论文部分内容阅读
摘 要：加工误差是指零件被加工后的实际几何参数（尺寸、形状、位置）与图纸标注的理想几何参数的偏离程度，偏离程度越大，说明误差越大。文章分析了系统误差和随机误差产生的原因，并提出了对加工误差进行补偿的科学方法。
关键词：加工误差;数控车床;机械加工
在实际工作中，由于受到外力、内力、机床刚性、工艺装备、温度、湿度、冷却、润滑以及人为操作因素的影响，被加工工件不可避免的会出现各种尺寸、形状和位置误差。根据产生的原因，通常可将加工误差分为系统误差和随机误差两类。
一、系统误差
数控车床的系统误差是由机床自身原因产生的，是机床在制造、运输、装配和调试过程中形成的，是机床的属性误差，主要是由机床定位误差、几何精度误差、机床部件刚性误差造成的等。
（一）定位精度误差
由于机床在装配过程中要受到主轴、导轨及滚珠丝杠等元件定位精度的影响，在实际加工中要分别对这些定位误差进行控制。主轴的回转精度主要影响加工表面的几何形状精度、位置精度和加工表面质量。
机床主轴回转时，理想状态下其回转轴线的空间位置是固定不变的，但实际上由于主轴部件中轴承的制造误差、主轴自身刚度、部件装配质量和润滑条件等因素的影响，主轴实际回转轴线对其理想回转轴线出现了规律性偏离，具体表现为径向圆跳动和轴向窜动。
在零件或刀具被夹紧以后，导轨控制了零件运动的五个自由度，仅容许零件及其附属工装夹具沿需要的直线方向运动，并且要保证溜板和工作台运动的方向正确。此时，导轨在运动平面内会产生直线度误差，前后导轨在垂直面内会产生平行度误差。
内传动链误差是机床内联系传动链中首末两端构成一个传动联系的一系列传动件之间相对运动产生的位置误差，误差的大小直接影响各传动件之间的位置精度。当传动链中的传动元件如齿轮、蜗杆、丝杠、螺母等存在制造误差、装配误差和疲劳磨损时，就会破坏传动链中各传动件正确的运动位置关系，使被加工零件产生误差。
（二）几何精度误差
几何精度误差主要来源于数控机床零、部件、辅助元件的制造及装配精度，是与机床零、部件的形位精度相关的误差元素。车刀的几何误差对加工精度的影响根据刀具种类的不同和加工对象的不同而有所差异，在圓弧面形状时产生误差较大。如采用成形刀具、展成刀具加工零件时，车刀的制造精度、安装误差会直接影响工件的加工精度。在长期磨损和热灼时，刀尖形状和尺寸也会发生变化，如果没有及时修补，也会产生加工误差。
夹具的几何误差主要是指夹具的定位元件、导向元件、夹具体及辅助元件等的制造与装配误差，它对被加工零件的同轴度、位置度、垂直度等位置误差有比较大的影响。夹具的发展可以用现代化来形容，如近几年投入市场的液压夹紧装置、气动夹具、组合夹具、电永磁夹具和精密组合平口钳，特别是热装式刀柄的出现，使刀具的定位越来越精准。
（三）机床部件刚度误差
机床零部件的刚性和他们的组装质量决定了机床的整体刚度。机床刚度对加工精度的影响很大，特别是在加工较大零件时，零件高速旋转产生的离心力使得主轴偏离原来的运动轨迹。以国产数控车床为例，对机床精度影响较大的有床身、导轨、床鞍、卡盘、尾座及丝杠刚度等。以上种种因素，均会导致工件在被加工过程中产生变形，从而使加工后零件的形位精度和表面质量达不到要求。
二、随机误差
随机误差是由机床的外部条件引起的，一般分为运动误差、内应力形变误差、热变形误差和测量系统误差等。随机误差是偶然性误差，受外界条件影响较大，加工过程控制好的时候随机误差可以减小或避免。
（一）运动误差
在车削轴类工件时，刀具和工件常会受到力学因素的影响，从而产生相应的变形，偏离了既定的运动轨迹，降低了工件的加工精度。例如，当工件刚度小于刀具及夹具的刚度时，在刀具切削力和主轴高速旋转产生离心力的作用下，工件就会由于刚度不足而发生弯曲变形，从而出现腰鼓形圆柱度误差、马鞍形圆柱度误差、锥形圆柱度误差等形状误差。反之，当加工硬度很高的零件时，切削困难，刀具及夹具也会出现微小的弯曲变形，从而降低工件的加工精度。
