機(jī)械加工精度的影響因素及提升策略

吳小風(fēng)

（福州第二技師學(xué)院，福州 350301）

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平快速提升，我國(guó)的機(jī)械加工行業(yè)得到了良好的發(fā)展，機(jī)械加工質(zhì)量要求逐漸提高。在機(jī)械加工過(guò)程中，影響質(zhì)量的一項(xiàng)重要因素就是加工精度，因此，其是機(jī)械加工過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。對(duì)于機(jī)械加工而言，影響加工精度的因素有很多，所以，在實(shí)際開(kāi)展加工工作時(shí)，要想使機(jī)械工件加工整體的精度得到有效提升，就需要對(duì)其中存在的影響因素進(jìn)行深入分析，并采取合理的措施進(jìn)行預(yù)防和控制，盡可能避免誤差，確保機(jī)械加工產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 機(jī)械加工精度概述

在對(duì)機(jī)械加工的部件進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，加工精度是非常關(guān)鍵的參數(shù)，一般來(lái)講，機(jī)械加工精度的表示主要是通過(guò)數(shù)學(xué)公差等級(jí)，其數(shù)值的大小，可以反映加工精度情況[1]。數(shù)值小，表明機(jī)械加工部件對(duì)精度有較高的要求；相應(yīng)地，在實(shí)際加工中，允許的誤差范圍也就越小。在具體進(jìn)行機(jī)械加工的過(guò)程中，有關(guān)加工精度的確定需要結(jié)合實(shí)際情況。單純來(lái)講，加工精度高，機(jī)械部件的質(zhì)量也會(huì)更高。在實(shí)際的加工工作中，加工精度的提升會(huì)牽涉到成本投入問(wèn)題，所以，有關(guān)機(jī)械加工精度的確定，需要根據(jù)具體的要求，在保證加工部件質(zhì)量的基礎(chǔ)上，兼顧其成本經(jīng)濟(jì)性。

2 機(jī)械加工精度的影響因素

2.1 機(jī)械設(shè)備因素

現(xiàn)如今，工件的加工基本上都需要使用機(jī)械設(shè)備，所以，機(jī)械設(shè)備本身會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生一定的影響[2]。比如加工機(jī)床使用的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其中一些構(gòu)件容易出現(xiàn)松動(dòng)或者磨損，這就使機(jī)床主軸與中心線產(chǎn)生偏差，或者上面的刀具、夾具等存在一定的變形，從而對(duì)加工部件的精度產(chǎn)生影響。機(jī)械設(shè)備本身如果出現(xiàn)較大的偏差，在對(duì)部件進(jìn)行加工時(shí)，實(shí)際的誤差很容易超過(guò)圖紙的要求范圍，這樣加工出來(lái)的部件產(chǎn)品達(dá)不到規(guī)定的要求，造成返工或者廢棄處理，增加機(jī)械加工成本。此外，機(jī)械設(shè)備的安裝技術(shù)如果存在問(wèn)題，會(huì)使機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的連接不夠牢靠，受外力作用時(shí)，就容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件松動(dòng)情況，這樣加工零件的精度會(huì)下降。另外，機(jī)械設(shè)備上的刀具、夾具等使用較為頻繁，其形狀、尺寸和安裝角度等也會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生影響。而且不同工具，產(chǎn)生的影響也會(huì)存在差異。例如，車刀、刨刀等對(duì)加工精度具有較小的影響；有規(guī)定尺寸的鉆頭、槽銑刀等，在尺寸和形狀方面即使出現(xiàn)小的偏差，也會(huì)對(duì)加工精度造成大的影響。

2.2 數(shù)控編程因素

機(jī)械加工現(xiàn)如今使用較為普遍的設(shè)備就是數(shù)控機(jī)床，其對(duì)于提升加工質(zhì)量和效率都起到了良好的幫助。這一數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，需要依靠程序控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而控制系統(tǒng)則需要相應(yīng)的控制編碼和符號(hào)指令達(dá)到目的。也就是將有關(guān)信息載體輸入到數(shù)控裝置中，通過(guò)有關(guān)運(yùn)算，使數(shù)控裝置能夠向各部分終端發(fā)布相應(yīng)的控制信號(hào)，這樣數(shù)控機(jī)床就能夠依照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)的要求對(duì)部件進(jìn)行自動(dòng)加工[3]。這表明，機(jī)床運(yùn)行最關(guān)鍵的就是數(shù)控裝置的編寫(xiě)程序，所以，影響加工精度的一個(gè)因素就是數(shù)控編程。這一影響因素屬于不可逆的誤差，數(shù)控編程確定之后，加工部件時(shí)，如果工件定位出現(xiàn)偏差，后續(xù)運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)累積誤差，使偏差值逐漸增大，不能通過(guò)人工進(jìn)行消除，最終加工出來(lái)的零部件就會(huì)出現(xiàn)尺寸大小不一致的情況。

