数控机床加工精度常用的基本知识

　　

加工精度主要用于生产产品程度，加工精度与加工误差都是评价加工表面几何参数的术语。加工精度用公差等级衡量，等级值越小，其精度越高；加工误差用数值表示，数值越大，其误差越大。加工精度高，就是加工误差小，反之亦然。公差等级从IT01，IT0，IT1，IT2，IT3至IT18一共有20个，其中IT01表示的话该零件加工精度最高的，IT18表示的话该零件加工精度是最低的 ，一般上IT7、IT8是加工精度中等级别。

 

任何加工方法所得到的实际参数都不会绝对准确，从零件的功能看，只要加工误差在零件图要求的公差范围内，就认为保证了加工精度。

 

机器的质量取决于零件的加工质量和机器的装配质量，零件加工质量包含零件加工精度和表面质量两大部分。

 

机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数相符合的程度。它们之间的差异称为加工误差。加工误差的大小反映了加工精度的高低。误差越大加工精度越低，误差越小加工精度越高。

 

一、加工精度的调整方法

 

1、减小机床误差

 

（1）提高主轴部件的制造精度

 

1）应提高轴承的回转精度 ：

 

①选用高精度的滚动轴承；

 

②采用高精度的多油锲动压轴承；

 

③采用高精度的静压轴承。

 

2）应提高与轴承相配件的精度：

 

①提高箱体支撑孔、主轴轴颈的加工精度；

 

②提高与轴承相配合表面的加工精度；

 

③测量及调节相应件的径向跳动范围，使误差补偿或相抵消。

 

（2）对滚动轴承适当预紧

 

①可消除间隙；

 

②增加轴承刚度；

 

③均化滚动体误差。

 

（3）使主轴回转精度不反映到工件上。

 

2、对工艺系统进行调整

 

（1）试切法调整

 

通过试切—测量尺寸—调整刀具的吃刀量—走刀切削—再试切，如此反复直至达到所需尺寸。此法生产效率低，主要用于单件小批生产。

 

（2）调整法

 

通过预先调整好机床、夹具、工件和刀具的相对位置获得所需尺寸。此法生产率高，主要用于大批大量生产。

 

3、减小刀具磨损

 

在刀具尺寸磨损达到急剧磨损阶段前就必须重新磨刀。

 

4、减少传动链传动误差

 

（1）传动件数少，传动链短，传动精度高；

 

（2）采用降速传动，是保证传动精度的重要原则，且越接近末端的传动副，其传动比应越小；

 

（3）末端件精度应高于其他传动件。

 

5、减小工艺系统的受力变形

 

（1）提高系统的刚度，特别是提高工艺系统中薄弱环节的刚度

 

1）合理的结构设计

 

①尽量减少连接面的数目；

 

②防止有局部低刚度环节出现；

 

③应合理选择基础件、支撑件的结构和截面形状。

 

2）提高连接表面的接触刚度

 

①提高机床部件中零件间结合面的质量；

 

②给机床部件以预加载荷；

 

③提高工件定位基准面的精度和减小它的表面粗糙度值。

 

3）采用合理的装夹和定位方式

 

（2）减小载荷及其变化

 

1）合理选择刀具几何参数和切削用量，以减小切削力；

 

2）毛胚分组，尽量使调整中毛胚加工余量均匀。

 

6、减少残余应力

 

（1）增加消除内应力的热处理工序；

 

（2）合理安排工艺过程。

 

7、减小工艺系统热变形

 

（1）采用合理的机床部件结构及装配基准

 

1）采用热对称结构——在变速箱中，将轴、轴承、传动齿轮等对称布置，可使箱壁温升均匀，箱体变形减小；

 

2）合理选择机床零部件的装配基准。

 

（2）减少热源的发热和隔离热源

 

1）采用较小的切削用量；

 

2）零件精度要求高时，将粗精加工工序分开；

 

3）尽可能将热源从机床分离出去，减少机床热变形；

 

4）对主轴轴承、丝杆螺母副、高速运动的导轨副等不能分离的热源，从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热或用隔热材料；

 

5）采用强制式风冷、水冷等散热措施。

 

（1）均衡温度场

 

（2）加速达到传热平衡

 

（3）控制环境温度

 

二、加工精度误差的原因

 

1、加工原理误差

 

加工原理误差是指采用了近似的刀刃轮廓或近似的传动关系进行加工而产生的误差。加工原理误差多出现于螺纹、齿轮、复杂曲面加工中。

 

例如，加工渐开线齿轮用的齿轮滚刀，为使滚刀制造方便，采用了阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆，使齿轮渐开线齿形产生了误差。又如车削模数蜗杆时，由于蜗杆的螺距等于蜗轮的周节（即 mπ），其中 m是模数，而π是一个无理数，但是车床的配换齿轮的齿数是有限的，选择配换齿轮时只能将π化为近似的分数值（π =3.1415）计算，这就将引起刀具对于工件成形运动（螺旋运动）的不准确，造成螺距误差。

 

在加工中，一般采用近似加工，在理论误差可以满足加工精度要求的前提下（《=10%-15%尺寸公差），来提高生产率和经济性。

 

2、调整误差

 

机床的调整误差是指由于调整不准确而产生的误差。

 

