數(shù)控車床的加工精度影響因素探析

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摘要：數(shù)控車床因?yàn)槠涓呔群透呷嵝曰牧慵圃炷Ｊ侥茌^好地兼顧生產(chǎn)效率與零件加工質(zhì)量，所以在現(xiàn)代機(jī)械制造行業(yè)之中已經(jīng)得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于數(shù)控車床的系統(tǒng)誤差與加工人員的不規(guī)范操作，加工精度難以精確控制，導(dǎo)致零件良品率偏低?；谶@一近況，本文從數(shù)控車床的組成與加工流程出發(fā)，闡述影響數(shù)控車床加工精度的因素，并從數(shù)控車床系統(tǒng)、零件制造工藝和人員勞務(wù)角度提出一些提升加工精度的方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；加工精度；提升方法

0引言

現(xiàn)代化數(shù)控車床一般由輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服裝置、檢測(cè)和反饋裝置等部分組成。數(shù)控車床的工作流程：①操作者根據(jù)數(shù)控車床的編程方法編制成加工程序，加工程序要體現(xiàn)被加工零件的工藝信息和零件的幾何信息；②將加工程序輸入數(shù)控車床，檢查程序的可執(zhí)行性；③數(shù)控車床根據(jù)加工程序生成刀具路徑，以電信號(hào)傳遞至輸入裝置；④由輸入裝置送往數(shù)控裝置，數(shù)控裝置接收處理運(yùn)算程序后，按照XZ等各坐標(biāo)軸的分量將信息傳輸給伺服裝置，伺服裝置中的伺服電機(jī)帶動(dòng)車床的整體運(yùn)動(dòng)，使得刀具等其他裝置和輔助裝置按照加工程序，加工出零件。綜上所述，數(shù)控車床在機(jī)械制造流程中有數(shù)控車床和操作者兩大基礎(chǔ)要素，因此解決數(shù)控車床的加工精度控制問(wèn)題也應(yīng)從這兩大基礎(chǔ)要素著手。

1數(shù)控車床加工精度的主要影響因素

1.1刀具參數(shù)的影響數(shù)控車床中的刀具體系是數(shù)控

車床的主要組成部分。為了適應(yīng)快速加工的相關(guān)要求，數(shù)控車床經(jīng)常使用自動(dòng)換刀系統(tǒng)進(jìn)行工件表面的加工。數(shù)控車床加工過(guò)程中，車刀的規(guī)格、參數(shù)和特性影響著數(shù)控車床使用性能，進(jìn)而決定著精密零部件的加工水平。針對(duì)目前部分車間出現(xiàn)刀具使用規(guī)格不標(biāo)準(zhǔn)的情況，可對(duì)傳統(tǒng)車削加工方式進(jìn)行調(diào)整，促使加工條件滿足最新要求。[1]例如，在數(shù)控車床使用車刀進(jìn)行加工的過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)因?yàn)椴僮魅藛T對(duì)于控制數(shù)控車床加工精度的技能不熟練而導(dǎo)致圓弧半徑偏差和車刀主偏角隨著加工次數(shù)的增加而導(dǎo)致偏差不斷擴(kuò)大的問(wèn)題。如果數(shù)控車床的操作人員不能及時(shí)地了解加工所用刀具的主偏角和圓弧半徑的變化狀況，并且對(duì)加工程序進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的修正，使得加工出的工件表面較為粗糙，將導(dǎo)致加工零件無(wú)法達(dá)到圖紙的相關(guān)要求。因此，在數(shù)控車床的使用過(guò)程中需要學(xué)會(huì)使用合適的刀具和程序進(jìn)行工件的加工。

1.2伺服系統(tǒng)的影響伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車床與機(jī)

床本體間的電傳動(dòng)，同時(shí)伺服系統(tǒng)也是數(shù)控車床的執(zhí)行部分。伺服系統(tǒng)包括了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)的工作原理是將數(shù)控裝置輸入車床的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大驅(qū)動(dòng)車床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的加工指令。在實(shí)際加工的過(guò)程中，操作人員需要使用伺服系統(tǒng)完成從毛坯到零件的這一關(guān)鍵性轉(zhuǎn)變。由于伺服系統(tǒng)對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)中的滾珠絲杠具有驅(qū)動(dòng)能力，操作人員如果不能及時(shí)對(duì)該因素進(jìn)行合理控制，滾珠絲杠將因?yàn)榘l(fā)生間隙偏差而影響加工精度。

