機(jī)械加工精度的影響因素與控制探究

陳斌

福建建筑學(xué)校，福建福州，350002

0 引言

機(jī)械加工作為國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，在很大程度上取決于國(guó)家制造工業(yè)水平。而長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的機(jī)械制造以中低端產(chǎn)品為主，產(chǎn)品生產(chǎn)精度與國(guó)外還存在較大差距。國(guó)內(nèi)部分用戶寧愿放棄價(jià)格低的國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床，也要選擇價(jià)格昂貴、性能和可靠性更高的國(guó)外數(shù)控機(jī)床，國(guó)內(nèi)超過(guò)90%的高檔數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床依賴于進(jìn)口。

機(jī)械生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床由若干個(gè)功能部件組成，機(jī)械加工過(guò)程中不同部件的性能、加工環(huán)境、施工人員等多個(gè)因素都參與其中，為此，影響機(jī)械加工精度的因素涵蓋技術(shù)因素、環(huán)境印象、人為因素等，不同因素單獨(dú)或一起作用，影響整個(gè)機(jī)械加工的精度，為此，本文結(jié)合多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)籌影響機(jī)械生產(chǎn)加工的多個(gè)因素，分析提升機(jī)械加工精度的有效措施，為不斷提升國(guó)內(nèi)機(jī)械加工生產(chǎn)效益提供理論基礎(chǔ)[1]。

1 機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展

1.1 微型機(jī)械加工技術(shù)

電子科技的蓬勃發(fā)展，極大地促進(jìn)了微加工技術(shù)的發(fā)展，納米生產(chǎn)技術(shù)的出現(xiàn)，促使微型機(jī)械加工技術(shù)誕生，甚至出現(xiàn)了納米級(jí)加工技術(shù)。在實(shí)際的生產(chǎn)加工過(guò)程中，微型加工技術(shù)需要在相對(duì)狹小的空間內(nèi)完成，以此確保加工件的精度。此技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天制造、醫(yī)療器械生產(chǎn)、精密儀器生產(chǎn)等，除此之外，微生產(chǎn)技術(shù)對(duì)納米生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)意義重大。

1.2 快速成型技術(shù)

快速成型技術(shù)始于20世紀(jì)，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，首先利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行建模，而后采用澆塑技術(shù)快速成型制成樣品。模型是快速成型技術(shù)快速生產(chǎn)的基礎(chǔ)，另外隨著科技的不斷發(fā)展，CNC技術(shù)、人工智能、激光技術(shù)等的不斷涌現(xiàn)，快速成型技術(shù)工藝不斷優(yōu)化，其生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，在我國(guó)機(jī)械加工技術(shù)中所占的地位日漸突出，廣泛應(yīng)用于重要零部件的生產(chǎn)加工[2]。

1.3 超精密加工技術(shù)

超精密加工技術(shù)不僅是現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)的重要組成部分，還是評(píng)價(jià)機(jī)械加工技術(shù)的重要手段和方法，尤其是在科技信息不斷發(fā)展的當(dāng)下，加工技術(shù)的不斷提升，對(duì)技術(shù)生產(chǎn)也提出了更高要求，也因?yàn)檫@樣，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，必須注重加工精度。

2 加工精度

加工精度是指實(shí)際生產(chǎn)的部件的物理參數(shù)與理想值之間的符合程度，常用加工誤差來(lái)反映實(shí)際加工部件和理想部件之間的偏離程度，一般來(lái)說(shuō)，加工精度包含三個(gè)方面內(nèi)容：①尺寸精度要求實(shí)際加工部件尺寸與標(biāo)準(zhǔn)部件之間的尺寸不得超過(guò)一定的范圍；②幾何精度要求部件表面的宏觀幾何形成應(yīng)滿足要求；③相互位置參數(shù)要求部件表面結(jié)構(gòu)位置正確。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)遇到各種困難及其生產(chǎn)技術(shù)、條件方面的問(wèn)題，使得機(jī)械加工的尺寸、形狀、表面結(jié)構(gòu)位置不會(huì)完全一致，總是出現(xiàn)這樣或那樣的誤差，在滿足公差范圍要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能地采取合理的手段提高精度，以此不斷提高生產(chǎn)效率[3]。

3 影響機(jī)械加工精度的因素

3.1 加工工藝因素

為了達(dá)到預(yù)想的加工表面，刀具、工件之間需要達(dá)到精準(zhǔn)的成形運(yùn)動(dòng)，理論上存在完美的成形運(yùn)動(dòng)，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，完美的成形運(yùn)動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)，時(shí)常出現(xiàn)加工效率低下，再加上機(jī)床、刀具等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)加工難度較大，在多個(gè)結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)存在的情況下，很容易導(dǎo)致機(jī)床傳動(dòng)誤差。