（二）内应力形变误差
内应力就是在没有受到外力作用时而存在于零件内部的应力，其产生的原因很多，比如铸造时冷却不均匀、加工时受力不均匀等等。工件上一旦产生内应力，就会使工件处于一种高能位的不稳定状态，从而本能地向低能位的稳定状态转化，并伴随工件变形，最终使工件丧失原有的加工精度。
（三）热变形误差
当机床处于运转状态时，由于机床运动零部件相对运动产生摩擦热、刀具与工件切削产生切削热以及电动机等加工环境因素引起的机床系统变形称为热变形，由此引起的床身、主轴等机床零部件刚性形位变化称为热变形误差。由于不同材料的温度变化规律和速率不尽相同，以及同种材料不同厚度、同一部件不同位置的温度变化不均匀，使得零件产生热力变形，最终造成刀具切削工件时的相对位置发生改变，影响工件的加工精度。
（四）测量系统误差
影响测量系统误差的因素有很多，如测量原理、方法、仪器引起的测量误差，热胀冷缩引起的测量误差等等。这里主要介绍设备、人为和环境三个影响因素。
在仪器零部件生产和装配的过程中生产的加工误差和安装误差属于设备误差。由于操作者的工作经验、操作水平、观感能力、用力大小、读数不准等的差别，用同一个测量工具对同一个零件的测量还是会有人为误差。环境对精密零件的加工和测量有很大的影响，如果加工环境中温度、湿度、风力、气压等因素没有控制好，必然会造成加工和测量误差。
近年来，国内外数控方面的专业人员、企业技术工程师和高校的研究机构针对误差补偿方法在国产数控机床上的应用开展了大量的研究工作，形成了一些研究成果。如何在加工时快速准确检测机床各种误差来源以及如何通过测量与软件技术相结合的方法实现对误差值的分析，了解误差产生的原因和规律，成为解决数控机床加工误差补偿难题的关键。
参考文献
[1] 陈本锋.半封闭环数控车床滚珠丝杠反向间隙的误差补偿分析[J].装备制造技术，2015（10）：162-165.
[2] 陈本锋. 数控车床滚珠丝杠反向间隙误差及其控制研究[D].西华大学，2015.
关键词：加工误差;数控车床;机械加工
在实际工作中，由于受到外力、内力、机床刚性、工艺装备、温度、湿度、冷却、润滑以及人为操作因素的影响，被加工工件不可避免的会出现各种尺寸、形状和位置误差。根据产生的原因，通常可将加工误差分为系统误差和随机误差两类。
一、系统误差
数控车床的系统误差是由机床自身原因产生的，是机床在制造、运输、装配和调试过程中形成的，是机床的属性误差，主要是由机床定位误差、几何精度误差、机床部件刚性误差造成的等。
（一）定位精度误差
由于机床在装配过程中要受到主轴、导轨及滚珠丝杠等元件定位精度的影响，在实际加工中要分别对这些定位误差进行控制。主轴的回转精度主要影响加工表面的几何形状精度、位置精度和加工表面质量。
机床主轴回转时，理想状态下其回转轴线的空间位置是固定不变的，但实际上由于主轴部件中轴承的制造误差、主轴自身刚度、部件装配质量和润滑条件等因素的影响，主轴实际回转轴线对其理想回转轴线出现了规律性偏离，具体表现为径向圆跳动和轴向窜动。
在零件或刀具被夹紧以后，导轨控制了零件运动的五个自由度，仅容许零件及其附属工装夹具沿需要的直线方向运动，并且要保证溜板和工作台运动的方向正确。此时，导轨在运动平面内会产生直线度误差，前后导轨在垂直面内会产生平行度误差。
内传动链误差是机床内联系传动链中首末两端构成一个传动联系的一系列传动件之间相对运动产生的位置误差，误差的大小直接影响各传动件之间的位置精度。当传动链中的传动元件如齿轮、蜗杆、丝杠、螺母等存在制造误差、装配误差和疲劳磨损时，就会破坏传动链中各传动件正确的运动位置关系，使被加工零件产生误差。
（二）几何精度误差
