肤浅的说一些机械加工中的精度问题——写给文科工业党人

　　经常看到一些爱国青年和一些“友邦人士”描述的关于国产机械制造业的文字，相互之间的类容差距可以说完全是两个平行空间的区别，或是超越欧美，或是近似黑非洲。至于类容的真实性，我都没条件证实，只是说一下我知道的机械加工业关于精度的概念，最基本的概念，尺寸公差的类容太多了，就扯扯形位公差，三个最基本的概念，“平面度”，“垂直度”，“圆度／不圆度”。

　　平面度是指平面度测量是指被测实际表面对其理想平面的变动量。也就是在一个平面上，最高点和最低点的差距，而没有差距的理想平面在现实中是不存在的。

　　机械加工平面的方法有很多种，粗加工有铣，刨，稍微精密一些可以用平面磨床，在精密一些就是导轨磨床。其工作原理，都是被加工零件固定在工作台上，工作台则在机床导轨上做往复直线运动，在往复直线运动的过程中，通过铣刀，刨刀，砂轮等刀具切除多余部分。整个加工过程，都是一种仿形加工，这个时候假设导轨是弯曲的，这时工作台在弯曲的导轨上运行的轨迹自然也是弯曲的，有人会说，我们公司的这台导轨磨几千万买的，怎么可能是弯的呢，这个时候要扯一下精度的概念。

有人说，这个项目做的真棒，结果一米不差～～这人多半是搞大地测绘的
有人说，这个工程做的非常好，结果一厘米都不差～～这人也许是搞土木工程的
有人说，这个产品质量非常好，结果一毫米都不差～～这个人可能是木匠
有人说……

　　一米不差不代表一毫米不差，一毫米不差不代表一微米不差，如果真的一微米不差的话，恩，下面还有纳米，皮米，飞米……，终归有一个尺度上，它比理想平面是有误差的。

　　假设加工一个２０厘米长，２厘米宽的长条型平面，通常铣刨加工的平面度，是在０．１毫米内，普通磨床可以达到０．０１毫米，而高精度的导轨磨床则能达到０．００１毫米。如果数小数点后的０不习惯的话，可以理解成铣刨１００微米，普通磨１０微米，导轨磨１微米。这里给出一个比较物，一根头发的直径通常是0.07毫米/70微米。

　　在往复直线仿形加工过程中，被加工面会因为震动，刀具磨损，导轨磨损，切削变形等等的原因，造成被加工面的精度不会超过导轨精度，或者可以理解成，用导轨磨床加工普通磨床的导轨，在用普通磨床加工铣刨床的导轨，那么有人会问，导轨磨床的导轨又是用什么加工的？答案是用手。

　　手工加工平面的方式通常被称为“铲刮”或“刮研”，其加工原理是用三块磨加工后的金属平面板涂上一层极细的红丹粉（纳米级），然后相互磨合，就是用两个面推来推去。这个时高点的红色会被磨掉露出金属的颜色，在用小铲子，小刮刀，把这些高点铲刮掉，然后继续涂红丹粉互研，在铲刮掉高点，假设只用两块平板，会出现一个凸面一个凹面的情况，所以铲刮加工需要三块同时进行加工。在三块平板反复互研挑去高点的情况下，这个时候高点会越来越密集，在一平方英寸的区间内，会呈现９个高点，１６个高点，２５个高点……这时需要换更小号铲子，刮刀，这样加工的极限在哪里，我不知道。不过我知道的是，精度每提高一点点，所投入的人力都是几何级数增加的。做出来的平面是需要用的，如果一个人穷十年的精力刮出来一块小数点后有许多０的平面时，或许用手指在平面上使劲抹那么一下，厄。。平面就凹下去了０．００００１毫米。好把，做出来以后不用手指抹，做一个玻璃罩子盖起来供人观赏，是不是没问题呢？别急，还有另一个问题——应力变形，什么是应力变形，我们做一个实验，随手找一张纸，揉成一团，放边上，过几分钟在看，纸团是不是比刚刚揉成的形状略微打开了一些？这就是应力变形，应力存在于任何物体中。一个卖煎饼的大叔，他做煎饼的铁板，即使每天变形０．００１毫米，对于他摊煎饼都没有影响，但是对于一个极端精密的加工平面，即使用在先进的手段，也不能完全去除应力，对于一个小数点后有许多零的平面，只需要一个小数点后有许多零的应力变形，就可以影响到它的平面精度了。


————————————————————————————————


　　垂直度，前面说到的平面度是是形状公差，垂直度则是位置公差，这个从字面上理解就可以。垂直度是标记直线之间、平面之间或直线与平面之间的垂直状态。也就是和所谓的直角状态之间误差，怎么样获得直角？三角板，量角器？别扯了，前面说过，绝对的平面不存在，那么绝对的垂直/直角也是不存在的，如果说一角度不差可以差角分，一角分不差可以差角秒，以下还可以引申出角毫秒，角微秒。。也就是说，走大街上，指着任何一栋大楼，说这楼是斜的，这话也挑不出错。