3.2 系統(tǒng)內(nèi)部因素

系統(tǒng)內(nèi)部作為影響機(jī)械加工的主要因素，也是機(jī)械加工生產(chǎn)中難以避免的影響因素。在實(shí)際的機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程中，幾何誤差過(guò)大直接導(dǎo)致后續(xù)加工精度誤差。為此，示教過(guò)程的相關(guān)程序?qū)C(jī)械設(shè)備的搬運(yùn)要求很高，而設(shè)備的相關(guān)程序又會(huì)影響其加工精度。通常說(shuō)，部件加工都會(huì)用到聯(lián)軸器，以達(dá)到相關(guān)的精度標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)偏差，也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備加工精度偏差，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中損耗也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備精度受影響[4]。

在部件加緊過(guò)程中，部件受夾而變形，尤其是針對(duì)薄壁部件的加工，勢(shì)必產(chǎn)生較大的變形，嚴(yán)重的變形勢(shì)必影響其精度。通常來(lái)說(shuō)，受夾導(dǎo)致的變形與夾持方式、方向、夾持力密切相關(guān)。與此同時(shí)，在部件加工過(guò)程中，存在很多不確定的非均勻分布的應(yīng)力，亦或加工件本身非均勻應(yīng)力的存在，導(dǎo)致加工過(guò)程中出現(xiàn)變形，導(dǎo)致此類精度偏差，與材料的制備、成型有一定關(guān)系，材料均勻度越差，應(yīng)力變形越嚴(yán)重。此外，加工過(guò)程中刀變形也會(huì)影響加工件精度，如果加工件剛度欠缺或剛性分布不均，夾具減震輔助支點(diǎn)不足，很容易導(dǎo)致加工件刀具變形，通常而言與切削力、切削余量、走刀速率密切相關(guān)。

3.3 系統(tǒng)外因素

系統(tǒng)外因素影響部件加工精度的同時(shí)，不利于系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的正常工作，縮短機(jī)械設(shè)備的使用壽命。其中影響部件加工精度的外部因素包括以下方面。首先機(jī)械設(shè)備擺放過(guò)于集中，影響操作，在正常的操作過(guò)程中，各部件包括夾具、工具等工作負(fù)荷過(guò)大，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)致高壓部件移位甚至變形，影響部件精度；其次，在加工件的生產(chǎn)過(guò)程中，各部件都需要承受載荷，在一定程度上也會(huì)影響部件精度。與此同時(shí)，在日常的運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)部也需要承受巨大壓力，所加工部件需要承受一定的反作用力，除了上述作用力會(huì)影響加工件精度外，系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間的相互摩擦、零部件日常運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的磨損，也會(huì)影響加工件精度[5]。更為重要的是，大部分的機(jī)械設(shè)備的破壞，都是從零部件表面開(kāi)始的，產(chǎn)品的性能，特別是產(chǎn)品的耐久性，在一定程度上決定了零部件的表面質(zhì)量，正常使用的機(jī)器在持續(xù)的工作過(guò)程中，零部件的工作性能不斷下降，長(zhǎng)此以往導(dǎo)致無(wú)法正常使用，甚至造成損害，究其原因，一方面和設(shè)計(jì)強(qiáng)度不夠有關(guān)，另一方面和機(jī)械偶然的負(fù)荷過(guò)大有關(guān)，其多數(shù)原因是磨損或外界介質(zhì)腐蝕導(dǎo)致的，一般而言磨損或腐蝕多發(fā)生于零部件的外表面，或者從外表面開(kāi)始，為此，應(yīng)注重加工表面質(zhì)量，以此延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的可靠性和使用壽命。需要注意的是，隨著現(xiàn)代工藝的不斷提高，高溫條件下工作的情況越來(lái)越多，表面層任何的缺陷，不僅會(huì)影響機(jī)械設(shè)備的性能，而且會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，甚至應(yīng)力性腐蝕，由此加劇了零部件的失效，這一切都與加工表面質(zhì)量密切相關(guān)，為此應(yīng)注重表面質(zhì)量問(wèn)題。

