影响加工精度的因素分析

（1）原理误差 原理误差是影响工件形状精度的因素，是由于采用近似的磨削加工轨迹或近似的砂轮形面而产生的加工误差。这种近似成形方法可简化机床结构和砂轮的修整，例如在螺纹磨床上磨蜗杆，由于砂轮的干涉，蜗杆的齿面被磨成凸形，产生齿形误差。这种展成运动所产生的误差是原理误差，为此，要使用特殊修整器将砂轮锥面修成凸形，减小蜗杆齿形误差，才可将原理误差限制在允许的范围内，以满足蜗杆的齿形精度要求。

例如磨马更生轴承的阿基米德油楔面时，为了便于获得成形运动，本例采用偏心夹具产生的近似运动代替成形运动。再如磨削汽车发动机活塞裙部的磨床，图样上规定的裙部形状是椭圆截面，为了简化磨床成形运动的机构，采用四杆连杆机构来产生近似的椭圆运动，从而带来原理误差。同样，近似的几何形状与理论截面要近似。

原理误差还与磨削形式有关。以外圆磨削为例，中心型外圆磨削没有原理误差，而无心磨削的工件成圆则是一个很复杂的过程，并且工件的原始形状误差会影响工件的圆度。当工件的中心高于磨削轮和导轮中心时，工件才会被逐步磨圆，这也就引入了无心磨削的成圆误差。原理误差属系统性误差，磨削加工时应将系统性误差控制在允许的范围内，以满足磨削加工的精度要求。

（2）机床误差 机床误差包含机床几何精度及其磨损两部分，属系统性误差。机床精度是影响加工工件形状精度的主要因素，是加工精度之本。以万能外圆磨床为例，其磨床精度对形状精度（圆度、圆柱度、直线度、平面度等）和位置精度的影响，见表7-6。主要是主轴回转精度，移动部件的直线运动精度的影响。各种磨床都规定有磨床精度，其误差属系统性误差，可定量分析以满足加工精度要求。操作时要从源头设防，监测机床精度。磨床主轴的热位移也影响加工精度。传动精度对加工的影响，如螺纹磨床磨削螺纹。在工件的螺纹导程一定时，工件转速与机床丝杠转速之间要保持一定的传动比。成形运动之间的传动比是由传动链中的交换齿轮保证的。因此，螺距传动链的传动精度，主要是传动链元件的误差及终端件丝杠的误差，将影响螺纹的磨削加工精度。螺纹磨床由螺距校正机构抵消传动链的螺距误差。机床进给机构的传动精度，影响加工的尺寸精度。在高精度磨削中，微量进给要稳定。上述误差都可进行定量分析。

表7-6 万能外圆磨床机床精度对加工精度的影响

（3）砂轮的磨损及其修整 砂轮圆周磨削时，若砂轮的磨损及修整不当，也会影响磨削加工的精度。故保持砂轮表面有效轮廓很重要，在精密磨削时，要精细地修整砂轮。成形磨削时，则要选用粒度较细、硬度较硬的砂轮，以使砂轮能在较长时间内保持形面。砂轮在加工一定数量的工件后会产生磨损。通常用砂轮的半径磨损量表示。砂轮的磨损影响加工的尺寸精度和形状精度。在高精度坐标磨床上可采用超硬磨料磨具人造金刚石或立方氮化硼砂轮，其耐磨性好，可长时间保持砂轮表面磨粒尖点，以保证模具的磨削加工精度，这些超硬磨料磨具具有极高的使用寿命。采用单颗金刚石在超声波振动状态下修整砂轮，其平头修整器可提高砂轮的微刃性，尖头修整器可提高砂轮的锐利性。

（4）夹具误差 夹具误差包括夹具的制造误差、定位误差、夹具在机床安装位置误差，夹紧变形以及在使用过程中夹具的磨损等。夹具误差是影响工件加工精度的主要因素之一。工件用找正法定位时，则产生找正误差。

定位误差由基准不重合误差和定位基准位移误差两部分误差组成。工件用夹具装夹主要是为了保证加工的位置精度，如同轴度、平行度、垂直度等公差要求。夹具的设计精度很高，故夹具能稳定地保证一批零件的加工精度。使用时要注意保证夹具在机床上的位置误差以及减少夹具的磨损、变形，以满足工件的加工位置精度要求。定位误差属于随机性误差。

