1个μm的加工精度，你认为难吗？

从事机加工的人士，谈起精度来是不愿服输的。有时候，一些人在夸夸其谈时似乎把1微米的加工精度视为轻而易举的事情。然而，实际上，高精度加工是一个需要严谨对待的技术话题。本文旨在与大家就高精度加工的常识做较全面的科普。
01基本常识：温度变化对材料的影响
众所周知，材料都会受到热胀冷缩的影响，在精密加工中，温度问题绝对不能被忽视！温度差异是精度的克星，如果我们不重视温度这一关键议题，又如何深入探讨精度呢？由于绝大多数机器的构成部分都采用钢材和铸铁，它们会在室温与机器自身产生的热量影响下发生形状和长度的变化。



材料的热胀冷缩程度取决于材料类型以及温度变化的数值。以下提供了钢和铜的膨胀系数表，以钢材为例，其直线膨胀每米在温度变化1°C时会产生12μm的变化。深刻理解这些数据对于确保精密加工的稳定性至关重要。
钢的膨胀系数如下图所示：


举例:工件长度：200 mm温度变化：10℃膨胀值：0. 02 mm
铜的膨胀系数如下图所示：


举例:电极长度：200 mm温度变化：10℃膨胀值：0.05 mm
02温度引起检测误差
当工件、检测仪器以及量规采用不同材料制造，并且在检测时未处于标准温度条件下，与标准温度（20°C）的偏差将始终成为导致检测误差的一个关键因素。


因温度产生的检测误差

例如，将一个100mm长的钢制块加热4°C，比如用手心的温度进行加热，就会导致它的长度发生4.6μm的变化。

值得注意的是，在测量高精度零件时，前提是必须具备更高精度的测量工具。如果测量仪器或设备本身的精度标准不高，那么高精度的测量结果从何而来呢？



03重要的加工理念：维持热稳定
钢件：100 x 30 x 20 mm

温度从25℃下降到 20℃尺寸的变化：在25℃时，尺寸偏大6μm，当温度降至20℃时，尺寸仅偏大0.12μm，这是一个热稳定的过程，即使温度迅速下降，仍然需要一个持续的时间才能维持精度。越大的物体，在温度变化时需要更多的时间来恢复精度稳定。



对于没有精密加工经验的工厂而言，在进行精密加工时，常常会将精度不稳定归咎于设备的精度问题。相反，有着精密加工经验的工厂深知这是最基本的认知。他们明白环境温度与机床的热平衡对于保持稳定的加工精度至关重要。这些经验丰富的工厂清楚地了解，即使使用高精密度的机床，也只有在维持稳定的温度环境与热平衡状态下才能实现加工精度的稳定。



保持热稳定性是精密加工中不可或缺的重要理念。有些人或许会陷入关于温度究竟应该维持在20℃还是23℃的疑虑，然而，最关键的是确保能够维持一个目标值的稳定性。虽然理论书上通常建议20℃，实际车间往往选择在22-23℃之间，重点在于严格控制温度波动。
04正确认识加工精度与分析
一般来说，加工精度可以分为精密度和精确度。下图是一个直观的说明。



精密度(Precision)
指使用同种备用样品进行重复测定所得到的结果之间的重现性、一致性。有可能精密度高，但并不意味着结果精确。例如，使用1mm的长度进行测定得到的三个结果分别为1.051mm、1.053、1.052，虽然它们的精密度高，但却是不精确的。
精确度（Accuracy）
指得到的测定结果与真实值之间的接近程度。测量的精确度高，是指系统误差较小，这时测量数据的平均值偏离真值较少，但数据分散的情况，即偶然误差的大小不明确。
精密度、精确度与温度的关系
一般而言，若加工的零件较精密但不精确，可能是因为车间温度在较小范围内波动，但与标准温度存在较大偏差。因此，所得零件尺寸较一致，但与目标尺寸相比有较大的偏离；相反，若零件较为精确却不精密，可能是由于车间温度相对于标准温度有明显的上下波动，导致零件尺寸呈现离散分布；而如果零件既不精密也不精确，这可能表明车间温度与标准温度的偏差大且波动幅度大。
05被遗忘的机床预热

工厂使用精密数控机床进行高精密加工，你是否曾经有过这样的经验：每天早上开机进行加工，首件的加工精度往往难以达到理想水平；长假后开机进行首批零件加工时，精度常常表现不稳定，高精度加工时出现失败的风险尤为突出，特别是在保持位置精度方面。

机床只有在稳定的温度环境和热平衡状态下，才能确保稳定的加工精度。对于需要在开机后立即进行高精密加工生产的情况，对机床进行预热是最基本的精密加工常识。



由于数控机床的主轴和各运动轴在运行一段时间后，其温度会相对维持在某一固定水平。同时，随着加工时间的推移，数控机床的热态精度逐渐趋于平稳。因此，在进行高精密加工之前，主轴和运动部件的预热显得非常必要。

然而，很多工厂往往忽视或不了解机床的“热身运动”这一准备环节。建议在机床搁置状态达到数天以上时，在进行高精密加工前进行30分钟以上的预热；如果搁置状态仅为数小时，也建议在高精密加工前进行5-10分钟的预热。

预热过程涉及机床参与加工轴的反复移动，最好进行多轴联动，例如，让XYZ轴从坐标系的左下角位置移动到右上角位置，反复走对角线。可以通过在机床上编写一个宏程序来实现这一过程。

在机床经过充分的预热后，机床就能以充沛的活力投入高精密加工生产，您将获得稳定一致的加工精度。