加工余量对孔轴类零件加工精度的影响分析

□ 朱达新

1.江苏省江阴中等专业学校 江苏江阴 214400 2.北京理工大学 机械与车辆学院 北京 100081

一般制造类企业在探索提高机械加工产品质量时，往往在加工方法和措施方面投入大量的时间和精力，而忽视机加工具体工艺过程中加工余量对产品质量的影响，在确定零件的加工余量时或多或少存在随意性问题，这不仅会增加零件的加工难度，而且可能给产品质量带来不良影响。

1 加工余量概念

加工余量指零件在加工过程中从零件加工表面切除的金属层厚度，可分为工序加工余量和总加工余量。

工序加工余量指零件加工表面在一道工序中所切除的金属层厚度，取决于相邻工序、前后工序尺寸之差。

总加工余量指零件从毛坯变为产品的整个加工过程中切除的金属层总厚度，也即零件同一表面毛坯尺寸和零件尺寸之差。总加工余量等于各工序加工余量之和。

由于毛坯制造和各工序尺寸都不可避免地存在误差，因此无论总加工余量还是工序加工余量都为变动值，也就产生了最小加工余量和最大加工余量。加工余量与公差的关系如图1所示。

最小加工余量是前工序最小工序尺寸和本工序最大工序尺寸之差，最大加工余量是前工序最大工序尺寸和本工序最小工序尺寸之差。工序加工余量的变动范围，即最大加工余量与最小加工余量的差值等于前工序与本工序两工序尺寸公差之和。工序尺寸的公差带一般规定在零件的入体方向，对于轴类零件而言，其基本尺寸就是最大工序尺寸；而对于孔而言，则是最小工序尺寸[1-2]。

图1 加工余量与公差关系示意图

2 加工余量的影响分析

2.1 加工余量过大

零件在机械加工过程中必定会产生切削热，这些切削热一部分被切屑和切削液带走，一部分传给刀具，还有一部分传给工件，使零件的温度升高。温度的高低与加工余量大小有很大关系，加工余量大，粗加工时间必然会延长，切削用量也会加大，导致切削热不断增加，零件温度进一步升高。零件温度升高带来的最大危害就是使零件产生变形，尤其是对温度变化比较敏感的材料，如不锈钢所受影响更大，使加工难度增加，产品质量受影响[3]。

在加工丝杠类细长轴零件时，由于采用的是一夹一顶的加工方法，长度方向的自由度受到限制，这时如果工件温度过高，便会产生热膨胀，在长度方向延伸受阻的情况下，工件受应力影响必然会产生弯曲变形，如图2所示，给后期的加工带来很大麻烦。这时如继续加工，将凸出部分车直至成品，待冷却至常温，零件在应力作用下又会产生反向变形，如图3所示，造成形位误差超差而影响质量。精密丝杠磨削时工件的热变形还会引起螺距误差。

图2 受热后零件弯曲变形

图3 冷却至常温后零件弯曲变形

2.2 加工余量过小

零件的加工余量不能过大，也不能过小。加工余量过小，则不能消除前道工序加工过程中残留的形位公差和表面缺陷，从而影响产品质量。为了保证零件的加工质量，各工序所留最小加工余量应能满足基本要求。

图4为某零件内孔最小加工余量构成因素示意图，图4（a）为所要加工内孔的零件。如果该孔在前道工序加工时轴线O1-O1偏离基准轴线O-O，存在位置误差n，且内孔存在圆柱度误差p和表面粗糙度误差h，如图4（b）所示，那么为了消除镗孔前的形位公差，镗孔工序的单边最小加工余量应包含上述误差和缺陷。考虑到本工序镗孔时工件不可避免地存在安装误差，即原孔轴线O-O与工件安装后的回转轴线O'-O'间存在误差e，加之本工序镗孔时的尺寸公差T，得到本工序的单面最小加工余量为Z≥（T+h+p+n+e）/2。

图4 最小加工余量构成因素示意图

对不同的零件和不同的工序，上述误差数值和表现形式各有不同，在决定工序加工余量时应区别对待。细长轴易弯曲变形，母线直线误差已超出直径尺寸公差范围，工序加工余量应适当放大。对采用浮动绞刀等工具并以加工表面本身定位进行加工的工序，则可以不考虑安装误差的影响，工序加工余量可相应减小。对某些主要用来降低表面粗糙度值的精加工工序，工序加工余量的大小仅与表面粗糙度误差有关[4-6]。

3 确定轴孔类零件加工余量的方法

3.1 经验估计法

经验估计法是根据设计经验或同类型零件对比来确定加工余量的方法。在船舶中，舵杆、舵销、中间轴、艉轴的加工余量就是由工艺人员根据多年的设计经验而定，考虑到工件的重要性，加上体积庞大、锻件毛坯应力大等因素的影响，粗车外圆后留6 mm余量待时效后半精车，半精车后留3 mm精车余量，精车留1 mm磨削余量。为了防止加工余量不足而产生废品，经验估计法所估加工余量一般偏大，常用于单件小批量生产[7]。

3.2 查表修正法

查表修正法以生产实践和试验研究积累的有关加工余量的资料数据为基础，编制成表格，并结合实际加工情况进行修正，进而来确定加工余量，应用比较广泛[8]。

轴类零件粗车后精车外圆，以及磨加工外圆时直径加工余量表见表1、表2，表中L为零件长度，零件表面未淬硬。

表1 轴类零件粗车后精车外圆直径加工余量mm

表2 轴类零件磨加工外圆直径加工余量mm

3.3 分析计算法

分析计算法是根据试验资料和计算公式来对影响加工余量的各种因素进行分析和综合计算，进而确定加工余量的方法。这一方法确定的加工余量既准确又经济合理，但需要积累比较全面的资料，计算过程也比较烦琐，不如上述两种方法简单直观，因此目前应用较少。

实际生产中，由于许多零件毛坯的制作方法都是临时确定的，如采用钢板卷制后焊接而成的不锈钢套，以及冷却器端盖、马达底座、齿轮箱翻砂件等，这些零件在毛坯制作过程中有许多不确定因素，形状误差很难预料，因此其加工余量很难用某一种方法确定，只能在实际制作过程中灵活应用各种方法[9-10]。

4 结束语

零件加工余量的大小直接影响产品质量，合理安排零件加工余量及选择正确的加工方法具有重要意义。笔者提出了合理选择加工余量的常用方法，以供参考。

[1]陈宏钧.实用机械加工工艺手册[M].4版.北京：机械工业出版社，2016.

[2]王先逵.机械加工工艺手册：第1卷 工艺基础卷[M].2版.北京：机械工业出版社，2007.

[3]宋晓艳.大余量毛坯孔的加工工艺与刀具设计[J].工具技术，2003，37（1）：45-47.

[4]瞿继九.合理确定机械加工余量的意义[J].科技资讯，2010（35）：85.

[5]任妙芳.浅析机械加工精度的影响因素及提高措施[J].机械研究与应用，2010（2）：124-126.

[6]王国敏.浅析机械加工精度的影响因素及对策[J].经济研究导刊，2010（26）：296-297.

[7]姚愿伟，王晓慧，王友利，等.平面毛坯尺寸标注的新方法及应用[J].机械制造，2016，54（8）：41-44.

[8]卞亚峰，王晓慧，徐小龙.浅析铸件毛坯尺寸标注基准的合理选择[J].机械制造，2013，51（2）：65-67.

[9]李政军.缸体加工典型粗基准的选择[J].汽车工艺师，2016（2）：59-61.

[10]冉启军，张玉峰.机械加工工序误差分析与计算（下）[J].金属加工（冷加工），2011（5）：58-60.