（5）工艺系统热变形引起的误差 工艺系统受到磨削热、机床传动摩擦热、液压系统的热量、环境空气对流和阳光辐射等的影响，存在着热量的传导，从而引起工艺系统的热变形，热变形误差是系统性误差。据统计，热变形误差约占加工误差的40%～70%，影响很大。

磨削所产生的热传给砂轮的热量约占12%左右，传给磨屑较小（约4%），而大部分（84%）传入工件，使工件平均上升几十摄氏度。在磨削弧范围内，磨削区域的平均温度高达800℃左右，磨粒磨削点温度达1000℃，是磨削热的热源。工件的热变形是影响磨削加工精度的主要因素之一，特别是在高精度主轴、薄片薄壁零件、导轨、螺纹的磨削中，要注意防止产生工件热变形。工件的热变形与金属材料的比热、导热系数、导温系数、线胀系数有关。例如在精密丝杠的磨削中，工件的热伸长将会引起螺距累积误差。又如用砂轮端面磨削机床导轨时，若不用切削液冷却，导轨会因热变形，被磨成中凹形。故在用碗形砂轮端面进行干磨时，要注意减小导轨的热变形，且在粗磨、半精磨、精磨之间等温冷却工件。

机床导轨磨削的热变形分析较复杂。导轨较长，且是单面受热，工件上下面之间形成温差而导致弯曲变形，使导轨面变形成中凸弧状。从而造成磨削后的导轨呈中凹状。在内、外圆磨削加工中，工件受磨削热的影响大都是不均匀的。磨削瞬间，在工件圆周靠近磨削点的温度最高，而其余各点的温度是不相同的。温度场表层厚度0.008～0.08mm内温度为800℃，金属层厚度0.045～0.12mm内温度为600℃。因而，在精密内、外圆磨削时，冷却不足也会使工件产生圆周局部热变形，使被加工圆柱表面外凸的金属被切除，从而造成圆度误差。

由上述分析可见，要减小热变形对磨削加工精度的影响，就必须减小温差所导致的变形，减小工件不均匀受热，也要减少热的传入。磨削时可采用以下措施减小热变形：

1）减小磨削热。特别在精磨时要减小背吃刀量，适当增大进给量和工件圆周速度，可减少热源作用时间且利于散热；选用磨削性能好的砂轮进行磨削，及时修整砂轮，防止用磨钝的砂轮进行磨削。

2）用切削液充分地冷却工件，减小热的传入。特别是磨削导热率低的材料时，冷却要充分。

3）等温冷却。在粗磨、半精磨、精磨之间等温冷却，可以减小温差变形。精密丝杠可用淋浴式冷却，使丝杠在全长范围内等温，减小螺距累积误差。磨削材料导热系数较低的套筒零件时，可使用内部冷却心轴的方法实现等温冷却。设计该心轴时，使切削液能进入套的内壁进行冷却。

磨削热产生特点是：由摩擦和塑性变形所消耗的机械功转为热能，热量又迅速传导使温度急剧下降。因此，三个方面影响了磨削温度。只有降低磨削温度，减小工件变形，才能实现低温精密磨削。

机床热变形也影响加工精度。磨床的主要热源为砂轮主轴轴承的发热和液压系统的发热。主轴中心的热位移及砂轮主轴轴承的发热，将使主轴轴线升高并向工件方向趋近或倾斜。液压系统的发热使机床床身各处的温升不同，导致床身的弯曲变形和倾斜。如某外圆磨床在空转5h后，砂轮轴心线前移了0.039～0.042mm，工件中心的相应热位移为0.012～0.014mm，致使两轴间的距离缩小0.027～0.028mm。显而易见，主轴中心的热位移将影响磨削加工的尺寸精度。导轨在水平面内的弯曲变形使工作台的运动轨迹发生变化，使工件表面产生圆柱度误差。又如无心磨床会由于液压油温度升高而导致机床热变形，使砂轮轴与导轮轴间的距离增大至0.03mm左右，也将影响磨削加工的尺寸精度。磨床热平衡时间为4～6h。各种机床的表面导热系数不同，变形也各不相同，要具体分析。(www.xing528.com)

