数控机床机械加工中误差分析及解决办法.doc

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1、 摘 要数控机床因其精度高、高度柔性自动化及适合加工复杂零件的特征，在机械制造企业的应用愈加广泛。而在机械加工不可避免的会出现加工误差和加工精度问题，需要综合运用高等数学 理论力学 材料力学 机械制图 金属工艺学 金属材料及热处理 互换性原理与技术测量算法语言等课程的基本知识，来解决机械加工精度中常见的问题。我国机械加工水平与世界先进水平还有些差距，因此在机械加工技术水平中仍需继续努力。影响机械加工精度的因素主要有加工精度、误差。本文针对数控机床在机械加工中出现的加工精度问题和误差，如何减小误差，提高机械加工精度提出了自己的观点。关 键 词：数控机床、机械加工精度、加工误差 误差分析目 录绪论

2、1一概述1（一） 加工精度于误差1（二） 加工经济精度2（三） 原始误差3（四） 研究机械加工精度的方法3二、工艺系统集合误差3（一）机床的几何误差31. 主轴回转误差32. 导轨误差43. 传动链误差5（二）刀具的几何误差5三、定位误差5（一）基准不重合误差5（二）定位副制造不准确误差5四、工艺系统受力变形引起的误差6（一）基本概念6（二）工件刚度6（三）刀具刚度6（四） 机床部件刚度6（五）工艺系统刚度及其对加工精度的影响6（六）减小工艺系统受力变形的途径7五、工艺系统受热变形引起的误差7（一）工艺系统的热源内部热源和外部热源7（二）减小工艺系统热变形的途径7六、内应力重新分布引起的误差7

3、（一）基本概念8（二）内应力的产生8（三）减小内应力变形误差的途径8七、提高加工精度的措施8（一）减小原始误差9（二）转移原始误差9（三）均分原始误差9（四）强化原始误差9（五）误差补偿9 八、实例分析91 刀尖圆弧引起的误差112误差消除方法123结束语13参考文献致谢数控机床机械加工中误差分析及解决办法 绪 论在时数控机床集合了电子计算机、伺服系统、自动控制系统、精密测量控制系统及新型机构等先进技术。能够加工外形复杂、精密、小批量零件，并且具有加工精度高、生产速率高、适应性强等特点。随着我国机械制造业的快速发展，数数控机床在机械制造业已经得到广泛的应用，而且对数控机床的精度也求也越来越高。

4、在机械加工过程中，往往有很多因素影响工件的最终加工质量，如何使工件的加工达到质量要求，如何减少各种加工精度的影响，就成文加工前必须考虑的事情。要对影响机械加工精度的因素进行分析和提高机械加工精度，需要综合运用高等数学 理论力学 材料力学 机械制图 金属工艺学 金属材料及热处理 互换性原理与技术测量算法语言等课程的基本知识，来解决机械加工精度中常见的问题。一、概述（一） 加工精度与加工误差1.精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。理想的几何参数，对尺寸而言，就是平均尺寸；对表面几何形状而言，就是绝对的圆、圆柱、平面、锥面和直线等；对表面之间的相互位置而言，

5、就是绝对的平行、垂直、同轴、对称等。际加工不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。加工精度与加工误差都是评价加工表面几何参数的术语。加工精度用公差等级衡量，等级值越小，其精度越高；加工误差用数值表示，数值越大，其误差越大。加工精度高，就是加工误差小，反之亦然。何加工方法所得到的实际参数都不会绝对准确，从零件的功能看，只要加工误差在零件图要求的公差范围内，就认为保证了加工精度。2.械加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数相符合的程度。它们之间的差异称为加工误差。加工误差的大小反映了加工精度

6、的高低。误差越大加工精度越低，误差越小加工精度越高。 3.加工精度内容： 尺寸精度 指加工后零件的实际尺寸与零件尺寸的公差带中心的相符合程度。 形状精度 指加工后的零件表面的实际几何形状与理想的几何形状的相符合程度。 位置精度 指加工后零件有关表面之间的实际位置与理想坐标值的符合程度。（二）加工经济精度指在正常的加工条件下（采用符合质量标准的设备和工艺装备，使用标准技术等级的工人、不延长加工时间），一种加工方法所能保证的加工精度和表面粗糙度。加工经济精度是机械加工中经常用的一个概念。一个零件从设计到加工都要注意其经济性，因为经济效益是工厂存在下去的依据。加工精度等级的高低是根据使用要求决定的。

