机械加工中加工精度的影响因素与控制.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：李震（1989），男，汉族，山东济南人，本科学历，山东省服务型制造发展促进会，研究方向为智能制造。-16-机械加工中加工精度的影响因素与控制 李 震 山东省服务型制造发展促进会，山东 济南 250000 摘要：摘要：机械系统中的每个零部件的加工精度都直接影响着整个机械系统能否正常运转工作。在机械部件的加工过程中，一般由操作人员借助加工器械完成零件的加工，整个加工过程既会受到操作人员的技术娴熟程度影响，又跟零件加工所使用的加工器械及环境条件等各类因素相关。本文以机械加工零件的加工精度控制为切入点，在简单梳理机械加工技术发展进展的基础上，阐述了机械加工过程中的加工精度影响因素，并在此基础上，针对性提出机械加工过程中控制加工精度的措施建议，具备一定的现实意义。关键词：关键词：机械加工；加工精度；影响因素；控制 中图分类号：中图分类号：TH161 0 引言 机械加工业作为国家工业生产的基础，同时也代表着国家制造工业的水平高低。在很长一段时期内，我国机械制造业主要以中低端机械产品的加工处理为主，即便对于同一类型机械产品的加工而言，机械加工过程中的精度控制技术水平和国外也存在着较大的差距。以汽车加工生产线为例，加工生产线所使用的伺服电机和减速器选择上，国内很多企业宁愿顶着高昂的成本压力也要选择国外的产品，而不愿意使用国内的自主产品，其很大原因便在于国外的产品在加工过程中的性能参数和稳定程度更为可靠。机械生产所使用的数控机床通常是由数个功能模块协同配合而构成，在每个机械零件的加工过程中，各功能模块的运转性能、所加工零件所处的环境、夹持机械零件所使用的夹具以及操作人员的水平高低均会对所加工得到的机械零件质量高低造成影响。为更好地实现机械加工零件的精度控制，笔者结合多年的机械加工经验，详细阐述影响机械加工的因素，并据此提出提升机械加工精度的应对措施，以期为提升我国的机械加工效益提供一定的参考借鉴。1 机械加工技术发展 通过前期的文献梳理，笔者总结目前机械加工技术的发展趋势及方向主要包括以下三个方面：机加工技术小型化、加工处理高效化和加工水平精准化，下面基于三个方面进行具体阐述。首先，随着电子信息技术的蓬勃发展，微加工技术的应用迎来了前所未来的拓展，纳米生产技术的出现，更是极大程度上催生了微型机械加工技术的诞生，后续更是出现了纳米级加工技术。在实际的生产加工过程中，微型加工技术需要在相对狭小的空间内完成，以此确保加工件的精度。此技术广泛应用于航天制造、医疗器械生产、精密仪器生产等，除此之外，微生产技术对纳米生产技术研发意义重大。其次，目前工业现代化速度不断提升，对于机械加工的时间要求也愈发严苛，只有更快、更好地完成机械产品的生产，才能使得企业收益最大化，快速成型技术应应运而生。具体而言，在加工过程中，先利用计算机终端的软件进行初步建模，再采用目标材料浇筑等手段用于快速成型产品，在整个过程中，模型建立的准确性是快速生产出高质量产品的基础，并且随着 CNC 技术、人工智能等高端技术在机械加工过程中的广泛应用，使得快速成型技术工艺不断更新，使该技术的加工优势体现得更为充分，其在我国机械加工领域的地位也不断凸显，目前已广泛应用于各种精细零部件的生产过程中。最后，零件的加工精度一直是制约国内机械制造产业发展的重要因素之一，正是基于此超精密机械加工技术不仅是我国现代机械加工技术不可或缺的一部分，更是评估机械加工技术的重要途径，尤其是在科学技术不断发展进步的当下，机械技工技术的不断发展，对技术生产相应地也提出了更高的要求，因此在零部件实际加工生产过程中尤其应当注重加工精度的要求。2 加工精度概述 中国科技期刊数据库 工业 A 加工精度，一项用于评价机械零部件加工质量的重要指标之一，其通常上可采用加工的公差等级来确定，数值的大小直接就反应了机械零部件加工质量的好坏。一般而言，机械零部件的允许公差越小，也就代表其对于整个加工过程的精度控制要求就更高。除此之外，常用的机械加工精度还有其他两方面的内容，一是几何精度要求部件的表面形状应当满足一定的要求，二是所生产部件的相互位置参数要符合一定的要求。