機(jī)械加工原始誤差分析與控制措施

劉學(xué)杰　王進(jìn)　田玉艷

摘 要：文章列舉了加工過(guò)程中影響機(jī)械加工精度的各種原始誤差，然后對(duì)這些原始誤差進(jìn)行逐一詳盡分析，深入剖析其存的主要原因，并針對(duì)這些原因提出了相應(yīng)的措施，再重點(diǎn)介紹兩種在現(xiàn)代加工中心應(yīng)用較多的誤差補(bǔ)償措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工精度；原始誤差；誤差補(bǔ)償

1 概述

零件加工完成后其幾何參數(shù)與理想零件的幾何參數(shù)之間總是存在的不可避免的偏差稱之為加工誤差[1]。我們研究原始誤差的目的在于揭示其在零件加工過(guò)程中產(chǎn)生的原因以便采取相對(duì)應(yīng)的措施來(lái)減少誤差，最終達(dá)到提高零件的加工精度的目的。我們將在加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的原始誤差逐一列出，如圖1所示。

文章對(duì)各原始誤差進(jìn)行深入分析，并采取相應(yīng)的措施以降低加工誤差。

2 傳統(tǒng)控制機(jī)械加工原始誤差的措施

對(duì)于正在加工的零件而言，原始誤差可能在加工前已經(jīng)存在，如原理誤差、工藝裝夾誤差、機(jī)床誤差及調(diào)整誤差等，也有可能是隨著加工的進(jìn)行而出現(xiàn)的，如刀具磨損、工藝系統(tǒng)受熱變形等。前者可以采取重新選擇加工方法或調(diào)整機(jī)床的措施；后者則要對(duì)其產(chǎn)生的原因及變化規(guī)律進(jìn)行探究，再采取相應(yīng)的工藝措施消除其影響。此外，各種加工誤差往往不是孤立存在的，它們之間是相互依賴相互影響的。在某一特定條件下，可能有某一種或幾種原始誤差起主導(dǎo)作用，我們可以通過(guò)分析確定這些起主導(dǎo)作用的誤差，然后采取相應(yīng)的措施。

下面對(duì)各種加工誤差進(jìn)行分析。

2.1 原理誤差

由于采用了近似的加工運(yùn)動(dòng)或者近似的刀具輪廓而產(chǎn)生的誤差，一般出現(xiàn)在加工精度要求不高、成本低廉的零件中或因加工條件限制必須用近似加工的零件中，這類零件的使用要求一般不高，所以降低零件的原理誤差一般意義不大。

2.2 零件裝夾誤差

在零件裝夾至機(jī)床或加工中心上時(shí)，由于受到夾具的夾緊力而產(chǎn)生了一個(gè)預(yù)變形，這個(gè)預(yù)變形量即為裝夾誤差。機(jī)床夾具定位元件本身存在加工誤差，這也會(huì)使得零件在裝夾時(shí)產(chǎn)生誤差。零件裝夾誤差在進(jìn)行薄壁零件加工時(shí)是不可忽略的主要因素，大多采用多點(diǎn)裝夾或合理安排加工工序，盡量一次裝夾多次加工來(lái)減少裝夾誤差。在數(shù)控機(jī)床上還可利用數(shù)控程序測(cè)量、計(jì)算和補(bǔ)償工件裝夾的定位方法，來(lái)降低對(duì)工件裝夾的要求[2]。

2.3 機(jī)床誤差

主要是指機(jī)床工作中由于主軸回轉(zhuǎn)、導(dǎo)軌和傳動(dòng)鏈等引起的誤差?？梢圆扇「鼡Q滾動(dòng)軸承，調(diào)整軸承間隙，換用高精度的靜壓軸承的方式恢復(fù)及提高主軸回轉(zhuǎn)精度。導(dǎo)軌和傳動(dòng)鏈誤差屬于“硬傷”，只能在機(jī)床使用過(guò)程中多加留心、及時(shí)檢測(cè)、對(duì)于機(jī)床硬件定期保養(yǎng)等措施來(lái)推遲這類誤差的出現(xiàn)。