2.3 加工溫度因素

加工機(jī)床在運(yùn)行的過(guò)程中，其中的加工構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度非?？?，這樣會(huì)使各構(gòu)件之間、刀具和部件之間受摩擦力作用的影響產(chǎn)生較多的熱量，從而提高加工溫度，熱量如果沒(méi)有得到合理的控制，容易引起工件熱變形，這樣零部件加工的精度就會(huì)下降。機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中，構(gòu)件之間的摩擦生熱問(wèn)題是客觀存在的，局部加工溫度升高，并不能完全消除，比如刀具和工件之間的摩擦，與加工工藝、刀具類型等都存在一定的關(guān)聯(lián)。在進(jìn)行車削加工時(shí)，存在大概10%的熱量傳遞給工件，銑削、刨削加工中，會(huì)有大概30%的熱量傳遞給工件，加工溫度升高，工件熱變形的可能性增大，最終會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生影響。

2.4 受力變形因素

對(duì)零部件產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，由于存在削力、重力以及傳動(dòng)力等作用力，部件可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形，這會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生影響。具體來(lái)講，首先，機(jī)械加工部件剛度問(wèn)題。因?yàn)榧庸げ考馁|(zhì)的不同，不同的零部件對(duì)應(yīng)的剛度也會(huì)存在差異，加工中如果刀具進(jìn)行切削加工，會(huì)施加給部件切削作用力，不同剛度的零部件，會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，進(jìn)而影響機(jī)械加工精度。另外是機(jī)床部件剛度問(wèn)題。通過(guò)機(jī)床設(shè)備對(duì)部件產(chǎn)品進(jìn)行加工時(shí)，因?yàn)闄C(jī)床需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，所以機(jī)床部件受力會(huì)存在不同程度的變形，這樣機(jī)床部件的有關(guān)參數(shù)就會(huì)和設(shè)計(jì)值存在偏差，而機(jī)床部件剛度和其變形存在直接關(guān)聯(lián)，剛度不同，產(chǎn)生的受力變形也會(huì)不同，最終影響加工精度。再者，受力變形主要有以下原因，一方面，切削加工時(shí)，因?yàn)榍邢髁?huì)使加工的整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生變化，引起誤差，這主要是因?yàn)楣ぜ馁|(zhì)不均、加工余量變化等造成。另一方面，加工時(shí)會(huì)用到夾具，對(duì)工件也會(huì)產(chǎn)生較大的作用力，工件受力變形，因而影響加工精度。

3 機(jī)械加工實(shí)例分析

3.1 加工工件

以一種薄壁工件為例，該工件的長(zhǎng)度大約400 mm，直徑超過(guò)200 mm，工件壁整體較薄，其中端口位置的壁厚5 mm，工件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其屬于電機(jī)殼體工件，加工精度對(duì)于電機(jī)電流、運(yùn)行效率及噪聲大小等都有較大的影響，所以，在加工方面對(duì)該工件的加工精度有很高的要求。如果使用普通方法進(jìn)行加工，工件加工精度難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而且工件加工批次數(shù)量較少，如果再投入成本增加高精度的機(jī)械加工裝置或者夾具，無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)性要求。因此，需要對(duì)該工件加工精度的影響因素進(jìn)行深入分析，然后改進(jìn)加工工藝，使工件加工的精度達(dá)到要求，同時(shí)確保其加工的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 工件結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

3.2 影響因素

3.2.1 夾緊力變形

使用夾具對(duì)該工件進(jìn)行夾緊時(shí)，在夾緊力作用下，工件出現(xiàn)一定的形變，這主要是因?yàn)檫@一工件屬于薄壁工件，夾具在夾緊操作時(shí)，受夾緊方式、夾緊方向等的影響，使得工件出現(xiàn)夾緊力變形，在對(duì)工件進(jìn)行加工時(shí)，其誤差增大，影響加工精度。

