【机械加工工艺技术误差来源及控制方法探析8300字（论文）】

机械加工工艺技术误差来源及控制方法分析摘要在机械加工过程中，过量的误差会相当严重的影响机械产品本身的性能。而机械加工的误差又是不可避免的，不过只要将误差控制在允许范围内，就不会对加工件的使用产生明显影响。在研究分析机械加工工艺技术误差来源的基础上，确定了误差来源，主要包括定位误差、机床加工制造误差和工具几何误差；分析了相应的误差控制方法，包括误差补偿法、直接减小误差法和误差分组法，并加以比较；最终提出了三种误差控制方法以及在不同机械加工的应用特征，对实践工作有参考价值。【关键词】机械加工工艺；误差；控制目录1引言 11.1研究背景及目的 11.2国内外研究状况 11.2.1国外研究状况 11.2.2国内研究状况 21.3研究内容及方法 42机械加工工艺技术误差概述 42.1机械加工工艺 42.2加工误差 42.3加工误差的产生 53机械加工工艺技术误差来源 53.1定位误差 53.1.1定位参照误差 53.1.2基准不重合误差 53.2机床加工制造误差 63.3工具几何误差 74机械加工工艺技术误差控制方法 74.1误差补偿法 74.2直接减小误差法 84.3误差分组法 85控制方法在不同机械加工的应用特征 85.1误差补偿法的应用特征 85.2直接减小误差法的应用特征 95.3误差分组法的应用特征 9结论 10参考文献 121引言1.1研究背景及目的世界经济全球化、一体化的高速发展，对企业产品、服务等软件和硬件的综合竞争力提出了更高的要求，面对激烈的国内外市场竞争，企业要想生存、发展必须提高产品质量和提高劳动效率。由于设备机床、操作者技术水平等主客观因素的存在，导致企业在组织生产过程中，都会不可避免的产生加工误差这一难题。加工误差会对产品质量造成不良影响，轻则导致产品加工精度降低，重则会造成产品报废，加工误差已成为提高企业经济效益的重要制约因素。因此，通过对产品加工误差的系统分析，并采取恰当、合理的误差控制措施是机械加工企业的必然选择。在现阶段的机械加工行业，加工误差在机械加工过程中是一个不可能回避的问题，误差是指测量值与真实值之间的差异，零件加工后的几何尺寸、形状和相互位置等实际要素与理想状态之间偏差的程度。零件加工受人为、量具、环境等内外部因素影响而产生加工误差，加工误差直接影响到加工精度进而影响产品质量，加工误差越大，加工精度就越低，产品质量就越差。通过分析生产过程中的各种误差源，找到相应的解决措施，最大程度上减少加工误差给产品加工精度带来的负面影响，这是研究加工误差的根本原因。机械零件加工是在一个复杂的系统加工环境内完成的，机床、刀具、夹具和工件组成了加工环境内最基本的要素，各要素产生的误差以及各要素之间的相互影响、相互作用产生的误差都会使系统环境内加工零件的真实值遭受到不同程度的变化，从而导致零件出现偏差。本文在分析国内外误差研究发展的前提下，通过查找生产加工产生的误差源并运用相关方法对误差产生的原因进行全面、细致的综合分析，采取一系列得到实践验证的、切实可行的误差控制措施来减少或消除加工误差。1.2国内外研究状况1.2.1国外研究状况误差诊断起源于20世纪90年代，针对误差研究领域的理论，欧美等工业发达国家已经走在了前列，美国的密执安大学（UniversityofMichiganatAnnArbor）工程研究中心为加工误差研究理论的发展做出了突出的贡献，其在误差研究领域具有举足轻重的地位。1997年密执安大学的S.J.Hu教授通过对零件装配的分析，提出了误差流（Streamofvariation）理论，并把这一理论应用在汽车车体装配上，对汽车车体装配流程进行数学建模，采用数学统计分析方法对车体装配过程中产生的误差进行有效的控制。