2.4 刀具誤差

是指在進(jìn)行切削過(guò)程中由于刀具受損而引起的加工誤差?？梢圆扇∫欢ù胧﹣?lái)減少刀具誤差的影響，如正確選用刀具材料和選用新型耐磨材料的刀具，選擇合適的刀具幾何參數(shù)和切削用量，合理安排加工工序，采用冷卻液等。盡量使刀具少加工零件斷面以減少瞬間沖擊磨損，避免使用易對(duì)刀具產(chǎn)生沖擊的單刃刀具等，都能最大限度地減少刀具磨損。

2.5 度量誤差

零件在加工時(shí)、加工后進(jìn)行度量產(chǎn)生的誤差即為度量誤差。在平時(shí)對(duì)量具進(jìn)行定期鑒定并注意保養(yǎng)，進(jìn)行零件測(cè)量時(shí)選用合適的量具，測(cè)量方法正確避免視差及讀數(shù)錯(cuò)誤，對(duì)于零件的關(guān)鍵尺寸采取多人測(cè)量等措施均可減少度量誤差。

2.6 工藝系統(tǒng)的受力變形產(chǎn)生的誤差

工藝系統(tǒng)在零件加工的過(guò)程中，由于受到外力作用而產(chǎn)生變形，破壞已經(jīng)調(diào)整好的刀具與零件之間的相對(duì)位置和機(jī)床預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律而使零件產(chǎn)生了誤差，這個(gè)誤差就叫工藝系統(tǒng)的受力變形產(chǎn)生的誤差。采取的措施有在加工準(zhǔn)備階段采用減少刀具、工件的懸伸長(zhǎng)度或進(jìn)行有效的輔助支承以提高其剛度，減少產(chǎn)生變形的切削力；安排工序順序時(shí)，盡可能不要加工斷續(xù)表面；調(diào)整機(jī)床，提高剛度等。

2.7 工藝系統(tǒng)的受熱變形產(chǎn)生的誤差

機(jī)床和夾具在加工零件的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，零件、刀具在切削過(guò)程中產(chǎn)生切削熱，它們之間相互傳遞，這樣工藝系統(tǒng)會(huì)因各系統(tǒng)的熱變形不同而引起其相對(duì)位置變化，從而引起加工誤差。減少工藝系統(tǒng)受熱變形誤差的措施有采用壓縮空氣或大流量的切削液、預(yù)熱機(jī)床在熱平衡狀態(tài)下進(jìn)行加工、在恒溫室中加工等。

2.8 內(nèi)應(yīng)力變形誤差

內(nèi)應(yīng)力變形誤差是指零件殘余應(yīng)力引起的誤差?？梢圆扇「邷貢r(shí)效、低溫時(shí)效、振動(dòng)去應(yīng)力、粗精階段分加工、熱校直等措施來(lái)減少內(nèi)應(yīng)力變形誤差。

2.9 調(diào)整誤差

工藝系統(tǒng)中的調(diào)整包括機(jī)床調(diào)整、夾具調(diào)整、刀具調(diào)整等。由于調(diào)整不可能絕對(duì)準(zhǔn)確，也就帶來(lái)不同程度的調(diào)整誤差。減少這類誤差的措施有：合理安排粗精加工工序；零件進(jìn)入精加工工序后減少零件裝夾次數(shù)等。

除了這些控制誤差措施外，通常還還會(huì)用到分化或均化原始誤差、轉(zhuǎn)移原始誤差等方法來(lái)對(duì)加工誤差進(jìn)行控制。

3 機(jī)械加工誤差補(bǔ)償措施

影響零件加工精度的原始誤差很多，為了達(dá)到控制其加工精度的目的，需要針對(duì)零件的特征及加工方法，找出影響加工精度的主要因素，才能采取針對(duì)性措施。但影響零件加工誤差的因素太多了，找到主要的影響因素并不容易。其實(shí)無(wú)論哪種原始誤差影響最大，最終體現(xiàn)在零件上的就是零件超差，亦即原始誤差是“因”；加工誤差 是“果”。我們可以不理“因”，直接對(duì)“果”采取措施，使其滿足零件的價(jià)格精度要求。這就是隨著大型加工中心及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而興起的一種新的提高加工精度的措施——誤差補(bǔ)償。