3.2.2 材料應(yīng)力變形

該工件在實(shí)際加工的過(guò)程中，其應(yīng)力分布容易出現(xiàn)不均勻的情況，或者說(shuō)工件本身并沒(méi)有不均勻情況，但是在經(jīng)過(guò)一定的加工處理后，因?yàn)樾枰?jīng)過(guò)應(yīng)力平衡過(guò)程，所以容易使工件出現(xiàn)一定的形變，使得加工精度受到影響。造成這一問(wèn)題的原因通常和材料制備及成型有關(guān)，材料自身具有較差的均勻性，會(huì)在應(yīng)力作用下出現(xiàn)較嚴(yán)重的應(yīng)力變形。另外，鑄造過(guò)程中，工件成型時(shí)缺乏均勻熱處理加工，出現(xiàn)應(yīng)力形變，使得加工精度下降[4]。

3.2.3 刀具變形

工件加工時(shí)，機(jī)械設(shè)備中的構(gòu)件出現(xiàn)形變，也會(huì)對(duì)零部件加工精度產(chǎn)生影響。由于工件整體剛度不夠，其剛性分布不均勻，在加工過(guò)程中，相應(yīng)的刀具含有較少的減震輔助支點(diǎn)，加工過(guò)程中容易使刀具變形，這樣工件的切削力也會(huì)受到影響，進(jìn)而作用到工件，使其加工精度下降。

3.3 工件加工工藝改進(jìn)

3.3.1 加工工藝流程改進(jìn)

該加工工件屬于鑄造型工件，其制造時(shí)使用的毛坯材料加工過(guò)程中需要借助重力澆注方式使其成型，為了能夠使工件加工的質(zhì)量得到更加可靠的保證，對(duì)該工件的性能、具體形狀、尺寸及加工位置等的精度要求進(jìn)行深入分析，然后選擇使用500型立式車床進(jìn)行加工。具體的加工流程：對(duì)毛坯材料進(jìn)行鑄造加工，然后經(jīng)過(guò)T6熱處理工序、預(yù)備處理，接著進(jìn)行粗車加工、精車加工、鉆取安裝孔加工和毛刺處理。

3.3.2 工件加工中溫度影響

該工件的材質(zhì)屬于鋁合金，這種材料自身具有較大的熱膨脹系數(shù)，和其他的鋼質(zhì)材料相比較，熱膨脹系數(shù)是其2倍以上，在加工過(guò)程中，由于工件和刀具之間產(chǎn)生摩擦釋放熱量，使得加工工件的溫度發(fā)生變化，工件產(chǎn)生熱變形，所以，具體在進(jìn)行加工時(shí)，需要對(duì)加工環(huán)境以及溫度情況進(jìn)行充分考慮。該次加工因?yàn)椴痪邆浜銣貤l件，同時(shí)加工工件的數(shù)量不多，每年只需要加工小批工件就能夠達(dá)到市場(chǎng)的使用需求，所以，根據(jù)實(shí)際情況，選擇在每年的10~11月份對(duì)工件進(jìn)行加工，使加工的環(huán)境溫度維持在一定范圍內(nèi)，以更好地滿足工件加工對(duì)溫度的要求。

3.3.3 改進(jìn)夾具的使用

該工件加工的旋轉(zhuǎn)直徑最大值為270 mm，而且工件總體長(zhǎng)度為400 mm，使用夾具對(duì)工件進(jìn)行夾緊時(shí)，對(duì)其夾緊力需要進(jìn)行合理的設(shè)置，如果夾緊力過(guò)大，容易使工件出現(xiàn)夾緊力變形，而夾緊力如果過(guò)小，也容易使工件在加工時(shí)發(fā)生松動(dòng)，這樣很可能會(huì)引起撞刀現(xiàn)象，使刀具或者設(shè)備出現(xiàn)損壞，進(jìn)而使加工工件質(zhì)量受到影響。經(jīng)過(guò)幾次試制后，改進(jìn)的夾具如圖2所示。

圖2 夾具示意圖

借助三爪夾持工件的底部位置，具體的夾持位置在距離底面50 mm處，同時(shí)在頂部位置設(shè)置3個(gè)輔助支撐點(diǎn)，其中輔助支撐屬于活動(dòng)結(jié)構(gòu)[5]。改進(jìn)后的夾具，能夠較好地解決夾緊力變形問(wèn)題。該工件因?yàn)閷儆阼T造工件，其外形尺寸具有良好的一致性，所以，工件在進(jìn)行定位時(shí)，可以使用裝夾進(jìn)行定位。加工過(guò)程涉及到粗車和精車加工，在粗車加工工序中，設(shè)置0.3~0.4 mm的余量，完成這一工序之后，將工件放在常溫環(huán)境下1 d以上，確保其應(yīng)力狀況后，再進(jìn)行精車加工，這一工序開(kāi)始前需要使用百分表進(jìn)行定位，保證其偏差控制在0.1 mm以下。

