机械加工质量的影响因素及控制对策研究

郁冲

摘要：机械加工零件产品的质量是绝大多数工业生产稳定运行的基础保障。面对客户对产品质量的各个需求，机械加工设计人员根据生产经验、设备性能和专业知识，合理的制定零件加工工艺方案和设备型号。机械加工人员根据零件加工工艺方案，开展一系列加工生产。本文从加工工艺和机械设备两方面角度阐述影响机械加工零件精密度质量的因素，并提出了优化措施。

关键词：机械加工;精密度;幾何尺寸;形状

0  引言

机械加工制造出的各类机械零件是汽车、航天、船舶、化工等众多领域必须使用的产品，随着产业升级，各个产业对机械零件产品的质量要求也越来越严格。例如有些化工生产工艺中使用到的机械零件需要长时间、高强度工作在高温、高压、高有机溶剂腐蚀的环境下，如果使用的机械零件质量不达标，不仅会影响到化工工艺的正常生产，并且一旦机械零件发生故障，将会导致严重的化工安全事故。关于机械加工产品的质量的各个参数，包括了产品表面粗糙度、产品表面性能以及产品的精密度。本文主要对机械加工零件质量中的产品精密度质量的控制强化做出系统阐述，从影响零件精密度的加工因素出发，提出一系列完善措施，提高企业产品质量，加强企业市场竞争力。

1  机械加工零件精密度概述

机械加工零件精密度主要指的是原材料经过机械加工后得到零件产品的尺寸、几何形状、结构位置与目标产品零件的匹配度，匹配度越高说明机械加工零件的精密度越高，反之则越低。

①尺寸精密：零件外观尺寸与目标产品零件图纸标注的尺寸要满足一定的误差范围;

②几何形状精密度：零件外观几何形状，如平面度、正四方体、四棱锥、角度、弧度等于目标产品零件图纸表述的形状要吻合，形状误差控制在一定范围内;

③结构位置精密度：零件结构位置与目标产品零件图纸标注的结构位置要满足一定的误差范围，比如相对位置大小、平行性、直角度等。从直观角度来看，影响零件机械加工精密度的因素主要与加工工艺、操作人员技术水平和设备性能有关。但是放在企业整个加工周期大环境来看，除了职业因素意外，零件机械加工精密度还与企业质量管理制度、材料材质、各部门协调等工作相关。

2  影响机械加工表面质量的因素

2.1 内部因素

所谓的内部因素指的是机械加工过程中使用到的各种机床设备自身误差所导致的零件精密度的因素，这种因素是影响零件精密度的核心因素，也是很难避免的因素。以常见的数控机床为例，数控机床加工过程中存在的几何误差主要包括以下三点：

①原始制造误差：原始制造误差指的是数控机床的各个零部件由于自身结构的偏差所造成的运动位移误差。其中机床控制系统误差和热变形误差属于原始制造误差中的常见几何误差，控制系统误差包括了机床轴系的轮廓跟随误差以及数控插补算法误差。热变形误差主要是机床的部件机构受热变形所造成的误差，受热变形主要由机床内部的热源和环境温度变化引起。

②作业时产生的误差：数控机床在进行正常作业时，主要发生切削负荷造成的工艺系统变形误差以及机床振动产生误差。切削负荷所造成的机床、切刀、工件以及工艺的误差又被称为“让刀”，这种误差会造成加工零件的变形，引发加工零件的质量问题。而机床在进行作业时，由于系统工艺复杂，工序较多，工序较多工作状态不稳定时，就会出现振动现象，从而造成加工产品的几何形状误差，甚至影响到加工产品的质量。

③检测系统误差：数控机床的检测系统通过对加工零件的实际位移量进行检测，将检测结果反馈到机床的数控系统，进行调整控制。第一，当测量传感器制造过程产生误差或者安装不当所导致的系统本身的误差;第二，当测量传感器受到机床零件和机构使用误差的影响，导致反馈信息的失真所引起的检测误差。

2.2 热变因素

机械加工过程中产生的热变因素主要是由于机床热变、磨具热变和零件变形导致的。其中零件受热变形是导致加工零件精密度降低重要因素，特别是当时用一些受热性能不好的材料时。例如，以磨削加工丝杠为例，当磨削加工一根长1m的丝杠时，没完成一次磨削，丝杠的温度都会上升4℃，丝杠的拉升程度都会增加0.04mm。当机床工作时，受到内部产生的热量和外部环境的温度影响，机床内部的部分零件温度变化，产生温度势差。由于机床的零件非常复杂也很精密，如果温度和温度势差过高，也会影响机床的加工精密度。