在现代制造行业，机械加工是制造系统中最关键的因素，通过降低材料消耗、提高劳动生产率、改进加工工艺、提高设备利用率等方法，保证产品的加工精度，进一步实现提高产品质量的目的，其中最根本的因素是对加工误差的控制。对汽车车体装配过程产生的误差进行控制取得了重大成果，其中的一些理论和诊断步骤引起了研究者的高度重视，并在机械加工误差诊断领域得到广泛的应用，同时计算机技术的飞速发展，也为误差研究打下了坚实的基础。有关专家学者以此为动力不断的扩大误差研究的范围，并取得了一系列突出的成绩。Ding和Zhou建立了线形混合模型，实现了对工件多工序制造过程产生的各类误差的分析。Ramesh和Mannan通过分析三轴数控机床的误差影响因素，对加工工艺系统内热变形导致的误差进行了详细叙述，以此为基础建立了热变形误差模型。Liu和Soshi通过Z-map模型实现了对球头铣刀精加工的工件表面形貌的预测，并指出切削参数对表面形貌的影响。Guiassa等以薄壁零件为研究对象，依据测量数据，建立了数学模型，有效地对由切削力引起的加工误差进行了控制，避免了薄壁零件误差的扩大和蔓延。Watanabe建立了自适应控制系统，可以监控工件的加工精度，根据监控得到的数据信息对有关误差进行诊断。Poniatowska借助三坐标测量机，对机械零件曲面上的离散点的坐标数据进行了测量，并对测量数据进行分析，找到误差控制的途径。Chen等利用在机测量技术对自由曲面上点的数据进行测量和分析，并采用回归模型对自由曲面的加工误差进行分析。Yue等利用NURBS方法重构了螺旋锥齿轮轮齿的曲面模型，并分析了曲面重构的误差。国外学者基于不同的误差研究对象、不同的分析角度提出了较多走在世界前列的误差控制方法，为工件加工精度的提高奠定了理论和现实基础，但大多数研究都是建立在误差流基础上的，在现实机械生产加工过程中，影响误差的因素各不相同且复杂多变，仅仅要求上道工序误差必然会推出下道工序误差是不现实的、是脱离实际的。1.2.2国内研究状况同国外专家学者对加工误差的研究相比，我国研究人员对误差控制领域的研究起步较晚，但也取得了一系列突出的成绩，对误差控制研究做出了重大贡献。现代机械制造业的高速发展，对产品加工精度提出了更高的要求，由于加工误差产生的原因不同，技术研究人员在误差控制采取的方法多种多样，因此涉及误差问题的相关研究关注点也就各有侧重。（1）基于专家系统的误差诊断专家系统误差诊断是以电子计算机技术为平台，依靠计算机对研究对象的有关信息进行搜集、整理，借助计算机自身数据信息分析功能基础上，充分发挥专家学者的实践经验，并将实践经验和研究对象加工影响因素进行结合、推理，在推理过程中，根据实际需求对计算机有关应用程序进行调整，明确操作者所需要的关键信息，就可以实现误差源的诊断，如图1-1。图1-1专家系统诊断原理（2）基于模糊的误差诊断基于模糊的误差诊断指通过不确定的因素对加工误差和来源进行叙述，并利用模糊运算的方法对误差进行分析，找到加工误差源，如图1-2所示。图1-2模糊诊断的原理框图（3）基于模型的误差诊断基于模型的误差诊断主要思想，如图1-3所示。图1-3基于模型诊断的主要思想基于模型的误差诊断法控制误差最关键的因素是建立恰当的模型，只要选择建立的模型符合规定要求，就可以对相关信息进行追溯，最后确定加工工件的误差源，现实生产过程中，模型的正确建立受多重因素的制约和影响，一旦模型建立不达标，就会导致误差源不能正确的反映同误差之间的关系，也就是说错误的模型会隔断误差和误差源之间的因果联系。1.3研究内容及方法本文在研究分析机械加工工艺技术误差来源的基础上，确定了误差来源，主要包括定位误差、机床加工制造误差和工具几何误差；分析了相应的误差控制方法，包括误差补偿法、直接减小误差法和误差分组法，并加以比较；最终提出了三种误差控制方法以及在不同机械加工的应用特征，对实践工作有参考价值。本文主要采用文献资料法和案例分析法。