7、所以说所谓经济精度就是在满足使用要求的条件下最低的精度，成本最低，从而达到追求利益最大化的目的。在加工过程中有很多因素影响加工精度，所以同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的。某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个确定值，而应理解为一个范围，在这个范围内都可以说是经济的。（三）原始误差由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统(简称工艺系统)会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式(或扩大、或缩小)反映为工件的加工误差。工艺系统的原始误差主要有工艺系统的几何误差、定位误差、工艺系统的受力变形引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的加

8、工误差、工件内应力重新分布引起的变形以及原理误差、调整误差、测量误差等。（四）研究机械加工精度的方法分析计算法和统计分析法。二、工艺系统集合误差（一）机床的几何误差加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。机床的磨损将使机床工作精度下降。1. 主轴回转误差机床主轴是装夹工件或刀具的基准，并将运动和动力传给工件或刀具，主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度。主轴回转误差是指主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。它可分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度

9、摆动三种基本形式。产生主轴径向回转误差的主要原因有：主轴几段轴颈的同轴度误差、轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴绕度等。但它们对主轴径向回转精度的影响大小随加工方式的不同而不同。譬如，在采用滑动轴承结构为主轴的车床上车削外圆时，切削力F的作用方向可认为大体上时不变的，见右图，在切削力F的作用下，主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触，此时主轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向回转精度的影响则不大；在镗床上镗孔时，由于切削力F的作用方向随着主轴的回转而回转，在切削力F的作用下，主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，因此，

10、轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大。产生轴向窜动的主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。不同的加工方法，主轴回转误差所引起的的加工误差也不同。在车床上加工外圆和内孔时，主轴径向回转误差可以引起工件的圆度和圆柱度误差，但对加工工件端面则无直接影响。主轴轴向回转误差对加工外圆和内孔的影响不大，但对所加工端面的垂直度及平面度则有较大的影响。在车螺纹时，主轴向回转误差可使被加工螺纹的导程产生周期性误差。 适当提高主轴及箱体的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对高速主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主

11、轴的回转精度。2.导轨误差导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准，也是机床运动的基准。除了导轨本身的制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也使造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。 3. 传动链误差传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。 （二）刀具的几何误差刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。采用定尺寸刀具成形刀具展成刀具加工时，刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度；而对一般刀具(如车刀等)，其制造误差对工件加工精度无直接影响。夹具的几何误差:夹具的作用时使工件相当于刀具和机床具有正确的位置，因

12、此夹具的制造误差对工件的加工精度(特别是位置精度)有很大影响。三、定位误差（一）基准不重合误差在零件图上用来确定某一表面尺寸、位置所依据的基准称为设计基准。在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依据的基准称为工序基准。一般情况下，工序基准应与设计基准重合。在机床上对工件进行加工时，须选择工件上若干几何要素作为加工时的定位基准(或测量基准)，如果所选用的定位基准(或测量基准)与设计基准不重合，就会产生基准不重合误差。基准不重合误差等于定位基准相对于设计基准在工序尺寸方向上的最大变动量。定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差，只有在采用调整法加工时才会产生，在试切法加工中

13、不会产生。（二）定位副制造不准确误差工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。基准不重合误差的方向和定位副制造不准确误差的方向可能不相同，定位误差取为基准不重合误差和定位副制造不准确误差的矢量和。四、工艺系统受力变形引起的误差（一）基本概念机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。（二）工件刚度工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚度不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大，其最大变形量可按材料力学有关公式估算。（三）刀具刚度外圆车刀

14、在加工表面法线(y)方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。刀杆变形也可以按材料力学有关公式估算.（四） 机床部件刚度1 机部件刚度:机床部件由许多零件组成，机床部件刚度迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法来测定机床部件刚度。2 影响机床部件刚度的因素:结合面接触变形的影响 ,摩擦力的影响,低刚度零件的影响,间隙的影响。（五）工艺系统刚度及其对加工精度的影响1. 由于工艺系统刚度变化引起的误差 2.由于切削力变化引起的误差:加工过程中，由于工件的加工余量发生变化工件材质不均等因素引起的切削力变化，使工艺系统变形发