3.3.4 切削參數(shù)確定

對(duì)該工件的加工，在粗加工工序中，對(duì)工件設(shè)置的加工余量為3 mm，而且這一加工工序中，一共進(jìn)行2次進(jìn)給操作，第一次操作時(shí)，切削深度設(shè)置為1.8 mm，進(jìn)給量為0.25 mm/r，主軸結(jié)構(gòu)設(shè)置的轉(zhuǎn)速數(shù)值為200 r/min。第二次操作時(shí)，設(shè)置的加工切削深度1.2 mm，進(jìn)給量為0.3 mm/r，主軸結(jié)構(gòu)設(shè)置的轉(zhuǎn)速數(shù)值為25 r/min。這一加工過(guò)程中，在粗車加工環(huán)節(jié)，設(shè)置的工件加工余量在0.3~0.4 mm范圍內(nèi)。而在精車加工環(huán)節(jié)中，同樣進(jìn)行兩次進(jìn)給操作，第一次設(shè)置的切削深度控制在0.2~0.25 mm范圍內(nèi)，進(jìn)給量0.2 mm/r，主軸結(jié)構(gòu)設(shè)置的轉(zhuǎn)速值為250 r/min，第二次操作設(shè)置的切削深度為0.1 mm，進(jìn)給量為0.15 mm/r，主軸結(jié)構(gòu)設(shè)置的轉(zhuǎn)速數(shù)值為300 r/min。

3.4 工件加工精度控制

根據(jù)該加工工件加工過(guò)程中精度影響因素的分析，對(duì)該工件加工的工藝進(jìn)行改進(jìn)，良好地控制加工溫度條件，同時(shí)改進(jìn)夾具，確保夾緊力的合理性，科學(xué)設(shè)置切削參數(shù)，以使加工的工件精度得到有效控制。該電機(jī)殼體工件加工過(guò)程中，安裝孔徑對(duì)應(yīng)的圓度值、直徑值等的誤差都在0.015 mm以下，同時(shí)，加工的工件在恒溫條件下經(jīng)過(guò)1 d的靜置后，通過(guò)三維坐標(biāo)檢測(cè)，其尺寸大小、圓度的偏差都滿足設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 提高機(jī)械加工精度的有效措施

4.1 注重控制機(jī)械設(shè)備自身?xiàng)l件

進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，機(jī)械設(shè)備本身會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生影響，所以，為了提高工件加工精度，盡可能縮小誤差，需要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。首先，對(duì)機(jī)床設(shè)備改進(jìn)，經(jīng)過(guò)對(duì)加工精度影響因素的分析，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免結(jié)構(gòu)的不合理性導(dǎo)致工件加工精度下降。對(duì)機(jī)床各個(gè)零件的制造質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控，并且強(qiáng)化對(duì)設(shè)備安裝的監(jiān)督，使設(shè)備安裝過(guò)程嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行，這樣可以防止因設(shè)備安裝不足出現(xiàn)加工誤差。另外，機(jī)械加工中，機(jī)床的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，一些部件可能會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，因此，需要注意對(duì)機(jī)床設(shè)備加強(qiáng)管理和維護(hù)，特別是對(duì)有較高定位精度要求的工件進(jìn)行加工時(shí)，需要進(jìn)一步加大檢查力度，如果出現(xiàn)部件損壞、松動(dòng)等情況，要及時(shí)進(jìn)行維修，或者對(duì)相應(yīng)的部件進(jìn)行更換，同時(shí)注意控制機(jī)床加工工藝，確保工件加工的精度更好地滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 提高數(shù)控編程質(zhì)量

加工中使用的數(shù)控機(jī)床是通過(guò)編程系統(tǒng)進(jìn)行控制的，編程程序的精準(zhǔn)性與加工精度之間存在密切的關(guān)聯(lián)，如果在編程環(huán)節(jié)出現(xiàn)誤差，就會(huì)使工件在實(shí)際加工中出現(xiàn)累積性的偏差，這樣加工出來(lái)的部件和設(shè)計(jì)圖紙之間會(huì)存在誤差，所以，要想從根本上提高工件的加工精度，需要對(duì)數(shù)控編程的質(zhì)量進(jìn)行有效提升。編寫(xiě)數(shù)控程序時(shí)，需要對(duì)零件的尺寸、特征等指標(biāo)進(jìn)行全面了解，然后明確編程原點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上明確編程基準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)和工藝基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，避免尺寸換算方面產(chǎn)生偏差。另外，數(shù)控編程的原點(diǎn)和設(shè)計(jì)圖紙之間要盡可能相符，對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程盡可能簡(jiǎn)化，防止過(guò)多的計(jì)算增大誤差出現(xiàn)的可能性。

