平面加工质量控制策略与振动抑制

（一）影响平面加工质量的因素

1.主轴的回转误差

在切削加工过程中，机床主轴的回转误差使刀具和工件间相对位置不断改变，影响成形运动的准确性，在工件上引起加工误差。但是不同的加工方法，主轴的回转误差对加工精度的影响程度是不一样的。

主轴的轴向窜动：当采用端面铣削和端面磨削对平面进行加工时，主轴的轴向窜动将直接影响平面加工的形状精度和表面粗糙度值，严重时还将影响平面加工尺寸。主轴的轴向窜动对周磨和周铣的影响可以忽略不计。

主轴的径向跳动：当采用周铣和周磨对平面进行加工时，主轴的径向圆跳动将直接影响平面加工的形状精度和表面粗糙度。

角度摆动：瞬时回转轴线与理论回转轴线成一倾斜角。但其交点位置固定不变动，在不同横截面内，轴心运动误差轨迹相似，它影响平面加工精度。

2.机床导轨误差

平面加工的刨削、铣削和平面磨削，机床导轨的误差对加工精度的影响都很大，特别是龙门刨削和导轨磨削，机床的导轨误差在加工中会直接复映在被加工零件上。为了保证零件的平面加工精度，机床导轨必须具有符合加工要求的精度，并要求在加工过程中保持这种精度不变。

机床导轨的精度，不只是和导轨的原始制造精度有关，而且和机床的安装调整精度以及加工过程中机床床身热变形有很大的关系。

3.工件的热变形

当采用刨削、铣削或磨等方法加工平面时，在切削区会产生很大的切削热，这些热量有很大部分将传入工件的加工表面，使工件受热而产生变形。由于工件的单面受热，则不但尺寸有变化，几何形状也有变化。

工件单面受热后，在垂直平面内产生弯曲变形的近似计算如下：

由图4-61可以看出，在△abc中：

式中　Δ——工件热变形值；

α——材料线膨胀系数；

L——受热部分长度；

H——工件高度。

设工件受热长度为2m，高度为0.5m，当温差1℃时，则

由上例计算可见，当工件受热时（设热量的分配与工件的高度成正比），工件会产生向上凸起的变形。这种变形使工件中间部分切去较多的金属，工件冷却后中间呈凹形。

4.工件的受力变形

图4-61　平面加工时的热变形

机体、箱体及薄板等零件，由于结构上的特点，刚性差，在装夹时由于支承夹压不当就会产生变形。如图4-62a所示薄板工件，当磁力将工件吸向吸盘表面时，工件将产生弹性变形（见图4-62b）。磨完后，由于弹性变形恢复工件已磨好表面又产生翘曲。改进方法，在工件和磁力盘间垫橡皮垫（厚约0.5mm）。在工件夹紧时，橡皮垫被压缩，减少工件变形，便于将工件变形部分磨去。这样经过多次正反面交替磨削即可获得平面度较高的平面（见图4-62d、e、f）。

图4-62　薄板工件磨削

a）毛坯翘曲　b）吸盘吸紧　c）磨合松开　d）磨削凸面e）磨削凹面　f）松开

（二）提高平面加工质量的途径

箱体及其他零件的平面精加工常用的加工方法有刨削、铣削和磨削。这里重点介绍这三种加工方法的质量问题。

1.刨削(www.xing528.com)

刨削是平面加工中一种最早采用的加工方法。其主要工艺特点是万能性好，机床调整方便，刨刀结构简单。

用精细刨代替刮研以广泛使用。所谓精细刨是在精刨以后，进行时效处理，然后利用带有宽的平直刃口的刨刀也叫窄刃刨刀，以很低的速度在工件表面上切去很薄一层金属。由于刨削力很小，工件的发热和变形也很小。因此能获得较小的表面粗糙度（Ra值为1.6～0.8μm）和较高的加工精度（直线度和平面度可达0.02/1000mm），而且生产率较高。

精细刨时要保证良好的加工质量，必须满足下列要求：

1）精细刨所采用的机床精度应调整到最佳状态，工作台的运行必须平稳，无爬行现象，换向时无冲击。

2）避免工件在装夹和加工时的变形。为了避免和减少工件在装夹时的变形，要求工件有足够的刚度和可靠的定位基面，使工件与机床工作台面或定位元件限位面接触良好。工件的夹紧力应尽可能小，为了防止工件在切削时的窜动，最好在工件的四周加挡铁。