15、生变化，从而产生加工误差。 3.由于夹紧变形引起的误差:工件在装夹过程中，如果工件刚度较低或夹紧力的方向和施力点选择不当，将引起工件变形，造成相应的加工误差。4.其它作用力的影响（六）减小工艺系统受力变形的途径由前面对工艺系统刚度的论述可知，若要减少工艺系统变形，就应提高工艺系统刚度，减少切削力并压缩它们的变动幅值。 1. 提高工艺系统刚度 提高工件和刀具的刚度 提高机床刚度采用合理的装夹方式和加工方式2.减小切削力及其变化:合理地选择刀具材料，增大前角和主偏角，对工件材料进行合理的热处理以改善材料地加工性能等，都可使切削力减小。五、工艺系统受热变形引起的误差工艺系统热变形对加工精度的影响比较

16、大，特别是在精密加工和大件加工中，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%70%。机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。（一）工艺系统的热源内部热源和外部热源（二）减小工艺系统热变形的途径 减少发热和隔热、改善散热条件、均衡温度场、加快温度场的平衡、控制环境温度六、内应力重新分布引起的误差（一）基本概念没有外力作用而存在于零件内部的应力，称为内应力。工件上一旦产生内应力之后，就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位的稳定状态转化

17、，并伴随有变形发生，从而使工件丧失原有的加工精度。（二）内应力的产生1.热加工中内应力的产生 在热处理工序中由于工件壁厚不均匀、冷却不均、金相组织的转变等原因，使工件产生内应力。2.冷校直产生的内应力。（三）减小内应力变形误差的途径改进零件结构设计零件时，尽量做到壁厚均匀，结构对称，以减少内应力的产生。增设消除内应力的热处理工序合理安排工艺过程粗加工和精加工宜分阶段进行，使工件在粗加工后有一定的时间来松弛内应力七、提高加工精度的措施（一）减小原始误差提高零件加工所使用机床的几何精度,提高夹具、量具及工具本身精度,控制工艺系统受力、受热变形、刀具磨损、内应力引起的变形、测量误差等均属于直接减少原

18、始误差。为了提高机械加工精度,需对产生加工误差的各项原始误差进行分析,根据不同情况对造成加工误差的主要原始误差采取不同的措施解决。对于精密零件的加工应尽可能提高所使用精密机床的几何精度、刚度和控制加工热变形;对具有成形表面的零件加工,则主要是如何减少成形刀具形状误差和刀具的安装误差。（二）转移原始误差这种方法的实质就是将原始误差从误差敏感方向转移到误差非敏感方向上去。转移原始误差至非敏感方向。各种原始误差反映到零件加工误差上的程度与其是否在误差敏感方向上有直接关系。若在加工过程中设法使其转移到加工误差的非敏感方向,则可大大提高加工精度。转移原始误差至其他对加工精度无影响的方面。（三）均分原始误

19、差此法过程为通过加工使被加工表面原有误差不断缩小和平均化的过程。均化的原理就是通过有密切联系的工件或工具表面的相互比较和检查,从中找出它们之间的差异,然后再进行相互修正加工或基准加工。（四）强化原始误差根据误差反映规律,将毛坯或上道工序的工件尺寸经测量按大小分为n组,每组工件的尺寸范围就缩减为原来的1/n。然后按各组的误差范围分别调整刀具相对工件的准确位置,使各组工件的尺寸分散范围中心基本一致,以使整批工件的尺寸分散范围大大缩小。（五）误差补偿对工艺系统的一些原始误差 ,可采取误差补偿的方法以控制其对零件加工误差的影响。八、实例分析接下来以数控车切削加工轴类件为例，说明机械加工精度的影响机及解

20、决办法。数控车床引起高精度、高度柔性自动化及适合加工复杂零件的特性，在机械制造企业的应用广泛。然而，数控车床的传动、运动部件还是机械的，车刀刀尖也不是一个真正的点，而是一段圆弧，仍然容易产生加工误差。图1 刀尖零件图图2 刀尖圆弧一起的加工误差图3 一般加工路线图图4 改进的加工路线图1 刀尖圆弧引起的误差误差分析在数控车床使用过程中，为了降低被加工工件表面的粗糙度，减缓刀具磨损，提高刀具寿命，通常将车刀刀尖刃磨成圆弧，圆弧半径一般在0.41.6mm之间。如图1所示，采用试切法对刀时由A、B两点分别确定刀架中心的X、Z位置。这样，加工程序所描述的刀位点是P点，数控系统将控制P点的运动轨迹，而在

