1個μm的加工精度，你認爲難嗎？
從事機加工的人士，談起精度來是不願服輸的。有時候，一些人在誇誇其談時似乎把1微米的加工精度視爲輕而易舉的事情。然而，實際上，高精度加工是一個需要嚴謹對待的技術話題。本文旨在與大家就高精度加工的常識做較全面的科普。
01
基本常識：溫度變化對材料的影響
衆所周知，材料都會受到熱脹冷縮的影響，在精密加工中，溫度問題絕對不能被忽視！溫度差異是精度的剋星，如果我們不重視溫度這一關鍵議題，又如何深入探討精度呢？由於絕大多數機器的構成部分都採用鋼材和鑄鐵，它們會在室溫與機器自身產生的熱量影響下發生形狀和長度的變化。
材料的熱脹冷縮程度取決於材料類型以及溫度變化的數值。以下提供了鋼和銅的膨脹係數表，以鋼材爲例，其直線膨脹每米在溫度變化1°C時會產生12μm的變化。深刻理解這些數據對於確保精密加工的穩定性至關重要。
鋼的膨脹係數如下圖所示：
舉例:
工件長度：200 mm
溫度變化：10℃
膨脹值：0. 02 mm
銅的膨脹係數如下圖所示：
舉例:
電極長度：200 mm
溫度變化：10℃
膨脹值：0.05 mm
02
溫度引起檢測誤差
當工件、檢測儀器以及量規採用不同材料製造，並且在檢測時未處於標準溫度條件下，與標準溫度（20°C）的偏差將始終成爲導致檢測誤差的一個關鍵因素。
因溫度產生的檢測誤差
例如，將一個100mm長的鋼製塊加熱4°C，比如用手心的溫度進行加熱，就會導致它的長度發生4.6μm的變化。
值得注意的是，在測量高精度零件時，前提是必須具備更高精度的測量工具。如果測量儀器或設備本身的精度標準不高，那麼高精度的測量結果從何而來呢？
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重要的加工理念：維持熱穩定
鋼件：100 x 30 x 20 mm
溫度從25℃下降到 20℃尺寸的變化：在25℃時，尺寸偏大6μm，當溫度降至20℃時，尺寸僅偏大0.12μm，這是一個熱穩定的過程，即使溫度迅速下降，仍然需要一個持續的時間才能維持精度。越大的物體，在溫度變化時需要更多的時間來恢復精度穩定。
對於沒有精密加工經驗的工廠而言，在進行精密加工時，常常會將精度不穩定歸咎於設備的精度問題。相反，有着精密加工經驗的工廠深知這是最基本的認知。他們明白環境溫度與機牀的熱平衡對於保持穩定的加工精度至關重要。這些經驗豐富的工廠清楚地瞭解，即使使用高精密度的機牀，也只有在維持穩定的溫度環境與熱平衡狀態下才能實現加工精度的穩定。
保持熱穩定性是精密加工中不可或缺的重要理念。有些人或許會陷入關於溫度究竟應該維持在20℃還是23℃的疑慮，然而，最關鍵的是確保能夠維持一個目標值的穩定性。雖然理論書上通常建議20℃，實際車間往往選擇在22-23℃之間，重點在於嚴格控制溫度波動。
04
正確認識加工精度與分析
一般來說，加工精度可以分爲精密度和精確度。下圖是一個直觀的說明。
精密度(Precision)
指使用同種備用樣品進行重複測定所得到的結果之間的重現性、一致性。有可能精密 度高，但並不意味着結果精確。例如， 使用1mm的長度進行測定得到的三個結果分別爲1.051mm、1.053、1.052，雖然它們的精密度高，但卻是不精確的。
精確度（Accuracy）
指得到的測定結果與真實值之間的接近程度。測量的精確度高，是指系統誤差較小，這時測量數據的平均值偏離真值較少，但數據分散的情況，即偶然誤差的大小不明確。
精密度、精確度與溫度的關係
一般而言，若 加工的零件較精密但不精確， 可能是因爲車間溫度在較小範圍內波動，但與標準溫度存在較大偏差。 因此，所得零件尺寸較一致，但與目標尺寸相比有較大的偏離； 相反，若零件較爲精確卻不精密，可能是由於車間溫度相對於標準溫度有明顯的上下波動，導致零件尺寸呈現離散分佈； 而如果零件既不精密也不精確，這可能表明車間溫度與標準溫度的偏差大且波動幅度大。
05
被遺忘的機牀預熱
工廠使用精密數控機牀進行高精密加工，你是否曾經有過這樣的經驗：每天早上開機進行加工，首件的加工精度往往難以達到理想水平；長假後開機進行首批零件加工時，精度常常表現不穩定，高精度加工時出現失敗的風險尤爲突出，特別是在保持位置精度方面。
機牀只有在穩定的溫度環境和熱平衡狀態下，才能確保穩定的加工精度。對於需要在開機後立即進行高精密加工生產的情況，對機牀進行預熱是最基本的精密加工常識。
由於數控機牀的主軸和各運動軸在運行一段時間後，其溫度會相對維持在某一固定水平。同時，隨着加工時間的推移，數控機牀的熱態精度逐漸趨於平穩。因此，在進行高精密加工之前，主軸和運動部件的預熱顯得非常必要。
然而，很多工廠往往忽視或不瞭解機牀的“熱身運動”這一準備環節。建議在機牀擱置狀態達到數天以上時，在進行高精密加工前進行30分鐘以上的預熱；如果擱置狀態僅爲數小時，也建議在高精密加工前進行5-10分鐘的預熱。
預熱過程涉及機牀參與加工軸的反覆移動，最好進行多軸聯動，例如，讓XYZ軸從座標系的左下角位置移動到右上角位置，反覆走對角線。可以通過在機牀上編寫一個宏程序來實現這一過程。
在機牀經過充分的預熱後，機牀就能以充沛的活力投入高精密加工生產，您將獲得穩定一致的加工精度。