影响机械加工精度的关键因素

在机械加工中，零件的尺寸、几何形状和各表面间的相互位置，取决于工件和刀具的相互位置及相对运动关系。而加工时，工件和刀具又是安装在夹具和机床上的，并受到它们的约束，因此，在机械加工时，机床、夹具、刀具和工件就构成了一个完整的系统，称之为工艺系统。工艺系统本身的几何误差和切削过程中各种因素引起的工艺系统的误差，在不同的条件下以不同的程度反映为零件的尺寸、几何形状和各表面相互位置的加工误差。

影响零件加工精度的因素可以归纳为以下三个方面：工艺系统的几何误差、工艺系统的力效应、工艺系统的热变形。

1）工艺系统的几何误差对加工精度的影响

工艺系统的几何误差是指机床、夹具、刀具和工件本身所具有的原始制造误差。这些误差在加工时会或多或少地反映到工件的加工表面上。另外，在长期生产过程中，机床、夹具和刀具逐渐磨损，使工艺系统的几何误差进一步扩大，工件的加工精度也就相应地进一步降低。

（1）加工原理误差。加工原理误差是指在加工工件时采用了近似的加工运动或近似的刀具刀刃廓形而产生的误差。

理论上完全正确的加工方法有时很难实现，原因有：或者加工效率很低；或者要使用结构很复杂的机床和夹具；或者理论廓形的刀具不易制造或制造精度很低。因此，有时会采用近似加工来保证加工质量、提高生产率和经济性。例如，用成形法加工直齿渐开线齿形时，理论上同一模数一种齿数的齿轮就要用相应的一种齿形刀具加工。而实际上，为减少刀具数量，常用一把模数铣刀加工几种不同齿数的齿轮；又如在齿轮滚齿加工中，用阿基米德蜗杆代替渐开线蜗杆，加工出来的齿廓是接近渐开线的折线；还有在数控加工中用直线或圆弧逼近所要求的曲线。以上这些都会产生加工原理误差。

（2）机床的几何误差。工件的加工精度在很大程度上取决于机床的制造精度。一般来说，一定精度的机床只能加工出一定精度的工件。机床误差中对加工精度影响较大的是主轴回转误差、导轨导向误差和传动链传动误差。

①主轴回转误差。主轴回转误差就是主轴的瞬时回转轴线相对于其平均回转轴线在加工表面的法线方向上的最大变动量。如图5-106所示，主轴回转误差表现为径向圆跳动、端面圆跳动和角向摆动。

图5-106　主轴回转误差的基本形式

机床主轴是安装工件或刀具的基准，因此，不同形式、不同的加工方法的主轴回转误差对加工精度的影响是不一样的。

机床主轴回转误差为纯径向圆跳动时（见图5-106（a）），一般会引起工件的圆度误差和圆柱度误差；主轴回转误差为纯端面圆跳动时（见图5-106（b）），对于内孔和外圆的加工没有影响，但在车削端面时，会出现端面对轴线的垂直度误差，车螺纹时会出现螺距误差；主轴回转的角向摆动（见图5-106（c）），主要影响工件的形状精度，使镗出的孔为椭圆形，车出的工件产生圆柱度误差。事实上，主轴的回转误差是上述三种基本形式误差的合成。因此，主轴的误差既影响工件的圆柱面的形状精度，又影响端面的形状精度。

②导轨误差。床身导轨是机床的一些主要部件间相对位置和相对运动的基准，依靠它来保持刀具与工件之间的导向精度。机床导轨的精度要求主要有：在水平面内的直线度；在垂直面内的直线度；两导轨的平行度。现以车削为例，分析导轨误差对零件加工精度的影响。

a.导轨在水平面内的直线度误差，使刀尖产生水平位移Δy（图5-107（a）），引起工件在半径方向的加工误差ΔR（ΔR＝Δy），这一误差使工件被加工表面形成鞍形、鼓形或锥形等圆柱度误差。

b.导轨在垂直面内的直线度误差，使刀尖产生垂直位移Δz（图5-107（b）），此位移使工件在半径方向上产生的加工误差ΔR≈Δz2／D，D＝2R。这一误差会使工件被加工表面形成双曲旋转面或鼓形等圆柱度误差，但影响很小，可忽略不计。

