影响机械加工精度的因素

机械加工系统（简称工艺系统）由机床、夹具、刀具和工件组成。影响加工精度的原始误差主要包括以下几方面：
1) 工艺系统的几何误差（包括机床、夹具和刀具等的制造误差及其磨损）；
2) 工件装夹误差；
3) 工艺系统受力变形引起的加工误差；
4) 工艺系统受热变形引起的加工误差；
5) 工件内应力重新分布引起的变形；
6) 其它误差（包括原理误差、测量误差、调整误差）。
一、工艺系统的几何误差
（一）机床的几何误差
加工中，刀具相对于工件的成形运动，通常都是通过机床完成的，工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床制造误差中对工件加工精度影响较大的误差有：主轴回转误差、导轨误差和传动误差。
1. 主轴回转误差
主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。为便于分析，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向圆跳动和角度摆动三种不同形式的误差。
2．导轨误差
导轨是确定机床各主要部件相对位置关系的基准。
（1）导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响
（2） 导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度的影响
（3）导轨间的平行度误差对加工精度的影响
3．传动链误差
传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差，一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。
（二）刀具的几何误差
刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。采用定尺寸刀具（例如钻头、铰刀、键槽铣刀、圆拉刀等）加工时，刀具的尺寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度。采用成形刀具 （例如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的形状误差和磨损将直接影响工件的形状精度。对于一般刀具（例如车刀、镗刀、铣刀等），其制造误差对工件加工精度无直接影响。
（三） 夹具的几何误差
夹具的作用是使工件相对于刀具和机床占有正确的位置，夹具的几何误差对工件的加工精度（特别是位置精度）有很大影响。
二、装夹误差
装夹误差包括定位误差和夹紧误差两个部分。
（一）定位误差的概念
因定位不准确而引起的误差称为定位误差。定位误差 由基准不重合误差 和由定位副（含工件定位基面和定位元件）制造不准确与定位副间配合间隙引起的定位基准位移误差 两部分组成，定位误差 值为上述两项误差的代数和。
（二）定位误差的分析计算
1. 工件以平面定位时定位误差的分析计算
2. 工件以内孔表面定位时定位误差的分析计算
（三）夹紧误差
工件或夹具刚度不足，夹紧力作用方向、作用点选择不当，都会使工件或夹具产生变形，造成加工误差。
三、工艺系统受力变形引起的加工误差
(一) 工艺系统刚度
1. 工艺系统刚度
机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、惯性力和重力等的作用下，将产生相应变形，使工件产生加工误差。工艺系统在外力作用下产生变形的大小，不仅取决于作用力的大小，还取决于工艺系统的刚度。
平行于基面并与机床主轴中心线相垂直的径向切削分力Fy对工艺系统在该方向上的变形y的比值，称为工艺系统刚度 （N/mm）
2. 机床刚度
机床结构较为复杂，它由许多零、部件组成，其刚度值迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法进行测定。
3. 机床部件刚度
4．影响机床部件刚度的主要因素
1）连接表面间的接触变形 由于零件表面存在宏观几何形状误差和微观几何形状误差，结合 面的实际接触面积只是名义接触面积的一小部分，在外力的作用下接触面上承受的应力很大，产生接触变形。
2）摩擦力的影响 机床部件在经过多次加载和卸载之后，卸载曲线才回到加载曲线的起点,残留变形不再产生，但此时加载曲线与卸载曲线仍不重合，
3）薄弱零件本身的变形 机床部件中，个别薄弱零件会使机床部件产生较大的变形。
4）间隙的影响
（二）工艺系统刚度对加工精度的影响
1．加工过程中由于工艺系统刚度发生变化引起的加工误差
2．由切削力变动引起的加工误差
由于毛坯加工余量和工件材质不均等因素的综合作用，切削力时大时小，工艺系统的变形将 随之发生变化，从而产生加工误差。
（三） 减小工艺系统受力变形的途径
提高工艺系统刚度和减小切削力及其变化，是减少工艺系统变形的有效途径。
1． 提高工艺系统刚度
为有效提高工艺系统刚度，应从提高其各组成部分薄弱环节的刚度入手。提高工艺系统刚度有以下几种主要途径：