3、夹具的制造误差和磨损

 

夹具的误差主要指：

 

（1）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等的制造误差；

 

（2）夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸误差；

 

（3）夹具在使用过程中工作表面的磨损。

 

4、机床误差

 

机床误差是指机床的制造误差、安装误差和磨损。主要包括机床导轨导向误差、机床主轴回转误差、机床传动链的传动误差。

 

（1）机床导轨导向误差

 

1）导轨导向精度——导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的符合程度。主要包括：

 

① 导轨在水平面内直线度Δy和垂直面内的直线度Δz（弯曲）；

 

②前后两导轨的平行度（扭曲）；

 

③ 导轨对主轴回转轴线在水平面内和垂直面内的平行度误差或垂直度误差。

 

2）导轨导向精度对切削加工的影响

 

主要考虑导轨误差引起刀具与工件在误差敏感方向的相对位移。车削加工时误差敏感方向为水平方向，垂直方向引起的导向误差产生的加工误差可以忽略；镗削加工时误差敏感方向随刀具回转而变化；刨削加工时误差敏感方向为垂直方向，床身导轨在垂直平面内的直线度引起加工表面直线度和平面度误差。

 

（2）机床主轴回转误差

 

机床主轴回转误差是指实际回转轴线对于理想回转轴线的漂移。主要包括主轴端面圆跳动、主轴径向圆跳动、主轴几何轴线倾角摆动。

 

1）主轴端面圆跳动对加工精度的影响：

 

①加工圆柱面时无影响；

 

②车、镗端面时将产生端面与圆柱面轴线垂直度误差或端面平面度误差；

 

③加工螺纹时，将产生螺距周期误差。

 

2）主轴径向圆跳动对加工精度的影响：

 

①若径向回转误差表现为其实际轴线在y轴坐标方向上作简谐直线运动，镗床镗出的孔为椭圆形孔，圆度误差为径向圆跳动幅值；而车床车出的孔没什么影响；

 

②若主轴几何轴线作偏心运动，无论车、镗都能得到一个半径为刀尖到平均轴线距离的圆。

 

3）主轴几何轴线倾角摆动对加工精度的影响：

 

①几何轴线相对于平均轴线在空间成一定锥角的圆锥轨迹，从各截面看相当于几何轴心绕平均轴心作偏心运动，而从轴向看各处偏心值不同；

 

②几何轴线在某一平面内作摆动，从各截面看相当于实际轴线在一平面内作简谐直线运动，而从轴向看各处跳动幅值不同；

 

③实际上主轴几何轴线的倾角摆动为上述两种的叠加。

 

（3）机床传动链的传动误差

 

机床传动链的传动误差是指传动链中首末两端传动元件之间的相对运动误差。

 

5、工艺系统受力变形

 

工艺系统在切削力、夹紧力、重力和惯性力等作用下会产生变形，从而破坏了已调整好的工艺系统各组成部分的相互位置关系，导致加工误差的产生，并影响加工过程的稳定性。主要考虑机床变形、工件变形以及工艺系统的总变形。

 

（1）切削力对加工精度的影响

 

只考虑机床变形，对加工轴类零件来讲，机床受力变形使加工工件呈两端粗、中间细的鞍形，即产生圆柱度误差。只考虑工件变形，对加工轴类零件来讲，工件受力变形使加工后工件呈两端细、中间粗的鼓形。而对加工孔类零件来讲，单独考虑机床或工件的变形，加工后工件的形状与加工的轴类零件相反。

 

（2）夹紧力对加工精度的影响

 

工件装夹时，由于工件刚度较低或夹紧力着力点不当，使工件产生相应的变形，造成的加工误差。

 

6、刀具的制造误差和磨损

 

刀具误差对加工精度的影响根据刀具的种类不同而异。

 

（1）定尺寸刀具（如钻头、铰刀、键槽铣刀及圆拉刀等）的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度。

 

（2）成型刀具（如成型车刀、成型铣刀、成型砂轮等）的形状精度将直接影响工件的形状精度。

 

（3）展成刀具（如齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀具等）的刀刃形状误差会影响加工表面的形状精度。

 

（4）一般刀具（如车刀、镗刀、铣刀），其制造精度对加工精度无直接影响，但刀具易磨损。

 

7、加工现场环境影响

 

加工现场往往有许多细小金属屑，这些金属屑如果存在与零件定位面或定位孔位置就会影响零件加工精度，对于高精度加工，一些细小到目视不到的金属屑都会影响到精度。这个影响因素会被识别出来但并无十分到位的方法来杜绝，往往对操作员的作业手法依赖很高。

 

8、工艺系统的热变形

 

在加工过程中，由于内部热源（切削热、摩擦热）或外部热源（环境温度、热辐射）产热使工艺系统受热而发生变形，从而影响加工精度。在大型工件加工和精密加工中， 工艺系统热变形引起的加工误差占加工总误差的40%-70%。

 

工件热变形对加工金的的影响包括工件均匀受热和工件不均匀受热两种。

 

9、工件内部的残余应力

 

残余应力的产生：

 

（1）毛胚制造和热处理过程中产生的残余应力；

 

（2）冷校直带来的残余应力；

 

（3）切削加工带来的残余应力。