3）细刨刀必须有足够的刚度，刀具刃磨时必须严格控制平直刃口的直线度和表面粗糙度（Ra值为0.125～0.1μm）。安装时要严格控制平直刃口的水平性。

4）精细刨的进给次数根据加工余量和加工精度而定，加工余量一般为0.1～0.16mm（根据工件大小及预加工情况而定）。第一、二次进给为校正进给，切深为0.08～0.12mm。进给的大小取决于刨刀结构及几何形状，通常为5～25mm/往复行程。切削速度为212m/min。

5）为了改善表面质量可用煤油作冷却液，刨削前先将加工面均匀润湿，或在加工时连续喷射于刨刀刃口的附近。

2.铣削

近几年来由于铣刀结构的不断改进，刀片的材质和刃磨质量的不断提高，进一步促进了铣削加工在机械制造中的应用。目前采用铣削加工平面，已经可以稳定地获得高的加工精度、生产率和表面粗糙度。精铣平面时由于加工余量不大，主要应考虑下列三个问题：

（1）合理选择切削用量　铣床工作台每分种进给量vf

式中f——铣刀每转进给量；

n——铣刀每分钟转速；

af——铣刀每齿进给量；

z——铣刀齿数。

使用端铣刀加工平面时，若每齿进给量太大，加工表面粗糙；每齿进给量太小，又会加剧刀具的磨损，所以使用硬质合金端铣刀的每齿进给量不应小于0.1mm。目前，由于新型刀具材料的出现（硬质合金——陶瓷复合材料、立方氮化硼、人造金刚石等），每齿进给量已达0.4～1.2mm，切削速度可达13m/min。

为了增加铣刀刀齿数，目前常采用密齿端铣刀。

（2）刀齿结构与振动　为了获得小的表面粗糙度，在端齿刀中必须装有修光齿。修光齿的切削刃通常采用大圆弧形或直线型，前者对修光齿的切削刃与工作台运动方向平行度要求较低，而后者则要求很高。减小表面粗糙度值的另一措施是减少铣削过程的振动。为了减小铣削力的变化周期，使铣削工作平稳，端铣刀可以设计成不等齿距结构。

减小表面粗糙度值的另一措施是增大机床的刚性，特别是安装端铣刀的主轴要有足够的刚性。

（3）端铣刀主轴的合理转角　精铣时，装端铣刀的主轴不能与进给方向垂直，否则刀片和已加工面会发生“扫刀”，不仅产生热量，加速刀片钝化，而且也会使加工表面粗糙。当主轴倾斜α角后（见图4-63），刀盘后部刀齿和工件表面即会有一间隙，一般α=15′～30′。但这样铣出的平面将呈中凹形，若转角甚小，侧中凹量可以控制在形状公差的范围之内。

3.磨削

图4-63　主轴转角

平面磨削的加工质量比刨和铣都高，而且还可以加工淬硬零件。生产批量较大时，箱体零件的平面常用磨削来精加工。为了提高生产率和平面间的相互位置精度，工厂还常采用组合磨削来精加工平面。提高平面磨削质量的主要途径有：

1）提高工艺系统刚度，尽量减小或消除磨削加工时工艺系统振动。

2）提高机床主轴的回转精度和机床导轨的导向精度。

3）减小工艺系统热变形。影响平面磨削质量的主要因素是机床的热变形和工件的热变形。减少机床热变形的影响，主要应采取的措施是减少床身各部的温差。如采用静压导轨可减少导轨间的摩擦热；采用冷冻机、吸热器可使液压油温降低；为了消除气温的影响，精密磨削应在恒温条件下进行。减少磨削热引起的工件变形，磨削过程中应加注充分的冷却液。在不便加注冷却液的情况，常被迫中途停磨。为了缩短停磨时间可采用风扇吹冷，或在加工面涂酒精以快速降温。

4）正确选择磨削方式（周磨和端磨），因为平面磨削精度和表面粗糙度除了与其他因素有关，与磨削方式也有直接关系。正确选用砂轮及磨削用量，因为砂轮和磨削用量选择不当会引起工件较大的热变形。

5）采用适当的装夹方式及工艺措施，减小或消除工件的受力变形。