(1) 设计机械制造装备时应切实保证关键零部件的刚度 在机械制造装备中应保证支承件（如床身、立柱、横梁、夹具体等）、主轴部件和传动件有足够的刚度。
(2) 提高接触刚度 提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。减少组成件数，提高接触面的表面质量，均可减少接触变形，提高接触刚度。
(3) 消除配合间隙 对于相配合零件，可以通过适当预紧消除间隙。
(4) 采用合理的装夹方式和加工方法 提高工件的装夹刚度，应从定位和夹紧两个方面采取措施。
2．减小切削力及其变化
改善毛坯制造工艺，减小加工余量，适当增大刀具的前角和后角，改善工件材料的切削性能 等均可减小切削力。为控制和减小切削力的变化幅度，应尽量使一批工件的材料性能和加工余量保持均匀。
四、工艺系统受热变形引起的加工误差
工艺系统在热源作用下产生的局部变形，会破坏刀具与工件的正确位置关系，使工件产生加 工误差。热变形对加工精度影响较大，特别是在精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差 通常会占到工件加工总误差的40%～70%。
(一) 工艺系统的热源
(1) 切削热
(2) 摩擦热和动力装置能量损耗发出的热
(3) 外部热源
工艺系统在工作状态下，一方面它经受各种热源的作用使温度逐渐升高，另一方面，它同时也通过各种传热方式向周围介质散发热量。当工件、刀具和机床的温度达到某一数值，单位时间内传出和传入的热量接近相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。在热平衡状态下，工艺系统各部分的温度保持在某一相对固定的数值上，工艺系统的热变形将趋于相对稳定。
(二) 工艺系统热变形对加工精度的影响
1．工件热变形对加工精度的影响
2．刀具热变形对加工精度的影响
3．机床热变形对加工精度的影响
(三) 减小工艺系统热变形的途径
1．减少发热量
2．改善散热条件
4．改进机床结构
五、工件内应力重新分布引起的误差
(一) 内应力及其对加工精度的影响
1．内应力
内应力亦称残余应力，是指在没有外力作用下或去除外力作用后残留在工件内部的应力。工件一旦有内应力产生，就会使工件材料处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位转化，转化速度或快或慢，但迟早总是要转化的，转化的速度取决于外界条件。当带有内应力的工件受到力或热的作用而失去原有的平衡时，内应力就将重新分布以达到新的平衡，并伴随有变形发生，使工件产生加工误差。
2．内应力产生的原因
(1) 热加工中产生的内应力
(2) 冷校直产生的内应力
3. 内应力重新分布引起的变形
如果工件内部存在拉、压平衡的内应力，经过加工后，原有的内应力平衡状态受到破坏，工件就将通过变形重新建立新的应力平衡。
(二) 减小或消除内应力变形误差的途径
1. 合理设计零件结构
在设计零件结构时，应尽量做到壁厚均匀，结构对称，以减小内应力的产生。
2. 合理安排工艺过程
工件中如有内应力产生，必然会有变形发生，但迟变不如早变，应尽量使内应力重新分布引起的变形发生在机械加工之前或粗加工阶段，而不让内应力变形发生在精加工阶段或精加工之后。为此，铸件、锻件、焊接件在进入机械加工之前，应安排退火、回火等热处理工序；箱体、床身等重要零件在粗加工之后，需要适当安排时效工序；工件上一些重要表面的粗、精加工工序宜分阶段安排，使工件在粗加工之后能有更多的时间通过变形使内应力重新分布，待工件充分变形之后再进行精加工，以减小内应力变形对加工精度的影响。
六、其它误差
1．原理误差
原理误差是指由于采用了近似的成形运动、近似的刀刃形状等原因而产生的加工误差。
机械加工中，采用近似的成形运动或近似的刀刃形状进行加工，虽然会由此产生一定的原理误差，但却可以简化机床结构和减少刀具种类和数量。只要能够将加工误差控制在允许的制造公差范围内，就可采用近似加工方法。 2．调整误差
在机械加工过程中，有许多调整工作要做，由于调整不准确产生的误差，称为调整误差。工艺系统的调整有试切法调整和调整法调整两类基本方式。
3． 测量误差
测量误差是工件的测量尺寸与实际尺寸的差值。加工一般精度的零件时，测量误差可占工序尺寸公差的1/5～1/10；加工精密零件时，测量误差可占工序尺寸公差的1/3左右。
产生测量误差的原因主要有：量具量仪本身的制造误差及磨损，测量过程中环境温度的影响，测量者的读数误差，测量者施力不当引起量具量仪的变形等。
七、提高加工精度的途径
1．减小和消除原始误差
减小和消除原始误差是提高加工精度的主要途径，有关内容在前面已详细介绍，此处不再重复。
2. 转移原始误差
采取措施将原始误差的方向由误差敏感方向转移到非敏感方向，从而减少或消除其对加工精度的影响。
3．均分原始误差
当待加工表面的加工误差过大时，可将上工序加工的工件按其尺寸误差大小均分成n组，使每 组工件的尺寸误差缩小为原来的1/n，然后按组调整刀具与工件的相对位置，可以显著提高加工精度。
4．采用误差补偿技术
采用误差补偿技术可以在不十分精密的机床上加工出较为精密的工件，是值得广为推荐的一项先进实用技术。