文献资料法主要是结合国内外已有研究结果来借鉴相关理论及概念。案例分析法主要是结合具体的案例对机械加工工艺技术误差的控制方法进行详细的介绍和分析。2机械加工工艺技术误差概述在机械加工中，工艺员根据加工设备条件、待加工产品数量，以及工人加工素质等实际情况，确定应采用的工艺过程，并把相关加工内容和要求制成工艺文件，这些工艺文件也称为工艺规程，是组织生产的重要技术文件。由于各个工厂的实际生产情况和工艺流程各不相同，因此工艺规程的针对性较强。2.1机械加工工艺所谓机械加工工艺过程，是指通过机械加工改变毛坯的表面质量、尺寸与形状等，使其成为零件的过程。例如，一个普通零件的粗加工、精加工、装配、检验、包装等过程，为一套完整的机械加工工艺过程。以上过程中所采用的技术，称作机械加工工艺技术。2.2加工误差加工误差是指零件加工后的实际几何参数（几何尺寸、几何形状和相互位置）与理想几何参数之间偏差的程度。零件加工后实际几何参数与理想几何参数之间的符合程度即为加工精度。加工误差越小，符合程度越高，加工精度就越高。加工精度与加工误差是一个问题的两种提法。所以，加工误差的大小反映了加工精度的高低。2.3加工误差的产生零件的机械加工是在由机床、刀具、夹具和工件组成的工艺系统内完成的。零件加工表面的几何尺寸、几何形状和加工表面之间的相互位置关系取决于工艺系统间的相对运动关系。工件和刀具分别安装在机床和刀架上，在机床的带动下实现运动，并受机床和刀具的约束。因此，工艺系统中各种误差就会以不同的程度和方式反映为零件的加工误差。在完成任一个加工过程中，由于工艺系统各种原始误差的存在，如机床、夹具、刀具的制造误差及磨损、工件的装夹误差、测量误差、工艺系统的调整误差以及加工中的各种力和热所引起的误差等，使工艺系统间正确的几何关系遭到破坏而产生加工误差。这些原始误差，其中一部分与工艺系统的结构状况有关，一部分与切削过程的物理因素变化有关。3机械加工工艺技术误差来源3.1定位误差通常情况下，在机械加工过程中，加工工艺中的技术误差是不可避免的，且误差的存在严重影响着机械产品的工艺精度。机械产品加工工艺中的误差种类多种多样，其中定位误差是比较常见的。导致机械加工工艺出现定位误差的原因主要有两方面，一方面是定位副加工不准，另一方面是基准不重合。3.1.1定位参照误差使用数控机床进行机械加工时，工件是以计算机上的数字模型为基准，通过程序控制指令进行复制加工。然而，如果数字模型与待加工工件之间的定位参照存在明显误差，就会导致后期出现配合间隙，所加工出来的工件与模型之间存在较大差距，难以满足实际使用需求，造成材料浪费。3.1.2基准不重合误差除了参照计算机数字模型进行工件加工外，还可利用已有的实际工件进行工件加工复制。在加工之前，需要将标准件与加工模板对齐，保证两者之间的基准重合。然而，由于加工过程中会产生机床振动，导致两者之间的基准出现偏差（如图3-1所示），如果不能及时进行基准调整，后期加工出来的工件往往会出现变形等问题。a）零件图（b）加工图图3-1基准不重合误差基于此，在实际进行零件加工时必须对定位基准参考问题加以重视，尽最大可能选择正确的几何要素进行零件加工定位基准，否则一旦零件加工定位的基准与设计基准不相符，就会造成基准不吻合误差。工件的定位基准面和夹具定位元件的工作表面，这两个表面合称为定位副，由工件定位面和夹具定位原件构成，因此，如果定位副之间或者定位副制造两者之间出现配合异常情况，就会造成零件变动，甚至是导致定位副的加工不准确，从而造成误差。定位误差经常出现在调整法加工零件中，但是在试切法中是不会出现类似问题的。3.2机床加工制造误差在进行机械加工过程中，机床制造误差也是比较常见的，导轨误差、传动链误差，以及主轴回转误差等是机床制造误差常见的类型。导轨误差极易发生在机床制造过程中，一旦机床制造中的主要部件相对位置等出现异常，就会严重影响机床形成后的位置关系。