21、切削时实际起作用的切削刃则是刀尖圆弧上的各切点，这势必会产生加工表面的形状误差。在车削外圆、内孔及端面时，这个误差为零。而在加工弧面和锥面时，这个误差就很明显。图1零件SR10-0.04球面加工的误差分析见图2。图中M线为加工程序所描述的P的轨迹，即工件的理想尺寸，而实际加工后的轮廓是N线，阴影就是少切削部分，即加工误差。假设刀尖圆弧半径为r=0.4mm，理论分析表明，N线是半径为R-r=9.6的圆弧，M、N两圆弧圆心X、Z向均相距r=0.4mm，最大误差约为0.17mm，不满足精度要求。2误差消除方法选择刀尖圆弧中心点为刀位点，调用刀尖半径补偿(G41、G42)指令其编程和加工步骤如下：按轮

22、廓表面编程，设置右刀补，图1零件球面精加工程序如下： N04 G42 G00 X8 Z50 N05 G03 X20 Z42 F100 以A、B点对刀，并在相应方向使刀具增加位移量：(偏刀类)DX =2r，DZ =r，或(尖刀类)DX =2r，DZ =0； 输入刀具半径r； 加工。调用刀具半径补偿指令，特别注意以A、B点对刀后要找出正确的刀尖圆心位置。在刀补建立时，要使刀尖圆弧圆心沿工件待加工轮廓表面(编程轨迹)运动，而车刀不是回转类刀具，传统的车削加工基本不涉及刀尖圆心的问题，故须对车削数控系统的刀具半径补偿有本质的认识。 2 丝杠副间隙产生的误差 误差分析中拖板丝杠副间隙是必然存在的，对普通

23、车床来说，间隙较大；对数控车床而言，由于采用的是滚珠丝杠副，并且都进行了预紧，从理论上讲，是达到了零间隙，无反向空程。实际上，对于有相对运动的传动部件，间隙是不可避免的。对高精度的滚珠丝杠副而言，只是间隙非常微小；如果真正达到零间隙，运行的阻力就会增大。因而，在丝杠反向运动时，还是存在微小的空程，这个空程就足够影响加工精度。在加工轴类零件时，一般的加工路线如图3所示，通常是通过下面一段程序来进行的： N04 G00 X30 Z2 N05G01 Z-25 F100 N06 X40.015 N07 Z-80 将D40+0.030外圆直径加工出来，可每次的加工尺寸都会偏大或偏小，达不到精度要求。 误

24、差消除方法对数控车床，可采用多退回(或前进)一段距离，再前进(或退回)到所需的加工位置，使丝杠副始终以同一个侧面相接触来消除丝杠副间隙误差。刀具走图4的加工路线，程序如下： N04 G00 X30 Z2 N05 G01 Z-25 F100 N06 X45 N07 X40.015 N08 Z-80 该方法省时省力，效果良好。适合于一般精度的数控车床在加工重要尺寸时使用，避免了采用机械方法来减少间隙而带来的阻力增大和调整困难等问题。 3 结束语机械加工精度在现代机械领域占有不可替代的作用。在机械加工中，误差是不可避免的，只有对误差产生的原因进行详细的分析，才能采取相应的预防措施减少加工误差，提高机

25、械加工精度。通过对影响机械加工精度因素的深入分析, 找出这些因素的原因，提出了相应的措施，使机械加工技术进一步完善，并对机械加工技术起到一定的指导作用。研究机械加工精度技术使目前我国市场变化和需求所要求的，对机械加工工艺的编制，有很大的意义。参考文献1 张福润机械制造工艺学华中科技大学出版社 1998年 第二版2 姚智慧机电一体化丛书哈尔滨工业大学出版社 2002年 第二版3 李玉平机械加工误差的分析新余高专学报 2005年 第四版4朱正欣 机械制造技术 北京机械工业出版社 1999年 第二版5汪尧工艺系统几何误差对加工精度的影响分析科技信息 2004年第二版6 张亮峰机械加工工艺基础与实习高等教育出版社 1999年 第三版致 谢