机械加工原始误差分析与控制措施

刘学杰　王进　田玉艳

摘 要：文章列举了加工过程中影响机械加工精度的各种原始误差，然后对这些原始误差进行逐一详尽分析，深入剖析其存的主要原因，并针对这些原因提出了相应的措施，再重点介绍两种在现代加工中心应用较多的误差补偿措施。

关键词：机械加工精度；原始误差；误差补偿

1 概述

零件加工完成后其几何参数与理想零件的几何参数之间总是存在的不可避免的偏差称之为加工误差[1]。我们研究原始误差的目的在于揭示其在零件加工过程中产生的原因以便采取相对应的措施来减少误差，最终达到提高零件的加工精度的目的。我们将在加工过程中可能出现的原始误差逐一列出，如图1所示。

文章对各原始误差进行深入分析，并采取相应的措施以降低加工误差。

2 传统控制机械加工原始误差的措施

对于正在加工的零件而言，原始误差可能在加工前已经存在，如原理误差、工艺装夹误差、机床误差及调整误差等，也有可能是随着加工的进行而出现的，如刀具磨损、工艺系统受热变形等。前者可以采取重新选择加工方法或调整机床的措施；后者则要对其产生的原因及变化规律进行探究，再采取相应的工艺措施消除其影响。此外，各种加工误差往往不是孤立存在的，它们之间是相互依赖相互影响的。在某一特定条件下，可能有某一种或几种原始误差起主导作用，我们可以通过分析确定这些起主导作用的误差，然后采取相应的措施。

下面对各种加工误差进行分析。

2.1 原理误差

由于采用了近似的加工运动或者近似的刀具轮廓而产生的误差，一般出现在加工精度要求不高、成本低廉的零件中或因加工条件限制必须用近似加工的零件中，这类零件的使用要求一般不高，所以降低零件的原理误差一般意义不大。

2.2 零件装夹误差

在零件装夹至机床或加工中心上时，由于受到夹具的夹紧力而产生了一个预变形，这个预变形量即为装夹误差。机床夹具定位元件本身存在加工误差，这也会使得零件在装夹时产生误差。零件装夹误差在进行薄壁零件加工时是不可忽略的主要因素，大多采用多点装夹或合理安排加工工序，尽量一次装夹多次加工来减少装夹误差。在数控机床上还可利用数控程序测量、计算和补偿工件装夹的定位方法，来降低对工件装夹的要求[2]。

2.3 机床误差

主要是指机床工作中由于主轴回转、导轨和传动链等引起的误差。可以采取更换滚动轴承，调整轴承间隙，换用高精度的静压轴承的方式恢复及提高主轴回转精度。导轨和传动链误差属于“硬伤”，只能在机床使用过程中多加留心、及时检测、对于机床硬件定期保养等措施来推迟这类误差的出现。

2.4 刀具误差

是指在进行切削过程中由于刀具受损而引起的加工误差。可以采取一定措施来减少刀具误差的影响，如正确选用刀具材料和选用新型耐磨材料的刀具，选择合适的刀具几何参数和切削用量，合理安排加工工序，采用冷却液等。尽量使刀具少加工零件断面以减少瞬间冲击磨损，避免使用易对刀具产生冲击的单刃刀具等，都能最大限度地减少刀具磨损。

2.5 度量误差

零件在加工时、加工后进行度量产生的误差即为度量误差。在平时对量具进行定期鉴定并注意保养，进行零件测量时选用合适的量具，测量方法正确避免视差及读数错误，对于零件的关键尺寸采取多人测量等措施均可减少度量误差。

2.6 工艺系统的受力变形产生的误差

工艺系统在零件加工的过程中，由于受到外力作用而产生变形，破坏已经调整好的刀具与零件之间的相对位置和机床预定的运动规律而使零件产生了误差，这个误差就叫工艺系统的受力变形产生的误差。采取的措施有在加工准备阶段采用减少刀具、工件的悬伸长度或进行有效的辅助支承以提高其刚度，减少产生变形的切削力；安排工序顺序时，尽可能不要加工断续表面；调整机床，提高刚度等。

2.7 工艺系统的受热变形产生的误差

机床和夹具在加工零件的过程中会产生热量，零件、刀具在切削过程中产生切削热，它们之间相互传递，这样工艺系统会因各系统的热变形不同而引起其相对位置变化，从而引起加工误差。减少工艺系统受热变形误差的措施有采用压缩空气或大流量的切削液、预热机床在热平衡状态下进行加工、在恒温室中加工等。