这种误差主要是由于机床水平面或者垂直面的导轨直线出现误差所导致的，另外，也有可能出现在垂直面上的导轨平行度误差。而传动链误差主要是在进行机床制造时，传动链运行过程中会出现不断磨损的现象，就会直接影响着传动链正常的生产距离，从而在极大程度上影响着机床制造和装配环节。在机床制造加工之前，需要事先确定回转轴线的位置，但是在实际制造时往往会造成平均回转轴与主轴的回转线之间存在误差，进而产生主轴回转误差，直接影响着零件的加工制造过程，需要注意的是，轴承运转磨损和同轴度误差都会加大主轴回转误差，因此，在实际生产加工过程中要对其加以重视。3.3工具几何误差除了上述必要加工设备外，在进行机械加工时，还需应用到各类辅助工具，如果工具选用不合理，或是工具本身存在一定问题，也有可能导致机械加工过程中出现误差。以夹具为例，其主要作用是将被加工模板固定在机床上，其产生的几何误差主要体现在两方面：一是夹具在长期使用过程中，出现磨损或松动，导致工件固定不稳，那么后期加工就容易出现工件位移，造成加工误差（如图3-2所示）；二是夹具的加工位置出现偏差。以刀具为例，其作为一种易耗材料，在工件加工过程中必然会出现一定磨损（如图3-3所示）。磨损到一定程度后，在预定的加工时间内就难以取得预期的加工效果，使得工件尺寸、加工进度等都无法达到标准要求。除了刀具精度以外，刀具种类的选择、刀具尺寸的选用等，也会成为影响机械加工工艺的重要因素。图3-2加工误差图3-3刀具磨损偏差（单位：mm）时间t的变化曲线4机械加工工艺技术误差控制方法通过上文的分析，尽管机械加工误差是不可避免的，但是在机械加工的过程中，可以通过具体的分析找到误差产生的原因，因此，机械加工误差仍然是可以严格控制的。下面对一些可行有效的误差控制措施进行探讨。4.1误差补偿法在机械加工中有些误差是不可避免的，但是能够通过适当的方法来降低这些误差，这个时候就可以用到误差填补法。具体来说就是充分地研究原始误差的发生原因，并通过增加材料的方法实现误差补偿和填补，最终实现降低零件加工误差的效果。例如为了填补机床误差，必须适当的降低机床丝杆之间的螺旋距离，适当低于标准值从而在装配时补偿了预加拉伸力的影响，产生正应力来补偿误差。另外还可以通过一定的设备来定期产生压力，从而减少机械工件受热，维持丝杆螺距的稳定，但应注意这种方式也会产生一定的原始误差。4.2直接减小误差法直接减少误差法在所有控制机械加工工艺技术误差的方法中，直接减少误差法具有操作成本低、操作方法简单易学的特点，这就使其成为了行业内部应用最为广泛的技术误差控制方法。减少直接误差是降低机械加工技术误差的重要措施，部分直接误差是可以通过预防来降低的。例如在机械加工中，由于受到热度和相关力度的影响，轴车会产生一定的变形，为此可以进行轴车对切，并以走刀的反方向为对切方向，这样就能充分利用弹簧的性能来防止轴车变形。再如：在对薄片的两端进行磨削时，一般情况下可以用树脂粘强剂将原件在自然状态下粘合在一块平滑的平板上，然后，将两者一同放在磁力的吸盘上，将端面磨平了以后取下零件接着去打磨另一个端面即可，这样打磨出来的薄片刚度较强，不易变形。4.3误差分组法误差分组就是在加工过程中，相关人员可以人为地把毛坯或者半成品的尺寸按照误差大小分成几个小组，这样的话，在很大程度上毛坯的误差会大大降低。在加工的过程中，领导可以将员工分成若干个小组，每个部分有专门的员工进行负责，如：对于机械加工器具的选择和检验，以及工作过程中对于已经完成的项目的检测部分。在工作之前，安排给各个员工不同的任务，在工作的时候能够避免浪费时间，可以有条不紊的进行工作。如：对数据机床的滚珠丝杆螺距磨得较标准值小，通过受热拉伸达到标准值达到补偿制造误差的效果就是典型代表。所以在加工的过程中，对于信息的处理也需要一些新的方法和进一步的研究。