工艺系统误差综合补偿原理及其应用

作者：盐城工学院机械工程系朱洪海

机械制造工艺学方面的论著，在介绍提高机械加工精度的各种措施中，一般均简要介绍误差补偿法，但都是对工艺系统中单项原始误差的补偿，而且只介绍大小相等、方向相反的简单补偿，并未提到对工艺系统累积误差的综合补偿，今特撰文加以介绍。

1 工艺系统累积误差

首先举几个工程实例：

例1 某发动机制造公司连杆上的螺纹孔在钻孔攻丝之前的各工序都是合格的，本工序的机床、夹具、刀具的精度也都合格，但加工出来的螺纹孔对连杆大头分开面的垂直度合格率不足40%。

例2 加工发动机机体主轴孔与凸轮轴孔的一台精镗专机，在机修分厂大修后检验其工作精度合格，但到机体生产线上加工出来的机体孔系的坐标尺寸、对基准面的平行度、对缸套孔的垂直度均有超差，找不到明确原因。

例3 按曲轴图样精度要求设计制造的一台数控键槽铣床，检查其主轴、导轨和工作台的工作精度均合格，检查夹具的精度也合格，但试切削后工件上键槽的对称度和平行度不合格。

怎样解释上述现象呢？在机床、夹具、工件、刀具组成的工艺系统中，影响加工精度的因素很复杂，如切削力、重力、惯性力，机床及夹具的制造误差，刀具、工件的安装误差，机床的温升，切削热，运动副的间隙，结构刚度，工件应力等，都会带来误差而影响加工精度。有时会遇到这种现象：机床、夹具、刀具的精度分别都是合格的，操作也符合规范，但加工出来的零件超出了公差范围，恰如以上三例所述。这就是工艺系统累积误差在作崇，这时候要找出超差的原因往往是很困难的，有的甚至成为行业内多年解决不了的难题，成为提高产品质量的拦路虎。

笔者亲历了以上三个典型事例，均采用工艺系统误差综合补偿原理得到了顺利突破。

2 工艺系统误差综合补偿原理

1) 本原理的含义和方法

解决上述问题，人们往往受思维定势的影响，认为机床、夹具、刀具的制造精度不高，不能满足工艺需要，从而去提高它们的制造精度。但这是事倍功半的下策，效果有限。上述例2就曾经为提高这台精镗专机的大修精度而一修再修，结果也未能奏效。

采用工艺系统误差综合补偿原理，不管工艺系统的中间环节，不管它有多少个原始误差，只关心最后结果，只针对累积误差进行综合补偿。

工艺系统误差综合补偿原理，不是试凑瞎碰，而是根据已加工零件的正确测量结果，确定工艺系统累积误差的大小、正负和方位，然后按照工艺系统各组成单元及其零部件的功能关系和结构比例，分析计算出综合补偿值的大小、位置和载体(工艺系统中设置综合补偿误差的那个构件)，对整个工艺系统的累积误差进行补偿，从而准确有效地提高零件的加工精度。

2) 本原理的应用

解决例1连杆螺纹孔的垂直度，是返回到几道工序之前的精铣连杆分开面工序的夹具定位面上，设置一个预补偿误差，使得分开面与连杆端平面构成一个选定方位的垂直度误差，作为钻攻螺纹工序的综合补偿值。质量管理跟踪表明，螺纹孔垂直度合格率稳定达到100%。

针对例2，是将机体镗夹具上对工件定位用的四个定位块做成不一样高，进行综合补偿(下文详述)。

例(2)是在夹具的设计基准(V形块的对称中心平面)和机床工作台之间设置一个角度误差进行综合补偿，取得了满意效果。

3) 本原理的理论依据

以例2为代表进行分析，一面两销是箱体类零件典型的定位方案，一般总是希望夹具上对工件的定位面的平面度误差越小越好。为了这个目的，通常先将多个定位块(支承板)装配到夹具体上，然后在平面磨床上统一磨平。但例2采用逆向思维作了创新，把本来磨平一致的四个定位块拆下来，有的修磨矮一点，有的重新制造加高了一点，有的保持原高度，使得组成定位面的四个定位块有高有矮。蓦然一听，似乎很荒唐，不能让人接受，而且担心工件在定位夹紧后会产生新的变形误差。其实，只要把这些定位块的微小高度差别，看成是一个大平面的平面度误差，就不足为怪了！

机床、夹具的精度高不高，位置正不正，对工件精度来说都是间接的，是过程中的问题；最终直接影响工件精度的，却是刀具和工件之间的相对运动轨迹。最后加工出来的工件如果超差了，说明这个相对运动轨迹偏差大了，应予以补偿纠正。例2设置了不等高的定位块，这时候孤立检查夹具这个单元，甚至是不符合原夹具设计要求的，但恰恰综合补偿了整个工艺系统的累积误差，纠正了刀具和工件的相对运动轨迹偏差。

此外，由于综合补偿值一般均是很微小的，所以虽然设置了人为补偿误差，但工件或工艺系统构件产生的附加变形，一般都在允许的弹性变形范围以内，因此不必担心。理论上想清楚了，行动上就胆大。实践结果例2机体的项次合格率达到100%。

3 注意事项

工艺书上说的误差补偿法，通常是单因素等值反向直接补偿，而本文阐述的综合补偿，常为间接补偿，所以有一个补偿载体的分析选择问题和补偿值的换算问题。

综合补偿一次成功的关键环节：对已加工零件的检测要科学、数据要可靠、分析要合理、选择补偿载体要适当、补偿值计算要准确。比较熟练的工艺技术人员，一般均具备运用本原理的分析计算能力。

甲、乙两个企业生产相同产品，工艺过程和设备即使完全一样，加工出来的同种产品的精度质量不一样，这是常见的事，原因正是工艺系统累积误差不同。所以在应用本原理进行综合补偿时，要具体情况具体分析。这两个企业对同种零件的加工结果作综合补偿时，原理是共同的，实施却要各有差别，相互不可生搬硬套。

如果分析计算结果综合补偿值较大，导致例"的补偿环工序超差，或导致例! 的工件变形可能超过弹性变形限度，则说明工艺系统中有明显薄弱环节或生产不正常，应予以排除。如果工艺系统是稳定的，可考虑设置两个环节分摊综合补偿值。

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