　　获得相对精密垂直的方法是与获得精密平面的方法类似，三个大致直角在比较精密的平板上涂色互刮研，反复刮研后，精度也是不断提高的。但是和平面一样的理由，追求极限，价值是不大的。

　　角度和长度不一样，可能有些人没什么具体的直观感觉，那么我们拿地球举例，经度被分为东经西经各180度，合计360度，和圆周一样，假设我们把地球在赤道的位置，像切西瓜一样的剖开获得一个圆，一经度和一角度是没有区别的。经常可以看到如：东经12° 34′ 56"这样的坐标标注，赤道的直径是四万公里，用四万除以360角度／经度，可以得出一经度的直线距离是111公里，南京的经度大约是东经118°，上海的经度大约是东经121°，直线距离大体也差不多是300公里。也就是以南京和上海各引出一条直线通过地心，其夹角大约是3°。111公里继续除60计算到角分距离等于1.85公里，也就是在赤道上经度一分，东经12° 34′和东经12° 35′的距离，是1.85公里。在除60计算到角秒，是1.85公里除60，大约是31米。也就是在地球那么大的圆上，一角秒的距离东经12° 34′ 56"和东经12° 34′ 5７"之间的距离。这个是角度和长度误差的区别，角度误差是随着直径的放大不断放大的，一个一元硬币大小的圆，差一角秒是一个很微小的差距。而地球那么大的圆，差一角秒就是31米。


————————————————————————————


　　圆度——圆是指一条线段绕着它的一个端点在平面内旋转一周时，它的另一个端点的轨迹叫做圆。获得圆的方法也别扯圆规了，圆规支腿插入的角度不可能绝对垂直，且笔尖是在不断磨损的，这个世界上也不存在完美的圆，我们所看到的圆，只是趋向于圆，在某一个较精确的尺度上它还是不规则的。例如高铁车轮的车轴，这是对圆度要求很高的零件，他的圆度误差是0.002毫米，也就是测量直径后，在旋转任意角度继续不断测量直径，其最大值和最小值误差不超过2微米（头发丝直径的35分之一。），至于平时家用的锅碗什么，只要看起来是圆的就可以，差个零点几毫米，吃饭洗碗的时候会有感觉区别吗？

　　精密圆度的获得和加工设备的平面度，垂直度有很大的关系，零件放在精密的平面上稳定的旋转，刀具从旋转中心垂直的方向切除余量，即可获得较精密的圆。经常看到一些爱国青年和一些“友邦人士”描述的关于国产机械制造业的文字，相互之间的类容差距可以说完全是两个平行空间的区别，或是超越欧美，或是近似黑非洲。至于类容的真实性，我都没条件证实，只是说一下我知道的机械加工业关于精度的概念，最基本的概念，尺寸公差的类容太多了，就扯扯形位公差，三个最基本的概念，“平面度”，“垂直度”，“圆度／不圆度”。

　　平面度是指平面度测量是指被测实际表面对其理想平面的变动量。也就是在一个平面上，最高点和最低点的差距，而没有差距的理想平面在现实中是不存在的。

　　机械加工平面的方法有很多种，粗加工有铣，刨，稍微精密一些可以用平面磨床，在精密一些就是导轨磨床。其工作原理，都是被加工零件固定在工作台上，工作台则在机床导轨上做往复直线运动，在往复直线运动的过程中，通过铣刀，刨刀，砂轮等刀具切除多余部分。整个加工过程，都是一种仿形加工，这个时候假设导轨是弯曲的，这时工作台在弯曲的导轨上运行的轨迹自然也是弯曲的，有人会说，我们公司的这台导轨磨几千万买的，怎么可能是弯的呢，这个时候要扯一下精度的概念。

有人说，这个项目做的真棒，结果一米不差～～这人多半是搞大地测绘的
有人说，这个工程做的非常好，结果一厘米都不差～～这人也许是搞土木工程的
有人说，这个产品质量非常好，结果一毫米都不差～～这个人可能是木匠
有人说……

　　一米不差不代表一毫米不差，一毫米不差不代表一微米不差，如果真的一微米不差的话，恩，下面还有纳米，皮米，飞米……，终归有一个尺度上，它比理想平面是有误差的。

　　假设加工一个２０厘米长，２厘米宽的长条型平面，通常铣刨加工的平面度，是在０．１毫米内，普通磨床可以达到０．０１毫米，而高精度的导轨磨床则能达到０．００１毫米。如果数小数点后的０不习惯的话，可以理解成铣刨１００微米，普通磨１０微米，导轨磨１微米。这里给出一个比较物，一根头发的直径通常是0.07毫米/70微米。

　　在往复直线仿形加工过程中，被加工面会因为震动，刀具磨损，导轨磨损，切削变形等等的原因，造成被加工面的精度不会超过导轨精度，或者可以理解成，用导轨磨床加工普通磨床的导轨，在用普通磨床加工铣刨床的导轨，那么有人会问，导轨磨床的导轨又是用什么加工的？答案是用手。