所以，在工作人员对机械加工工艺进行检测的时候，一定要认真对检测的信息以及数据做详细的记录。对本身的机械加工工艺信息做以明确的判断。5控制方法在不同机械加工的应用特征5.1误差补偿法的应用特征误差补偿法和直接减少误差相比更加科学合理。对不可避免的误差进行填补主要是对原始的误差进行分析，然后在加工过程中增加材料对误差进行填补或者和原来的误差进行抵消，就能有效地降低加工误差，提高加工工艺的精度。在处理数控机床上滚珠丝杆的误差时，可以磨短丝杆的螺距，同时把丝杆的螺距拉伸，和标准距离一致，这样就能有效地填补误差。在同一时间产生的压力能减少工件的受热，能保证螺距的变准性，这样是避免了由于丝杆的受热导致变形，引起了自身的原始误差，在后期的加工环节产生的误差能够有效进行填补。5.2直接减小误差法的应用特征机械加工生产企业应通过不断优化该方法的应用合理性，以提高机械产品的生产效率。首先，在进行具体的操作前，机械加工人员要明确技术误差的产生原因，以找出具有针对性的问题控制策略。其次，在进行直接消除和抵消误差的过程中，加工人员要根据加工零部件以及所处作业条件的实际情况，来进行具体操作。例如，在加工机械细长轴车削时，由于加工原材料具有不耐热和力的特性，这就意味着其工件非常容易出现变形或弯曲问题。因此，机械加工人员可通过采用大走刀反向切削法，来降低细长轴车削构件发生变形或弯曲的程度。最后，机械加工人员在采用直接减少误差法后，还要对零部件本身进行必要的处理，以控制其影响。例如，在对薄片工件的两端面进行磨削加工时，误差控制人员可以将工件和平板连同粘接在磁力吸盘上，以降低技术误差的影响。与此同时，加工人员还要保证工件处于平面磨得光滑状态后，再从磁力吸盘上取出，这就提高方法应用的效率，从而高效解决了薄片夹紧、弯曲以及变形问题所带来的影响。由此可见，直接减少误差法的应用，就是通过遵循“以毒攻毒”的控制策略原则，从而实现了既不影响原有机械加工工序的状态，还大幅度降低了技术误差对零件加工工序的精度影响。5.3误差分组法的应用特征机械产品进行生产及加工过程中的每一个工序环节，所需的工艺要求以及标准都是专业的，对于相应的加工精度也是一般不会变化的。如果机械加工半成品的话，就会参考前一道加工工艺的毛坯精度还有加工精度，这是因为半成品加工精度没有一个衡量的标准，很难维持在一个较高水准。其实我们都知道这样很不科学合理，那么有一个办法就是：机械相关人员采用误差分组的办法就可以避免减少所产生的误差。误差分组法在对机械产品进行加工的过程中，由于机械部件的尺寸和加工技术均有不同的要求。个别情况下，甚至是其功能要求也不相同。因此，在实际的机械加工过程中，产品生产使用的精度和质量受到了加工工艺以及加工技术的影响。由于目前的市场环境，使得机械加工企业的加工工艺应用处在较为成熟的状态，这就使其能够在整个机械加工环节中做到稳定的精度值。但是在每个小小的加工工序上，尤其是那些半成品的加工技术精度确实太低，难免会出现复映误差或定位误差等误差，从而影响了整个机械加工工序的效率和质量。在这种情况下采用的误差控制技术，通常是需要参考上一工序加工精度或毛坯精度，这是非常浪费时间，而且看不到效果。而误差分组法正是弥补了这种误差控制技术的缺陷，以误差大小为参考标准，将半成品或毛坯尺寸分为若干个组，这样半成品或毛坯尺寸的误差都能得到一定程度的缩小，在借助调整工件与刀具的相对位置或调整定位元件等技术，降低整个工序的误差系数。由此可见，采用误差分组法进行机械加工产品的加工，能够在明确其工艺方面、工程方面以及应用技术方面的要求状态下，控制加工工艺的技术误差。结论总而言之，机械加工工艺的技术误差会让零部件的精确度降低，这其实直接影响到了零部件的质量达不到要求，更远地说会影响到机械加工行业的可持续发展。所以，机械相关人员应该分析误差的原因如定