几何精度误差主要来源于数控机床零、部件、辅助元件的制造及装配精度，是与机床零、部件的形位精度相关的误差元素。车刀的几何误差对加工精度的影响根据刀具种类的不同和加工对象的不同而有所差异，在圓弧面形状时产生误差较大。如采用成形刀具、展成刀具加工零件时，车刀的制造精度、安装误差会直接影响工件的加工精度。在长期磨损和热灼时，刀尖形状和尺寸也会发生变化，如果没有及时修补，也会产生加工误差。
夹具的几何误差主要是指夹具的定位元件、导向元件、夹具体及辅助元件等的制造与装配误差，它对被加工零件的同轴度、位置度、垂直度等位置误差有比较大的影响。夹具的发展可以用现代化来形容，如近几年投入市场的液压夹紧装置、气动夹具、组合夹具、电永磁夹具和精密组合平口钳，特别是热装式刀柄的出现，使刀具的定位越来越精准。
（三）机床部件刚度误差
机床零部件的刚性和他们的组装质量决定了机床的整体刚度。机床刚度对加工精度的影响很大，特别是在加工较大零件时，零件高速旋转产生的离心力使得主轴偏离原来的运动轨迹。以国产数控车床为例，对机床精度影响较大的有床身、导轨、床鞍、卡盘、尾座及丝杠刚度等。以上种种因素，均会导致工件在被加工过程中产生变形，从而使加工后零件的形位精度和表面质量达不到要求。
二、随机误差
随机误差是由机床的外部条件引起的，一般分为运动误差、内应力形变误差、热变形误差和测量系统误差等。随机误差是偶然性误差，受外界条件影响较大，加工过程控制好的时候随机误差可以减小或避免。
（一）运动误差
在车削轴类工件时，刀具和工件常会受到力学因素的影响，从而产生相应的变形，偏离了既定的运动轨迹，降低了工件的加工精度。例如，当工件刚度小于刀具及夹具的刚度时，在刀具切削力和主轴高速旋转产生离心力的作用下，工件就会由于刚度不足而发生弯曲变形，从而出现腰鼓形圆柱度误差、马鞍形圆柱度误差、锥形圆柱度误差等形状误差。反之，当加工硬度很高的零件时，切削困难，刀具及夹具也会出现微小的弯曲变形，从而降低工件的加工精度。
（二）内应力形变误差
内应力就是在没有受到外力作用时而存在于零件内部的应力，其产生的原因很多，比如铸造时冷却不均匀、加工时受力不均匀等等。工件上一旦产生内应力，就会使工件处于一种高能位的不稳定状态，从而本能地向低能位的稳定状态转化，并伴随工件变形，最终使工件丧失原有的加工精度。
（三）热变形误差
当机床处于运转状态时，由于机床运动零部件相对运动产生摩擦热、刀具与工件切削产生切削热以及电动机等加工环境因素引起的机床系统变形称为热变形，由此引起的床身、主轴等机床零部件刚性形位变化称为热变形误差。由于不同材料的温度变化规律和速率不尽相同，以及同种材料不同厚度、同一部件不同位置的温度变化不均匀，使得零件产生热力变形，最终造成刀具切削工件时的相对位置发生改变，影响工件的加工精度。
（四）测量系统误差
影响测量系统误差的因素有很多，如测量原理、方法、仪器引起的测量误差，热胀冷缩引起的测量误差等等。这里主要介绍设备、人为和环境三个影响因素。
在仪器零部件生产和装配的过程中生产的加工误差和安装误差属于设备误差。由于操作者的工作经验、操作水平、观感能力、用力大小、读数不准等的差别，用同一个测量工具对同一个零件的测量还是会有人为误差。环境对精密零件的加工和测量有很大的影响，如果加工环境中温度、湿度、风力、气压等因素没有控制好，必然会造成加工和测量误差。
近年来，国内外数控方面的专业人员、企业技术工程师和高校的研究机构针对误差补偿方法在国产数控机床上的应用开展了大量的研究工作，形成了一些研究成果。如何在加工时快速准确检测机床各种误差来源以及如何通过测量与软件技术相结合的方法实现对误差值的分析，了解误差产生的原因和规律，成为解决数控机床加工误差补偿难题的关键。
参考文献
[1] 陈本锋.半封闭环数控车床滚珠丝杠反向间隙的误差补偿分析[J].装备制造技术，2015（10）：162-165.
[2] 陈本锋. 数控车床滚珠丝杠反向间隙误差及其控制研究[D].西华大学，2015.