3.4 熱變因素

在切削的過(guò)程中，在受到切削力及其切削熱的作用下，部件表面金屬物理特性、機(jī)械性能肯定會(huì)產(chǎn)生變化，其主要變化包括表面金屬顯微硬度的改變、金相的改變、殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。除了上述系統(tǒng)內(nèi)外因素會(huì)影響機(jī)械加工精度外，熱變因素也會(huì)影響機(jī)械加工精度[6]。一般而言，常見(jiàn)熱變因素包括刀具、工件、機(jī)床機(jī)構(gòu)三方面。首先，在系統(tǒng)部件的加工過(guò)程中，刀具受熱、切削，在不斷地切削過(guò)程中，刀具與工件之間由于摩擦力，產(chǎn)生熱變形，影響精度；其次，工件熱變化，在進(jìn)行較長(zhǎng)部件的切削過(guò)程中，工件表面溫度升高，在內(nèi)外溫度差的作用下，工件因此而變形，影響精度；最后機(jī)床本身發(fā)生熱變化，在部件加工過(guò)程中，機(jī)床受到內(nèi)外各種力的作用，溫度升高，機(jī)床內(nèi)部零件適用性降低，尤其是在高溫條件下，導(dǎo)致機(jī)車(chē)緊耦合零部件微小間隙，進(jìn)而影響精度。除此之外，機(jī)車(chē)工作過(guò)程中，整體發(fā)熱，也影響其性能，導(dǎo)致機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)速下降，影響整個(gè)加工的精度。

4 加工工件精度控制的方法

4.1 完善設(shè)備檢測(cè)編程系統(tǒng)

機(jī)械加工過(guò)程中，相關(guān)操作人員應(yīng)不斷深入研究，提升工藝，從細(xì)節(jié)入手，認(rèn)真分析機(jī)械零部件加工編程系統(tǒng)。機(jī)械零部件的加工不僅是門(mén)學(xué)科，更是一門(mén)技術(shù)。與此同時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)和管理人員一起，做好設(shè)備的質(zhì)量檢測(cè)，以及后續(xù)的養(yǎng)護(hù)管理工作，改進(jìn)機(jī)械設(shè)施設(shè)備，不斷優(yōu)化設(shè)施設(shè)備的編程系統(tǒng)。除此之外，加強(qiáng)機(jī)械零部件的監(jiān)督、管理，單純的技術(shù)研發(fā)難以真正提高加工件的精度，為此，在實(shí)際的部件加工過(guò)程中，要不斷地優(yōu)化工藝流程，科學(xué)地監(jiān)督管理。相關(guān)人員應(yīng)意識(shí)到科學(xué)監(jiān)管的重要性，采用科學(xué)合理的監(jiān)管措施，不僅優(yōu)化零部件生產(chǎn)程序，在零部件設(shè)計(jì)、加工、完成生產(chǎn)后，需要進(jìn)行相關(guān)的質(zhì)量監(jiān)控，各行政人員做好部件生產(chǎn)的全過(guò)程監(jiān)督[7]。

4.2 合理控制加工溫度

如前所述，部件生產(chǎn)過(guò)程中的熱變形對(duì)機(jī)械設(shè)備、部件精度都會(huì)產(chǎn)生影響。為此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格控制部件加工溫度，并優(yōu)化生產(chǎn)工藝，合理調(diào)控零部件溫度。與此同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，各部件所承受的溫度不同，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇高效、科學(xué)的技術(shù)手段，逐步完善機(jī)械設(shè)備問(wèn)題。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)逐漸地調(diào)整零部件加工溫度，不能驟升或驟降，防止溫度驟升或驟降而引發(fā)零部件表面的龜裂，一般而言，為防止化學(xué)性污染氣體的產(chǎn)生，常采用物理降溫的手段。除此之外，對(duì)精度要求較高的部件，不僅工藝要求較高，而且加工溫度高，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇不同的機(jī)械設(shè)備、零部件、工藝控制好部件溫度，其后，逐步調(diào)整加工件溫度，以此滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。

4.3 數(shù)控編碼控制

為防止數(shù)控編碼對(duì)加工部件精度的影響，首先，在進(jìn)刀、退刀編程中，由于刀具本身直徑的不斷變化及其機(jī)床速度的時(shí)刻變化，編程設(shè)定需要盡量遠(yuǎn)離圓弧。除此之外，為了不斷提升工件表面精度，有效延長(zhǎng)刀具的使用壽命，可選擇順銑工藝。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)沙子粘在工件表面，可利用逆銑工藝避免刀具因此而受損。對(duì)于其他的非金屬材料部件，尤其是纖維材料部件，選擇采用逆銑工藝，以此確保材料的完全切割，保證銑削精度。最后，在銑削路徑選擇方面，針對(duì)精度要求較低的部件位置，為縮短加工路徑，可以選擇銑孔加工，但會(huì)影響Y方向生產(chǎn)精度，不適用定位精度要求高的部件。此時(shí)，可先進(jìn)行銑削，雖然加工路徑變長(zhǎng)，但精度方面得到了有效控制。

