机械工程加工精度的影响因素分析研讨

时间：2024-10-07 03:52:16 硕士毕业论文我要投稿

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机械工程加工精度的影响因素分析研讨

　　相对于人类社会的发展需求而言，机械工业是国民经济发展的重要基础，作为现代化工业产品的重要生产环节，机械加工是利用机械手段针对相关工件进行加工制造的过程。随着高尖科技的不断创新与发展，对于机械元件加工的精度要求愈来愈高，针对影响机械加工精度的误差成因，如何在机械加工过程中避免或减小机械部件的精度误差，提高和优化机械产品的加工质量及其性能，成为现代机械加工制造领域广为关注的技术问题。

　　一、机械加工精度的概念及内涵

　　机械加工是根据相关工件的外形尺寸或性能结构设计需求，以车床、铣床、钻床、磨床、冲压机、压铸机等专用机械加工设备为介质，采用一定的技术加工手段来进行机械工件产品制作的过程。根据被加工机械元件所处的温度状态，机械加工通常分为冷加工和热加工两种方式。

　　机械加工精度是指相关工件在加工完成后所具有的包括尺寸大小、几何形状以及各表面相互位置等参数的实际值，与其预先设计应具备的理想几何参数需求比对的相符程度。加工精度通常包括尺寸精度、形状精度和位置精度等方面的内容，尺寸精度用来限制加工表面与其基准间尺寸误差的范围，形状精度用来限制加工表面宏观几何形状误差，位置精度用来限制加工表面与其基准间的平行度、垂直度、同轴度等相互位置误差。由于加工机械的性能、技术方法、生产条件等因素的不同影响，机械加工出来的相关零件在其尺寸、形状和表面相互位置参数与理想参数总是存在一定的偏离误差，在数值上通常采用加工误差的大小来表示加工精度。机械元件的加工精度和表面质量等加工质量、是保证相关机械产品装配质量的基础，加工误差的大小反映了加工精度的高低。

　　二、机械加工误差及其产生的原因

　　任何零件在加工过程都会存在加工误差，其来源是由于机床一夹具一工件一刀具存在误差;我们把“机床一夹具一工件一刀具”构成一个完整的系统，称为工艺系统。也即工艺系统的误差，是造成零件加工误差的根源，故称之为原始误差。工艺系统误差是“因”，加工误差是“果”。原始误差与加工误差是一个因果关系，就是说因为有原始误差的存在，所以零件一定存在着加工误差。因此，有多方面的因素对此系统产生影响，引起加工误差，归纳起来有以下几方面的因素：

　　(一)工艺系统几何误差。包括机床、夹具、刀具的制造和磨损。尺寸链误差，机床传动链的静态和动态调整误差及工件、夹具、刀具的安装误差。其还包括定位误差，一是基准不重合误差：

　　定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差，只有在采用调整法加工时才会产生，在试切法加工中不会产生。二是定位副制造不准确误差：工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。基准不重合误差的方向和定位副制造不准确误差的方向可能不相同，定位误差取为基准不重合误差和定位副制造不准确误差的矢量和。

　　(二)工艺系统热变形产生的误差。包括机床、刀具和工件热变形以及环境温度变化所产生的误差。在加工过程中，由于受切削热、摩擦热以及工作场地周围热源的影响，工艺系统的温度会产生复杂的变化，工艺系统会发生变形，改变了系统中各组成部分的正确相对位置，导致了加工误差的产生。

　　(三)工艺系统力效应产生的误差。包括弹性及塑性变形产生的误差(工艺系统刚性不足或变形引起的误差)，工件的夹紧误差，离心力和传动力以及材料本身的残余应力引起的误差等。

　　现在影响最大的是内应力重新分布引起的误差没有外力作用而存在于零件内部的应力，称为内应力。工件上一旦产生内应力之后，就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位的稳定状态转化，并伴随有变形发生，从而使工件丧失原有的加工精度。内应力的产生：在热处理工序中由于工件壁厚不均匀、冷却不均、金相组织的转变等原因，使工件产生内应力。

　　冷校直产生的内应力：丝杠一类的细长轴经过车削以后，棒料在轧制中产生的内应力要重新分布，产生弯曲。

　　(四)由于人的情绪和技术水平的不稳定所引起的加工误差。

　　三、机械加工工艺系统误差

　　(一)机床的几何误差。在零件的实际加工中，刀具相对于工件的成形作用主在都是通过机床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。而机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。且不难发现，机床的磨损将使机床工作精度下降。

　　(二)刀具的几何误差。任何刀具在切削过程中，都不可避免地要产生磨损，并由此引起所加工零件件尺寸和形状地改变。正确地选用刀具材料和选用新型耐磨地刀具材料，正确地采用冷却液、合理地选用刀具几何参数和切削用量，正确地刃磨刀具等，都可以有效地减少刀具地尺寸磨损，从而提高所加工零件的精准度。而必要的时候还可以采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿。