对于特定类型的零部件加工过程中，会遇到各式各样的困难及问题，各方面的条件均会使得机械加工得到的产品同所要求的尺寸、形状或是表面位置等参数存在误差，在达到允许加工公差范围的基础上，操作人员应当尽可能提升工艺方法，以不断降低所加工零部件的加工误差，以此保证所产生零部件运转过程中的性能表现及稳定性。3 机械加工过程中加工精度的影响因素 按照机械加工过程中对于加工精度造成影响因素的对象来源，笔者将加工精度的影响因素分为系统内部因素和系统外部因素两种，下面展开进行详细阐述。在零部件机械加工过程中，由于加工设备自身的问题可能在一定程度上对于零部件的加工精度造成影响，该类影响因素总体上可称为加工系统内部因素。更具体地，加工系统内部因素又可依据加工系统的具体功能模块类型划分为硬件设备因素和软件编程因素。从硬件设备影响因素来看，随着机床等加工设备服役年限的增长，其内部部分构件可能会出现磨损或者松动等情况，这些因素均会使得机床的主轴与中心轴线产生或多或少的偏移，亦或是机床上加工所使用的刀具、夹具等功能部件产生一定程度的形变量，从而对所加工部件的精度产生一定影响，倘若加工机械设备的性能较差，则会造成所加工出来的零部件精度超过允许公差，进而需要重新进行二次加工，甚至是毛坯工件直接报废，增加了机械加工的成本投入。从软件设备影响因素来看，数控机床目前是市面上应用最为广泛的机械加工设备，其工作原理主要是依靠预先设置好的程序实现自动化控制，即操作人员只需预先将有关信息载体输入到数控装置中机床便可自动完成后续的加工操作，因此控制软件中所编写程序的质量好坏也直接影响着所加工零部件的精度。对机械零部件加工过程造成影响的系统外部因素可以进一步划分为环境因素、工件形状材料和技术因素三个方面。目前机械加工所应用的零部件原材料基本上均是金属材质，该材质具备热胀冷缩的特点，因此外部环境尤其是温度的变化会对待加工零部件的尺寸变化造成影响，而且机械零部件的受热部位不同也会对零部件的表面形状尺寸造成影响，这些因素均会给机械加工过程中的加工精度控制带来困难。此外，机械加工部件的形状材料也会对机加工的精度控制造成影响，以薄壁筒状工件为例，其在加工过程中受到机床夹具的夹持力作用，筒状工件的外壁极易产生不必要的形变，进而造成所加工零部件的表面形变，而且工件材料的热膨胀率不同，不同工件在热环境中产生的膨胀量有所差异，给机械加工过程中的精度控制所带来的难度大小也有所不同。最后，任何机械加工的过程均离不开技术人员的参与，虽然企业在机械加工人员正式上岗之前均会进行一定时长的培训，但是由于培训质量和水平参差不齐，导致已上岗的机械加工人员的技术水平也高低各异，部分机械加工技术人员在操作过程中并未严格按照规定的工艺流程进行操作，势必也将对机械加工过程的精度造成影响。4 机械加工过程中加工精度的控制措施 在详细阐述机械加工中影响加工精度的因素基础上，下面针对机械加工精度的控制措施进行分析，笔者基于多年的机械加工经验，提出可从以下几个方面着重控制机械加工过程中所产生的误差。一是完善设备检测编码系统。机械加工过程的参与人员需要不断深入研究，从小处入手，同时应当加强同零部件设计人员之间的及时沟通，通力做好整个机械加工过程。从编程算法优化方面，如济南铸造锻压机械研究所提出一种使用大功率厚板数控激光切割机 CAM 系统的方法，其特征是包括下列步骤：以零件为基础单位，建立零件库；根据用户需求定制排料任务，设置板材和工艺参数，进行排料套料计算，生成可视化排样图形；排样零件优化以确定所有零件的切割顺序，然后进行零件的切割处理；创建程序，对程序进行模拟仿真可视化处理，传送到大功率厚板激光切割机进行切割。大功率厚板数控激光切割机 CAM 系统，其特征是包括零件库创建模块，排料套料模块，零件优化模块，切割处理模块，NC 程序创建模块，模拟仿真模块；从而形成能够提高编程效率及17中国科技期刊数据库 工业 A NC 代码质量、促进快速产品过程实现和集成化产品开发过程的大功率厚板数控激光切割机 CAM 系统。二是合理控制机械加工的环境温度。在机械加工过程中，对于环境温度的把控尤为重要，尤其是在加工热敏感程度较高的零部件时，更是加强对于机械加工环境温度的实时检测和闭环控制。以上海诺倬力机电科技有限公司所生产的五轴头智能反馈装置及加工机床为例，其包括主轴温度监测组件、主轴外部环境温度监测组件、主轴轴承温度监测组件、主轴油气润滑流量监测组件、A 轴温度监测组件、A 轴轴承温度监测组件、A 轴气动夹钳压力监测组件、A 轴环境温度监测组件、C 轴温度监测组件、C 轴轴承温度监测组件、C 轴气动夹钳压力监测组件以及 C 轴环境温度监测组件。