2.8 内应力变形误差

内应力变形误差是指零件残余应力引起的误差。可以采取高温时效、低温时效、振动去应力、粗精阶段分加工、热校直等措施来减少内应力变形误差。

2.9 调整误差

工艺系统中的调整包括机床调整、夹具调整、刀具调整等。由于调整不可能绝对准确，也就带来不同程度的调整误差。减少这类误差的措施有：合理安排粗精加工工序；零件进入精加工工序后减少零件装夹次数等。

除了这些控制误差措施外，通常还还会用到分化或均化原始误差、转移原始误差等方法来对加工误差进行控制。

3 机械加工误差补偿措施

影响零件加工精度的原始误差很多，为了达到控制其加工精度的目的，需要针对零件的特征及加工方法，找出影响加工精度的主要因素，才能采取针对性措施。但影响零件加工误差的因素太多了，找到主要的影响因素并不容易。其实无论哪种原始误差影响最大，最终体现在零件上的就是零件超差，亦即原始误差是“因”；加工误差 是“果”。我们可以不理“因”，直接对“果”采取措施，使其满足零件的价格精度要求。这就是随着大型加工中心及计算机技术的发展而兴起的一种新的提高加工精度的措施——误差补偿。

所谓误差补偿就是人为地制造出一种新的误差，通过移动机床的运动副以使刀具和工件在机床空间误差的逆方向上产生相对运动，以此抵消原来工艺系统中固有的原始误差，达到减少加工误差，提高零件加工精度的目的。这个新的误差即为补偿值，补偿值的获取主要有两种方式：通过模型仿真预测或在线检测。模型仿真包括数控加工中心的空间误差模型和零件切削误差模型。数控加工中心的空间误差模型是指在加工空间里刀具相对工件的总误差与加工中心各组件运动误差随刀具位置的函数[3]，把数控加工中心的切削运动看作空间两组刚体的运动，应用刚体运动学理论和齐次坐标变换技术建立多轴数控加工中心空间误差的通用模型，把加工中心刀具相对工件的终端误差表示为各个误差源和刀具位置的函数。零件切削误差模型是通过切削试验结合软件建模分析实现的。首先通过多组切削试验建立某种金属的切削力模型，再通过向仿真模型添加初始应力场、对节点施加切削力、控制走刀路径对切削过程进行仿真分析，预测零件的误差变形。

在线检测误差补偿是指在零件加工过程中，通过测量系统测出零件尺寸误差统计数据，再通过数控程序实现加工尺寸误差补偿[4]。目前我国的在线检测大多是采用间接在机检测零件尺寸的方法，即停止切削加工，工件保持装夹状态，利用安装在数控机床上的测头对工件进行检测，再将检测数据传给外部计算机进行尺寸计算和误差分析，依据分析结果将相应的补偿值输入数控机床的控制系统。这种方法将机床与测量仪器有机地结合起来，机床既作为加工设备，又作为测量设备，以机床的精度作为在机测量的精度基础，避免了加工与测量的基准不统一的误差。还可以通过开发必要的测量程序和测量数据处理软件， 直观显示测量结果，按测量结果直接补偿。不过目前大多数的数控机床自身的控制系统不具备测量数据分析功能。一般的检查数据处理方式是将数据输出至外部计算机上进行数据处理。

4 结束语

目前零件的加工精度要求越来越高，采取合理措施减少或消除相关影响机械加工精度的原始误差因素很有必要，随着科学技术发展，误差的识别与控制技术发展较快，这使得误差控制措施更加经济完善。很多学者专家对从事误差仿真预测及及检测技术课题研究取得了重大突破， 相信在不久的将来，误差补偿技术一定会成为一种比较常用的误差控制措施。

参考文献

[1]王先逵.机械制造工艺学[M]，北京：清华大学出版社，1989.

[2]贾作森.装夹定位误差的补偿方法[J].制造技术与机床，1995，10：14-16.

[3]张虎，周云飞.数控加工中心误差G代码补偿技术[J].华中科技大学学报，2002，30（2）：13-16.

[4]刘刚军，刘黎.加工中心在线检测系统的研究[J].机械工程与自动化，2009，156（5）：110-113.

作者简介：刘学杰（1982-），男，工程师，硕士研究生，从事机械结构设计与研究等。