图5-107　导轨的直线度误差对加工精度的影响

c.两导轨在垂直方向上的平行度误差（扭曲度），会引起车床纵向溜板沿床身移动时发生倾斜，从而使刀尖相对于工件产生偏移，影响加工精度（图5-108）。设车床中心高为H，导轨宽度为B，导轨扭曲量为δ，刀尖水平位移为Δy，则导轨扭曲量所引起的工件半径方向上的加工误差为ΔR＝Δy＝δH／B。由于沿导轨全长上不同位置处的扭曲量不同，因此工件将产生圆柱度误差。

d.主轴回转轴心线与床身导轨不平行对加工精度的影响。以车削加工外圆柱面为例，在水平面内主轴轴线与导轨不平行时，加工出的表面呈锥形；在垂直面内不平行时，工件的表面形成双曲旋转面，如图5-109所示。

图5-108　导轨扭曲度对加工精度的影响

图5-109　主轴回转轴线与导轨平行度误差对车削外圆的影响

③传动链的传动误差。在机械加工中，工件表面的形成是通过一系列传动机构来实现的。这些传动机构由于本身的制造、安装误差和工作中的磨损，必将引起工件表面形成运动的不准确，产生加工误差。在切削运动需要有严格的内在联系的情况下，如车螺纹、滚齿、插齿、精密刻度等加工，传动误差是影响加工精度的主要因素。

为减小传动误差对加工精度的影响，可采取下列措施：

a.减少传动链中的元件数目，缩短传动链，以减少误差来源；

b.提高传动元件，特别是末端传动元件的制造精度和装配精度；

c.在传动链中按降速比递增的原则分配各传动副的传动比，末端传动副的降速比大，则传动链中其余各传动元件误差的影响就小；

d.消除传动链中齿轮间的传动间隙；

e.可采用误差校正机构来提高传动精度。

（3）刀具与夹具的误差。

①刀具的误差。刀具对加工精度的影响，将因刀具种类的不同而不同。

a.单刃刀具（如车刀、刨刀、单刃镗刀）的制造误差对加工精度没有直接影响。(www.xing528.com)

b.定尺寸刀具（如钻头、铰刀、拉刀及键槽铣刀等）的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度。刀具因安装不当而产生的径向圆跳动和端面圆跳动等也会使加工面的尺寸扩大。

c.成形刀具（如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等）的形状精度直接影响工件的形状精度。

d.展成法加工刀具（如滚齿刀、插齿刀等）的尺寸和形状精度直接影响加工精度。

在切削过程中，刀具的逐渐磨损会直接影响加工精度。

②夹具的误差。夹具的作用是使工件或刀具在加工过程中相对机床保持正确的位置。因此，夹具的制造误差和磨损对工件的加工精度有很大影响。

夹具误差包括定位元件、引导元件、对刀装置、分度机构及夹具体等的制造误差，以及定位元件之间的相互位置误差。

（4）定位与调整误差。工件在夹具上装夹时，由于定位不准确产生的定位误差将影响工件的加工精度。在机械加工的每道工序中，总是要对机床、夹具、刀具进行调整，以保证工件与刀具间准确的相对位置。由于调整不可能绝对准确，也就产生了一项误差，即调整误差。在工艺系统已达到工艺要求的情况下，调整误差对加工精度的影响就起决定性作用。

2）工艺系统力效应对加工精度的影响

在机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、重力和惯性力等外力作用下会产生弹性变形，从而破坏已经调整好的工件和刀具之间的相对位置，使工件产生几何形状误差和尺寸误差。

（1）切削力的变化对加工精度的影响。如车细长轴时，由于车刀在不同位置轴的变形不同，使切削深度随刀具的位置而变化，从而车出的轴就会出现中间粗两头细的形状，如图5-110所示。

