（影響圓柱度）三種基本形式。產(chǎn)生主軸徑向旋轉(zhuǎn)誤差的主要原因有：主軸各段軸頸的同軸度偏差、軸承自身的各種偏差、軸承之間的同軸度偏差等。

（3）傳動鏈精度—— 是傳動鏈始末兩端傳動元件間相對運動的精度，精度越低造成的誤差越大，一般用傳動鏈末端元件的轉(zhuǎn)角誤差來衡量。

4 解決車削加工中常見問題的一般措施

以臥式車床為例，解決車削加工中常見問題的一般措施和方法列表如表1。

5 結(jié)語

綜上所述，車削加工過程中影響工件加工質(zhì)量的因素是多方面的，只要對車削工藝進行細致的誤差分析，就能掌握誤差原因?qū)庸ぞ鹊挠绊?；采取適當?shù)慕鉀Q措施避免常見問題的出現(xiàn)，減少或消除誤差使工件的加工達到質(zhì)量要求。

參考文獻

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