　　(三)定位误差。①基准不重合误差：在零件图上用来确定某一表面尺寸、位置所依据的基准称为设计基准。在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依据的基准称为工序基准。一般情况下，工序基准应与设计基准重合。在机床上对工件进行加工时，必须选用工件上若干几何要素作为加工时的定位基准，如果所选用的定位基准与设计基准不重合，那么就会产生基准不重合误差。基准不重合误差等于定位基准相对于设计基准在工序尺寸方向上的最大变动量。②定位副制造不准确误差：工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。夹具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得绝对准确，它们的实际尺寸都允许在分别规定的公差范围内变动。同时，工件上的定位基准面也会有制造误差。工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副，由于定位副制造的不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量，称为定位副制造不准确误差。

　　(四)工艺系统受热变形引起的误差。工艺系统热变形对加工精度的影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40～70%。机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。

　　四、提高机械精度的误差控制措施

　　相对来说，机械加工过程中的精度误差具有不可避免的客观性，但应在最大可能的基础上将影响机械加工精度的误差因素控制在允许范围内，从而提高工件加工质量和精度，具体措施如下：

　　(一)减少原始误差。高零件加工所使用机床的几何精度，提高夹具、量具及工具本身精度，控制工艺系统受力、受热变形、刀具磨损、内应力引起的变形、测量误差等均属于直接减少原始误差。它是生产应用较广的一种基本方法。为了提高机械加工精度，需对产生加工误差的各项原始误差进行分析，根据不同情况对造成加工误差的主要原始误差采取不同的措施解决。对于精密零件的加工应尽可能提高所使用精密机床的几何精度、刚度和控制加工热变形;对具有成形表面的零件加工，则主要是如何减少成形刀具形状误差和刀具的安装误差。以细长轴加工为例进行分析，在车床上加工细长轴时，由于长度与直径之比大于20，故刚性差，即使在切削量较小的情况下也会使工件产生弯曲变形和振动，虽然在加工过程中采用了跟刀架，但仍难车出较高精度的长轴。分析细长轴在车削加工时的受力状态知：采用跟刀架虽消除了背向力引起工件弯曲的因素，但轴向力和工件热伸长还会导致工件弯曲变形，现采用反拉法切削，一端用卡盘夹持，另一端采用可伸缩的活顶尖装夹。可以进一步消除热伸长引起的弯曲变形以及径向颤动，使切削平稳，使被加工工件获得较高的形状精度。

　　(二)积极实行实时补偿控制。在电子信息技术广泛使用以前，补偿控制技术主要应用在传动精度要求很高的机床中，其补偿控制装置由校正尺、杠杆、及接收附加运动的螺母等组成。机械补偿控制装置简单可靠，但补偿精度依赖于校正尺的制作精度，另外校正尺的调整也比较复杂。在现代数控机床上，一般都采用软件补偿，事先测量好的误差数据放在数据表中，数控系统在完成每一次精插补后，根据当前坐标位置从数据表中查找误差补偿值，并据此控制坐标轴一个附加的运动。软件补偿实现起来比较简单，不需要增加另外的装置，误差数据随时可以修改调整。实时补偿控制是通过高精度测量装置在加工过程中定时采集误差数据，根据误差的方向和大小由补偿控制装置控制刀架走一个微量位移。实时补偿控制采集的是当前状态下的实际误差，虽然补偿装置的机枕惯性使补偿的位置会稍微滞后，但补偿精度仍然比较高，实时补偿控制的缺点是补偿装置复杂且调试相对困难。

　　(三)加强误差预防。误差预防是指减少误差源或改变误差源至加工误差之间的数量转变关系。常用的方法有：直接减少原始误差法、误差转移法、采用先进工艺和设备法、误差分组法、就地加工法和误差平均法等。实践与分析表明，精度要求高于某一程度后，利用误差预防技术来提高加工精度所花费的成本将成指数增长。

　　(四)转移误差。这种方法的实质就是将原始误差从误差敏感方向转移到误差非敏感方向上去。①转移误差至非敏感方向。

　　各种原始误差反映到零件加工误差上的程度与其是否在误差敏感方向上有直接关系。若在加工过程中设法使其转移到加工误差的非敏感方向，则可大大提高加工精度。②转移误差至其他对加工精度无影响的方面。在大型龙门式机床中，由于横梁较长，故在其上的主轴箱等部件重力的作用下产生弯曲和扭曲变形。

　　使用这类机床时，横梁变形即为产生加工误差的主要原始误差之一。为了消除这项原始误差的影响，可在机床结构上再增添一根主要承受主轴箱部件重力的附加梁。

　　结论：

　　机械加工是当前机械工业产品生产的重要环节，高端科技条件下，对于机械工件的加工精度和质量要求程度较为严格，采取合理措施减少或消除相关影响机械加工精度的误差因素，是保障机械加工产品质量的有效途径。

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