图5-110　切削力的变化引起的加工误差

图5-111　误差复映引起加工误差

1—已加工表面　2—毛坯表面

（2）误差复映引起加工误差。图5-111所示为车削一个有圆度误差的毛坯。将刀尖调整到要求的尺寸后，在工件每一转过程中，背吃刀量ap发生变化，因此，法向切削力F法也随背吃刀量的变化而变化，所以加工后工件仍有圆度误差。这种使毛坯形状误差复映到加工后的工件表面上的现象称为误差复映。

一般经过二三次工作行程就可使误差复映的影响减小到公差允许的范围内。

3）工艺系统热变形对加工精度的影响

机械加工过程中，工艺系统因受切削热、运动副摩擦热、阳光及供暖设备的辐射热等影响而产生变形，破坏了工件与刀具间的相互位置关系和相对运动的准确性，引起加工误差。工艺系统热变形对加工精度的影响很大，尤其在精密加工中，热变形引起的加工误差占总加工误差的40%以上。

（1）机床热变形对加工精度的影响。由于各类机床的结构和工作条件相差很大，所以引起机床热变形的热源和变形形式也不尽相同。在机床的热变形中，以主轴部件、床身导轨及两者相对位置的热变形对加工误差的影响最为突出。图5-112为几种机床热变形的大概趋势，它使得铣削后的平面与基面之间出现平行度误差。

图5-112　几种机床的热变形趋势

（2）刀具热变形对加工精度的影响。在加工过程中，刀具切削部分温度很高，刀具受热伸长，从而影响工件的加工精度。

刀具的热变形在加工不同的零件时产生的加工误差不同。断续切削时，如加工一批短轴的外圆，刀具热伸长对每一个工件的影响不明显，对一批工件而言，则尺寸逐渐减小，并影响一批工件的尺寸分散范围；连续切削时，如加工长轴外圆时，刀具热伸长会使工件产生锥度。但由于刀具体积小，能较快地达到热平衡，而且刀具的伸长又能与刀具的磨损互相补偿，所以对加工精度的影响不甚显著。

（3）工件热变形对加工精度的影响。工件的热变形主要受切削热的影响。在热膨胀下达到的加工尺寸，冷却收缩后会变小，甚至超差。在精加工时，工件的热变形对加工精度的影响很大，大型、复杂零件及铜、铝等有色金属的热变形对加工精度的影响更为显著。

工件受热是否均匀对热变形的影响也很大。在平面的刨、铣、磨等加工中，工件单面受热，受热不均匀，尤其是板类零件的单面加工，上下表面的温差造成工件弯曲变形，主要影响形状精度。

（4）减小工艺系统热变形的途径。

图5-113　用热空气加热立柱后壁

①减少发热和隔离热源。通过合理地选择切削用量、刀具的几何参数等来减少切削热；对机床各运动副，如主轴轴承、丝杠副、齿轮副、摩擦离合器等零部件，从改进结构和改善润滑等方面来减少摩擦热。凡是能从工艺系统中分离出去的热源，如电动机、变速箱、液压装置和油箱等，尽可能放在机床的外部，若不能放在外部，应用隔热材料将发热部件和机床大件隔离。此外，还应及时清除切屑以阻止切屑热量的传入等。

②强制冷却和均衡温度。对机床发热部位采取风冷、油冷等强制冷却方法，控制温升；对切削区域内供给充分的切削液以降低切削温度；对机床采用热补偿以均衡温度。如图5-113所示的平面磨床，采用热空气加热温度较低的立柱后壁，以均衡立柱前后壁的温度场，可明显降低立柱的倾斜。

③保持热平衡和控制环境温度。机床运转一段时间后，工艺系统吸收的热量和散发的热量大致相等，则认为工艺系统达到热平衡。因此，加工前应先开动机床空转一段时间，在达到或接近热平衡时再进行加工。当加工精密零件时，若中间有不切削的间断时间，机床仍要空转，以保持热平衡。

环境温度的变化也会使工艺系统产生变形，因此，在精密零件的加工中，需要控制室温的变化。如均匀地安排车间内的供暖设备，使热流的方向不朝向机床，避免阳光对机床的直接照射等。一般一昼夜气温变化可达10℃左右，晚上10时至翌晨6时温度变化较小，所以精度要求较高的工件常在此时间进行加工。