　　手工加工平面的方式通常被称为“铲刮”或“刮研”，其加工原理是用三块磨加工后的金属平面板涂上一层极细的红丹粉（纳米级），然后相互磨合，就是用两个面推来推去。这个时高点的红色会被磨掉露出金属的颜色，在用小铲子，小刮刀，把这些高点铲刮掉，然后继续涂红丹粉互研，在铲刮掉高点，假设只用两块平板，会出现一个凸面一个凹面的情况，所以铲刮加工需要三块同时进行加工。在三块平板反复互研挑去高点的情况下，这个时候高点会越来越密集，在一平方英寸的区间内，会呈现９个高点，１６个高点，２５个高点……这时需要换更小号铲子，刮刀，这样加工的极限在哪里，我不知道。不过我知道的是，精度每提高一点点，所投入的人力都是几何级数增加的。做出来的平面是需要用的，如果一个人穷十年的精力刮出来一块小数点后有许多０的平面时，或许用手指在平面上使劲抹那么一下，厄。。平面就凹下去了０．００００１毫米。好把，做出来以后不用手指抹，做一个玻璃罩子盖起来供人观赏，是不是没问题呢？别急，还有另一个问题——应力变形，什么是应力变形，我们做一个实验，随手找一张纸，揉成一团，放边上，过几分钟在看，纸团是不是比刚刚揉成的形状略微打开了一些？这就是应力变形，应力存在于任何物体中。一个卖煎饼的大叔，他做煎饼的铁板，即使每天变形０．００１毫米，对于他摊煎饼都没有影响，但是对于一个极端精密的加工平面，即使用在先进的手段，也不能完全去除应力，对于一个小数点后有许多零的平面，只需要一个小数点后有许多零的应力变形，就可以影响到它的平面精度了。


————————————————————————————————


　　垂直度，前面说到的平面度是是形状公差，垂直度则是位置公差，这个从字面上理解就可以。垂直度是标记直线之间、平面之间或直线与平面之间的垂直状态。也就是和所谓的直角状态之间误差，怎么样获得直角？三角板，量角器？别扯了，前面说过，绝对的平面不存在，那么绝对的垂直/直角也是不存在的，如果说一角度不差可以差角分，一角分不差可以差角秒，以下还可以引申出角毫秒，角微秒。。也就是说，走大街上，指着任何一栋大楼，说这楼是斜的，这话也挑不出错。

　　获得相对精密垂直的方法是与获得精密平面的方法类似，三个大致直角在比较精密的平板上涂色互刮研，反复刮研后，精度也是不断提高的。但是和平面一样的理由，追求极限，价值是不大的。

　　角度和长度不一样，可能有些人没什么具体的直观感觉，那么我们拿地球举例，经度被分为东经西经各180度，合计360度，和圆周一样，假设我们把地球在赤道的位置，像切西瓜一样的剖开获得一个圆，一经度和一角度是没有区别的。经常可以看到如：东经12° 34′ 56"这样的坐标标注，赤道的直径是四万公里，用四万除以360角度／经度，可以得出一经度的直线距离是111公里，南京的经度大约是东经118°，上海的经度大约是东经121°，直线距离大体也差不多是300公里。也就是以南京和上海各引出一条直线通过地心，其夹角大约是3°。111公里继续除60计算到角分距离等于1.85公里，也就是在赤道上经度一分，东经12° 34′和东经12° 35′的距离，是1.85公里。在除60计算到角秒，是1.85公里除60，大约是31米。也就是在地球那么大的圆上，一角秒的距离东经12° 34′ 56"和东经12° 34′ 5７"之间的距离。这个是角度和长度误差的区别，角度误差是随着直径的放大不断放大的，一个一元硬币大小的圆，差一角秒是一个很微小的差距。而地球那么大的圆，差一角秒就是31米。


————————————————————————————


　　圆度——圆是指一条线段绕着它的一个端点在平面内旋转一周时，它的另一个端点的轨迹叫做圆。获得圆的方法也别扯圆规了，圆规支腿插入的角度不可能绝对垂直，且笔尖是在不断磨损的，这个世界上也不存在完美的圆，我们所看到的圆，只是趋向于圆，在某一个较精确的尺度上它还是不规则的。例如高铁车轮的车轴，这是对圆度要求很高的零件，他的圆度误差是0.002毫米，也就是测量直径后，在旋转任意角度继续不断测量直径，其最大值和最小值误差不超过2微米（头发丝直径的35分之一。），至于平时家用的锅碗什么，只要看起来是圆的就可以，差个零点几毫米，吃饭洗碗的时候会有感觉区别吗？

　　精密圆度的获得和加工设备的平面度，垂直度有很大的关系，零件放在精密的平面上稳定的旋转，刀具从旋转中心垂直的方向切除余量，即可获得较精密的圆。