本发明通过传感器实时保护五轴头的使用安全，并且利用远程模块监控设备使用状态，避免因水、电、气应用环境的改变，导致设备故障，同时对现场野蛮操作状态进行记载，具备较为良好的市场前景。此外，在机械加工过程中还需要时刻检测工具的变形量，在温度环境对工件产生不必要的形变量时，相关功能部件能够及时进行对应的热补偿操作，以四川普什宁江机床有限公司提出的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其包括如下步骤：1)建立机床三维 CAD 模型；2)实测机床温度场；3)建立机床热特性有限元模型；4)计算、修正有限元温度场模型；5)实测机床热变形量；6)确定温度传感器个数和位置；7)计算、修正机床有限元热变形模型；8)机床热补偿有限元虚拟分析；本方法一方面，对机床的有限元温度场和热变形模型进行修正，使所建机床有限元模型能够较真实地反映机床热变形的实际情况，从而补偿精度高，稳定性好；另一方面，本方法对机床的多次热补偿试验过程都由计算机虚拟分析完成，缩短了开发周期，减少了开发费用。三是对零部件的夹持部件进行合理优化设计。在实际加工过程中，夹具的夹持力度大小会对待加工部件的形变造成直接影响，但倘若夹持力过小，又容易导致待加工工件定位不牢固等问题，因此有必要对零部件的夹持部件进行优化改进。以上海飞机制造有限公司提出的数控加工用柔性夹具为例，该夹具包括：若干连接板组件以及固定设置于机床工作台两端的定位段以及设置于两个定位段之间的四个公用段，连接板组件分别设置于定位段和公用段之间以及两个公用段之间。本发明具有装夹自动化、工位复合化、结构模块化的优点，能够实现快速、可靠性高、重复性高的梁缘条零件的定位和夹紧。本发明针对飞机梁缘条类零件特有的结构特点，通过将传统三工位立装中的一工位和三工位夹具复合为一，减少夹具工位数的同时使每个工位的夹具有兼顾加工左右对称件的柔性能力。另外，优化夹紧部件对于带加工零部件的适应能力也同样重要，以浙江日发航空数字装备有限责任公司提出的一种全自动车铣复合加工长圆筒工件专用设备为例，其包括机床本体、上下料机构和手推车，手推车的内部放置有长圆筒形工件，上下料机构的底部设置有用于抓取长圆筒形工件的气爪装置，长圆筒形工件通过运输小车输送至机床本体加工装夹的位置，机床本体的工作台面上设置有第一自适应夹具、第二自适应夹具、第三自适应夹具、第四自适应夹具，机床本体对应第一自适应夹具、第二自适应夹具、第三自适应夹具、第四自适应夹具的位置设置有机床主轴和刀库。本发明不需人工上下料，保证生产安全；集精加工和检测一体，控制提高产品质量和生产效率，解决了现有机床不够自动化，导致产品质量不可控的问题。5 结束语 在机械部件的加工过程中，一般由操作人员借助加工器械完成零件的加工，整个加工过程既会受到操作人员的技术娴熟程度影响，又跟零件加工所使用的加工器械及环境条件等各类因素相关。本文以机械加工零件的加工精度控制为切入点，在简单梳理机械加工技术发展进展的基础上，阐述了机械加工过程中的加工精度影响因素包括系统内部因素和系统外部因素，并在此基础上，从完善设备检测编码系统、合理控制机械加工的环境温度和对零部件的夹持部件进行合理优化设计三个方面针对性提出机械加工过程中控制加工精度的措施建议，具备较为深远的现实指导意义。参考文献 1冯晓峰.机械加工中铣削加工精度的影响因素与控制策略J.中国高新科技,2021(19):78-79.18中国科技期刊数据库 工业 A 2胡志远.探讨机械加工中加工精度的影响因素与控制J.河北农机,2021(7):120-121.3林梅,李波,仲文清,等.机械加工工艺对汽车零部件精度的影响研究J.内燃机与配件,2021(3):96-97.4郭红.浅谈机械加工工艺对加工零件精度的影响因素和控制措施J.现代制造技术与装备,2019(5):113-114.5刘帅.机械加工中对精度加工制造造成影响的因素J.内燃机与配件,2018(6):111-112.6李茂朋,刘智.现代工业制造中工装夹具的设计发展分析J.新型工业化,2022(2):143-144.7李顺,杜磊,郭忠华.机械加工精度的影响因素及提高措施探析J.科技创新与应用,2015(5):72.8杨彦涛.分析机械加工工艺对零件加工精度的影响J.新型工业化,2019(4):55-58.19