2.3 受力因素

机械加工的本质是机床根据中央控制命令，精确地控制刀具对工件材料进行切割、打磨等机械加工，这个过程不可避免的会发生各种各样的接触形式，导致材料出现受力变形。例如，一些材料的受力变形性能较差，在进行挤压加工时，零件就会产生一定尺寸上的变形，影响产品的精密度。此外，加工过程中热处理产生的盈利和切削时产生的残余应力也会导致零件的精密度降低。

3  改善机械加工表面质量的方法

3.1 利用几何补偿原理

基于补偿原理的零件加工精密度提高方法主要有防止和补偿两种。其中误差防止虽然可以从数字机床硬件设备的提升来提高零件的制造水平，受到制造成本的影响，在数控机床的实际操作中使用范围不广。数控机床的误差补偿原理是基于数控机床所产生的几何误差，通过人为设置一个误差来抵消原来机床上的几何误差。误差补偿技术不增加生产成本，也不改变数控机床的基本结构，其通过测量传感器对数控机床作业时在线检测，得到刀具加工点和实际零件位置坐标点的偏差，监测系统将检测到的坐标偏差反馈给数控系统，通过轮廓跟踪系统改变坐标移动量来进行修正，可以在低成本的基础上实现数控机床精密度的提高。

3.1.1 静态补偿法

对数控机床不断调试，根据调试结果得到误差值，通过修正自动系统的位移量、更换零部件以及应用导轨反向弹性变形等补偿措施来弥补几何误差，从而提高数控机床的精密度。由于静态补偿补偿效果较差，应用局限性较高，这种最初的数控机床补偿技术逐渐被其他补偿技术所取代。

3.1.2 实时补偿法

对机床移动零件的实际位置的测量，将测量数值与数控机床的设计包中的设计值进行比较，进而获得零部件的位移量的偏差。然后通过检测系统将位移量偏差反馈到控制系统，从而实现数控机床的精密度提高。数控机床定位误差的测量手段常用的仪器为激光测量仪，通过测量数控机床与被加工零件的位移点实现位移量误差函数的建立，进而得出机床位移量误差值。

3.1.3 软件补偿法

软件补偿法是在数控机床中插入模型软件，将数控机场作业的实时的参数数据传输到模型软件系统中，通过软件分析得到误差值。得到的误差值通过数控机床的检测系统反馈到机床的数控系统后，再将补偿差值进行加工调整。相比于靜态补偿法和实时补偿法，软件补偿法的另一个特点在于不需要对数控机床的零部件或零件位移量进行调整，只需要通过计算机及相应的闭环模型软件就可完成误差补偿的操作，实现数控机床精密度的提高。但是受限于软件补偿法对模型软件技术含量的要求较高，目前软件补偿法的推广应用没有实时补偿法广泛。

3.2 合理控制工艺过程温度

控制加工温度可以有效的避免零件受热变形、磨具热变形和机床热变形所带来的零件精密度降低。除了采用上述几何补偿方法弥补受热带来的精密度变化以外，操作员工通过各种手段控制加工过程的温度。例如，合理选择切削刀具和数量的参数，使用前对刀具进行润滑处理降低摩擦阻力，使用过程中进行实时冷却。降低机床工作环境温度、对发热源进行集中制冷，降低机床工作温度，对机床内部出现的温度势差，可以通过在局部设置热源的方式降低温度势差，平衡机床工作温度。

3.3 降低外力因素干扰

第一，降低工艺系统受力变形因素;第二，工作人员工作前要对设备进行检查，对过紧的零件进行校正和调试，降低挤压力导致的变形;第三，对设备中的刀具进行润滑打磨，降低摩擦带来的变形。

4  结语

除了上述与机械加工工艺、机械加工设备等有关因素以外，影响到机械加工产品精密度质量的因素还包括了整个机械零件加工从准备生产到产品出库抵达客户方的生产周期中各个环节。如原材料采购、材料储存、企业生产管理、产品管理等一系列工作，这些工作非常复杂，属于不同的专业体系，需要企业各个部门之间相互协调配合。每一个管理环节或者技术环节出现问题都会导致机械加工零件产品质量的缺失。因此，企业在开展机械加工质量控制整改工作时，不能局限加工工艺和机械设备方面，还要从质量管理、设备管理、材料采购等方面进行全方位控制。

参考文献：

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