所謂誤差補(bǔ)償就是人為地制造出一種新的誤差，通過(guò)移動(dòng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)副以使刀具和工件在機(jī)床空間誤差的逆方向上產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以此抵消原來(lái)工藝系統(tǒng)中固有的原始誤差，達(dá)到減少加工誤差，提高零件加工精度的目的。這個(gè)新的誤差即為補(bǔ)償值，補(bǔ)償值的獲取主要有兩種方式：通過(guò)模型仿真預(yù)測(cè)或在線檢測(cè)。模型仿真包括數(shù)控加工中心的空間誤差模型和零件切削誤差模型。數(shù)控加工中心的空間誤差模型是指在加工空間里刀具相對(duì)工件的總誤差與加工中心各組件運(yùn)動(dòng)誤差隨刀具位置的函數(shù)[3]，把數(shù)控加工中心的切削運(yùn)動(dòng)看作空間兩組剛體的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和齊次坐標(biāo)變換技術(shù)建立多軸數(shù)控加工中心空間誤差的通用模型，把加工中心刀具相對(duì)工件的終端誤差表示為各個(gè)誤差源和刀具位置的函數(shù)。零件切削誤差模型是通過(guò)切削試驗(yàn)結(jié)合軟件建模分析實(shí)現(xiàn)的。首先通過(guò)多組切削試驗(yàn)建立某種金屬的切削力模型，再通過(guò)向仿真模型添加初始應(yīng)力場(chǎng)、對(duì)節(jié)點(diǎn)施加切削力、控制走刀路徑對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)零件的誤差變形。

在線檢測(cè)誤差補(bǔ)償是指在零件加工過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出零件尺寸誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)加工尺寸誤差補(bǔ)償[4]。目前我國(guó)的在線檢測(cè)大多是采用間接在機(jī)檢測(cè)零件尺寸的方法，即停止切削加工，工件保持裝夾狀態(tài)，利用安裝在數(shù)控機(jī)床上的測(cè)頭對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，再將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳給外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行尺寸計(jì)算和誤差分析，依據(jù)分析結(jié)果將相應(yīng)的補(bǔ)償值輸入數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)。這種方法將機(jī)床與測(cè)量?jī)x器有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，機(jī)床既作為加工設(shè)備，又作為測(cè)量設(shè)備，以機(jī)床的精度作為在機(jī)測(cè)量的精度基礎(chǔ)，避免了加工與測(cè)量的基準(zhǔn)不統(tǒng)一的誤差。還可以通過(guò)開(kāi)發(fā)必要的測(cè)量程序和測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件， 直觀顯示測(cè)量結(jié)果，按測(cè)量結(jié)果直接補(bǔ)償。不過(guò)目前大多數(shù)的數(shù)控機(jī)床自身的控制系統(tǒng)不具備測(cè)量數(shù)據(jù)分析功能。一般的檢查數(shù)據(jù)處理方式是將數(shù)據(jù)輸出至外部計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前零件的加工精度要求越來(lái)越高，采取合理措施減少或消除相關(guān)影響機(jī)械加工精度的原始誤差因素很有必要，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，誤差的識(shí)別與控制技術(shù)發(fā)展較快，這使得誤差控制措施更加經(jīng)濟(jì)完善。很多學(xué)者專家對(duì)從事誤差仿真預(yù)測(cè)及及檢測(cè)技術(shù)課題研究取得了重大突破， 相信在不久的將來(lái)，誤差補(bǔ)償技術(shù)一定會(huì)成為一種比較常用的誤差控制措施。

參考文獻(xiàn)

[1]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M]，北京：清華大學(xué)出版社，1989.

[2]賈作森.裝夾定位誤差的補(bǔ)償方法[J].制造技術(shù)與機(jī)床，1995，10：14-16.

[3]張虎，周云飛.數(shù)控加工中心誤差G代碼補(bǔ)償技術(shù)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，30（2）：13-16.

[4]劉剛軍，劉黎.加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2009，156（5）：110-113.

作者簡(jiǎn)介：劉學(xué)杰（1982-），男，工程師，碩士研究生，從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究等。