4.4 夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)際的生產(chǎn)加工過(guò)程中，應(yīng)充分考慮部件所夾持部位的夾緊力，過(guò)大的夾緊力導(dǎo)致夾持部件出現(xiàn)大變形；但夾持力度不足，加工過(guò)程中很容易出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致加工過(guò)程中出現(xiàn)碰刀，甚至導(dǎo)致刀具、設(shè)備的損壞。為此，在實(shí)際生產(chǎn)加工前，可開(kāi)展3次的試作業(yè)過(guò)程，不斷改進(jìn)所設(shè)計(jì)的夾具，另外應(yīng)用三爪手進(jìn)行部件底部夾持時(shí)，夾持部位應(yīng)距離地面高度保持在5cm左右，頂部進(jìn)行夾持時(shí)，應(yīng)保證有3個(gè)活動(dòng)輔助支撐點(diǎn)，以此解決因夾緊力而導(dǎo)致的部件變形。除此之外，鑄造件生產(chǎn)加工過(guò)程中，對(duì)工件外形尺寸的一致性有一定要求，為此，可選擇裝夾定位手段進(jìn)行工件定位。實(shí)際的加工可分為粗車(chē)、精車(chē)兩種程序，粗車(chē)加工過(guò)程中，允許存在0.3～0.4mm范圍內(nèi)的余量，粗車(chē)加工完成后，為保證粗車(chē)加工后的部件內(nèi)部應(yīng)力的釋放，需常溫放置24h，而后進(jìn)行精車(chē)加工，需要注意的是，精車(chē)加工之前，可應(yīng)用百分表進(jìn)行定位，允許出現(xiàn)0.1mm以內(nèi)的偏差。

4.5 確定切削參數(shù)

表面加工過(guò)程中會(huì)留下切削層殘留，適當(dāng)?shù)亟档颓邢鬟^(guò)程中的給進(jìn)量、主偏角、加大圓弧半徑等，在一定程度上可降低殘留面層高。與此同時(shí)，適當(dāng)?shù)卦黾拥毒咔敖?，有助于降低切削時(shí)的塑變程度，此時(shí)可加入潤(rùn)滑油，提高刀具刃磨質(zhì)量，降低切削時(shí)的塑變，防止切削過(guò)程留下的刀瘤、鱗刺，降低切削表面的粗糙度[8]。粗加工過(guò)程中，允許的加工余量為3mm左右，有2次的進(jìn)給操作，首次操作過(guò)程中，設(shè)計(jì)切削深度為1.8mm，參數(shù)設(shè)計(jì)方面，主軸轉(zhuǎn)速200r/min，進(jìn)給量0.25mm/r。第二次參數(shù)設(shè)計(jì)，切削深度1.2mm，主軸轉(zhuǎn)速25r/min，進(jìn)給量0.3mm/r，此次粗加工允許的余量范圍0.3～0.4mm。精加工過(guò)程中進(jìn)行了2次進(jìn)給操作，第一次切削深度0.2～0.25mm，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到了250r/min，第二次進(jìn)給深度0.1mm，進(jìn)給量達(dá)到0.15mm/r，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為300r/min。

4.6 降低外力干擾

機(jī)械加工運(yùn)行過(guò)程中，零部件因受到設(shè)備擠壓、摩擦而變形，對(duì)加工件精度造成影響，為此在實(shí)際的機(jī)械加工過(guò)程中，需要進(jìn)行全面檢查，對(duì)固定部件各部分的松緊度進(jìn)行調(diào)整。與此同時(shí)，機(jī)械加工過(guò)程中的摩擦力是不可避免的，為降低摩擦力，需加強(qiáng)設(shè)備檢驗(yàn)，合理打磨設(shè)備表面，盡可能地減小零部件、設(shè)備接觸面之間的摩擦力。最后，要加強(qiáng)人才引進(jìn)，積極開(kāi)展企業(yè)技術(shù)培訓(xùn)活動(dòng)，加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)人才培訓(xùn)，提高機(jī)械加工精度、效率，注重專業(yè)人才的培養(yǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際的工件加工生產(chǎn)過(guò)程中，影響機(jī)械工件精度的因素很多，包括加工工藝、部件表面質(zhì)量、系統(tǒng)內(nèi)部、熱變因素等，一旦控制不合理，極大地影響加工部件的精度，甚至造成殘次品的產(chǎn)生。而隨著社會(huì)科技的不斷發(fā)展，機(jī)械制造在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的作用日漸凸顯，相關(guān)企業(yè)人員必須充分考慮加工部件的相關(guān)影響因素，采用積極有效的防治措施，提高機(jī)械部件的制造精度?；诖耍疚慕Y(jié)合實(shí)踐案例，通過(guò)探究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部因素、環(huán)境因素、人為因素在一定程度上都可影響機(jī)械加工精度，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可通過(guò)不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝、嚴(yán)格控制生產(chǎn)溫度、提升專業(yè)人員素養(yǎng)等手段，綜合提高機(jī)械加工精度，為不斷提升機(jī)械加工生產(chǎn)效益提供理論基礎(chǔ)。