4.3 對(duì)加工產(chǎn)生的熱量進(jìn)行控制

工件在加工過(guò)程中，相應(yīng)的刀具處在高速運(yùn)行的狀態(tài)，因?yàn)闃?gòu)件之間的摩擦生熱，使得加工溫度升高，部分加工工件會(huì)出現(xiàn)熱變形，因而影響加工精度。所以，對(duì)這一過(guò)程需要進(jìn)行熱量控制，可以合理地改善散熱環(huán)境，通過(guò)外部制冷方式給加工過(guò)程散熱，或者使用冷卻液使加工熱量降低，保持良好的機(jī)械加工溫度條件。另外，需要對(duì)加工方式進(jìn)行積極改進(jìn)，比如可以使用干式切削技術(shù)，保證加工的質(zhì)量和效率，同時(shí)，也盡可能地減少工件變形，工件加工的尺寸偏差才會(huì)盡可能減小。再者，因?yàn)楣ぜ陨聿牧闲再|(zhì)的問(wèn)題，加工過(guò)程中可能會(huì)使工件出現(xiàn)應(yīng)力變形，可以使用相應(yīng)技術(shù)改善材料應(yīng)力分布，控制應(yīng)力對(duì)加工零部件精度的影響。

4.4 注意控制外力變形影響

在機(jī)械加工中，外力是客觀存在的，所以對(duì)加工精度的影響不可避免，需要盡可能采取合理的措施控制外力產(chǎn)生的影響。也就是對(duì)加工中產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行有效控制，可以對(duì)加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化工藝來(lái)抵消摩擦力的作用。同時(shí)，對(duì)機(jī)械設(shè)備要注意進(jìn)行科學(xué)的養(yǎng)護(hù)，特別是一些出現(xiàn)磨損較嚴(yán)重的部件，可通過(guò)打磨、更換刀具等方法，盡量保證表面的平整度，降低表面摩擦力。也可通過(guò)增加材料等方式填補(bǔ)或者補(bǔ)償誤差，盡量減少外力對(duì)零件加工精度的影響。

4.5 改進(jìn)加工工藝流程

對(duì)工件進(jìn)行加工，不同的零部件，在加工時(shí)使用的工藝流程也會(huì)存在相應(yīng)的區(qū)別，不管是哪一個(gè)工藝環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)對(duì)工件加工整體的精度產(chǎn)生影響，因此，需要改善工藝流程，對(duì)工件加工的過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格的控制，可以實(shí)行加工件的全壽命周期質(zhì)量管理模式，對(duì)工件的加工工藝、設(shè)備、材料及圖紙等方面加強(qiáng)質(zhì)量控制和管理，每個(gè)環(huán)節(jié)都要嚴(yán)格按照工藝流程執(zhí)行操作，做好監(jiān)督檢查工作，切實(shí)保證零件的加工精度。

4.6 對(duì)相關(guān)人員的技術(shù)能力進(jìn)行提升

對(duì)工件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，人員的主觀因素也會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生一定的影響，所以，需要對(duì)相關(guān)人員的技術(shù)能力和職業(yè)素養(yǎng)進(jìn)行有效提升。針對(duì)相關(guān)工作人員，需要定期組織進(jìn)行培訓(xùn)，如果是新到崗的人員，要進(jìn)行崗位職責(zé)培訓(xùn)和安全教育，通過(guò)崗前考核之后再正式進(jìn)行工作。在崗的定期培訓(xùn)中，針對(duì)機(jī)械加工的理念、技術(shù)和操作規(guī)范等要點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)，對(duì)于加工中的部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以采取傳幫帶的形式，由專業(yè)能力強(qiáng)、經(jīng)驗(yàn)豐富的老技術(shù)人員指導(dǎo)新工作人員，通過(guò)實(shí)踐不斷提升其工作能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在對(duì)工件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，影響其加工精度的因素有很多，為了能夠更好地保證工件加工質(zhì)量，需要對(duì)其影響因素進(jìn)行深入分析，并采取合理的措施盡可能降低加工誤差，從而提高加工精度，以使工件更好地滿足設(shè)計(jì)要求。