大型导轨磨床的床身较长，车间温度的变化及床身的温差会引起附加的变形。平面磨床床身的热变形则受油池安放位置及导轨摩擦发热的影响，使床身产生热变形。在精密、高精度磨床的设计中，都要采用减少和防止机床热变形的措施。如螺纹磨床的丝杠采用恒温控制，以减少机床丝杠的热变形量。

精密磨削时可采用以下措施减小和防止机床热变形的影响：

1）开始精加工之前，先让机床空运转一段时间，待机床达到或接近于热平衡状态后再进行加工。

2）把精密机床安装在恒温室内，以减少环境温度变化对加工精度的影响。我国规定的计量标准温度为20℃，恒温精度取±1℃。生产环境的主要要求是温度波动和恒温区内各处的温差要小。对于特别精密的微型滚动轴承的精密磨削，恒温精度则取±0.5℃。

（6）工艺系统受力变形或位移引起的误差 工艺系统受到磨削力、重力、惯性力、传动力、夹紧力的影响，从而引起工艺系统的受力变形，影响磨削加工精度。

低刚度的零件在加工中产生的受力变形，会影响形状精度。如用自定心卡盘装夹薄壁套，由于工件夹紧受力不均匀，工件会被磨成三角形等直径棱圆。这种受力变形与夹紧力的大小、方向和部位有关，故夹紧时要减小夹紧力并选择工件刚度较高的方向和部位夹紧。通常，磨削薄片薄壁零件时，可采用多种方法来减小夹紧误差。低刚度零件的受力变形，除夹紧力因素外还有磨削力的影响。如细长轴的磨削，若欲控制工件的弯曲变形，就必须减小磨削力，也即要设法提高工件的刚度，以减小工件的变形。

夹具的刚度不足常会影响工件的加工精度。夹具的变形，会使夹具定位元件工作面的位置发生变化，从而造成工件的定位误差。

工艺系统除受磨削力、夹紧力作用外，还受传动力、惯性力的作用。这些力使工件位移，从而影响加工精度。在工艺系统中，机床的刚度不足也会影响加工精度。如在高精度磨削时，尾座刚度不足，工件表面就会产生磨削螺旋痕迹。原因是在磨削力作用下，尾座顶尖的中心偏离了头架顶尖中心位置。

（7）内应力引起的变形 在毛坯制造（铸、锻、焊、热处理等）过程中，工件材料内会产生内应力；切削加工时，工件的变形也会造成内应力。存在内应力的零件不能稳定地保持原有的精度，因此高精度零件的磨削应是低应力磨削。工件经粗磨、半精磨、精磨、精密磨、超精密磨削，其间安排人工时效消除粗加工的残余应力，把内应力减小至最小的数值。

（8）测量误差 测量误差是指被测量的真值与测得值之差。产生测量误差的原因主要有以下几点：

1）测量器具误差。包括设计原理、制造、装配的误差。

2）基准件误差。常用基准件如量块或标准件，都存在制造误差和检定误差。

3）温度误差。由于测量环境、测量器具和被测零件的温度偏离了标准计量温度（20℃），而各物体的线膨胀系数又不相同，产生了测量误差。

4）测量力误差。在接触式测量中，测头与被测的表面之间保持一定的测量力，高精度仪器为1N以内，一般仪器在2N以内。测量力过大时，会引起测量误差。

5）读数误差。观察指示器（指针或刻线）读取数据时的视觉误差。

上述对磨削加工精度的分析，归纳了影响磨削加工精度的8个方面因素及加工误差的表现形式。当在成批生产中废品增多时，可按误差的特征找出其原因及其产生加工误差的主要环节并加以排除。产生加工误差的主要环节包括设备、夹具、砂轮、工艺参数等工艺要素，它是一个综合性问题。因此，要摸清误差产生的规律，作细致周到的分析。例如外圆卡盘磨削的圆度误差，约75%是由主轴运动误差所致。若误差是新出现的，就要了解工艺条件发生了哪些变化，以便分析寻找线索。例如一批工件用圆柱心轴装夹进行外圆磨削，废品率突然明显增大，而造成同轴度误差的主要原因是工件的定位误差，由此可判断夹具的磨损是影响加工精度的主要因素。但在其他工艺参数有变化的情况下，则要测试夹具的精度加以验证。