1.3圓整誤差的影響

圓整誤差指的是在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將工件的坐標(biāo)值四舍五入圓整成整數(shù)脈沖當(dāng)量值而發(fā)生的誤差。脈沖當(dāng)量是指每個(gè)單位脈沖對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸的位移量，普通等級(jí)數(shù)控車床的脈沖當(dāng)量要大于精密級(jí)別的數(shù)控車床。價(jià)格較低的數(shù)控車床通常會(huì)采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)對(duì)零件的尺寸進(jìn)行實(shí)際控制時(shí)，只能夠圓整到脈沖當(dāng)量，圓整誤差對(duì)于數(shù)控車床的加工精度將會(huì)造成不利影響，需要采取相對(duì)應(yīng)的誤差來(lái)減小圓整誤差。

1.4編程誤差的影響

在進(jìn)行數(shù)控車床的加工過(guò)程中，需要根據(jù)車床的實(shí)際情況進(jìn)行合理的編程，根據(jù)圖紙?jiān)跀?shù)控機(jī)床上進(jìn)行編程時(shí)，會(huì)存在編程誤差，這主要是由于數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的數(shù)學(xué)邏輯問(wèn)題導(dǎo)致的，對(duì)于這種編程誤差通常采用插值法或者直接提高數(shù)控車床的分辨率，從而降低誤差，提高精度。[2]1.5數(shù)控車床導(dǎo)軌的影響在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，數(shù)控車床所承擔(dān)的加工任務(wù)往往較為繁重，因此導(dǎo)軌精度對(duì)于數(shù)控車床的工件加工同樣有著很大的影響，隨著數(shù)控車床使用次數(shù)的不斷增加，數(shù)控車床的導(dǎo)軌將不可避免的產(chǎn)生自然磨損。倘若不對(duì)數(shù)控車床磨損嚴(yán)重的部件及時(shí)進(jìn)行更換，將嚴(yán)重影響到數(shù)控車床的加工質(zhì)量。因此數(shù)控車床的操作人員在使用數(shù)控車床之前應(yīng)該認(rèn)真檢查車床的部件情況，在重視加工速度的同時(shí)更要重視加工精度。

2提高加工精度的方法

2.1降低數(shù)控車床的刀具誤差

根據(jù)不同的加工要求，在加工過(guò)程中往往會(huì)使用多種刀具，例如常見(jiàn)的刀具種類有外圓刀、螺紋刀、切槽刀、鉆孔等，不同加工刀具的使用勢(shì)必會(huì)對(duì)工件的加工精度造成一定的影響。在實(shí)際加工之中需要采用刀具半徑補(bǔ)償措施，才能有效提高加工精度。為了減少車刀的刀尖圓弧半徑、主偏角等對(duì)加工精度的影響，在編程時(shí)可以加入誤差補(bǔ)償和處理代碼，優(yōu)化數(shù)控車削程序來(lái)減少累積誤差[3]。同時(shí)可以根據(jù)生產(chǎn)車間的加工情況建立一份專門(mén)的刀具使用管理辦法，對(duì)于刀具的使用實(shí)現(xiàn)一刀一制、專人專管。數(shù)控車床在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行之后，對(duì)于使用磨損較大的刀具和刀架及時(shí)進(jìn)行更換，避免產(chǎn)生加工誤差。同時(shí)針對(duì)不同的工件選擇不同的刀具和切削方法，有效提高加工精度。

2.2解決伺服系統(tǒng)誤差的措施

伺服系統(tǒng)對(duì)于數(shù)控車床的加工起到了舉足輕重的作用，由此我們必須重視由于伺服系統(tǒng)所帶來(lái)的加工誤差。伺服系統(tǒng)不僅會(huì)對(duì)數(shù)控車床的加工精度產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)影響到加工完成的產(chǎn)品質(zhì)量。在條件允許的情況下，應(yīng)當(dāng)為伺服系統(tǒng)配置高性能的組件，例如配備一些性能較好的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。這一措施可以減少伺服系統(tǒng)對(duì)于數(shù)控車床加工精度所產(chǎn)生的影響。同時(shí)在使用數(shù)控車床的加工過(guò)程中，對(duì)于伺服系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整由此減小伺服系統(tǒng)帶來(lái)的加工誤差。對(duì)于伺服系統(tǒng)的控制措施主要有以下3點(diǎn)：①在使用數(shù)控車床對(duì)工件進(jìn)行單軸直線加工時(shí)，伺服系統(tǒng)的速度誤差只會(huì)導(dǎo)致工件的加工完成到達(dá)停止的時(shí)間有所延遲，并不會(huì)對(duì)工件的加工精度產(chǎn)生影響。②在車削加工的過(guò)程中，伺服系統(tǒng)經(jīng)常被用來(lái)進(jìn)行圓環(huán)或圓弧形的加工；在加工過(guò)程中對(duì)于伺服系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采用開(kāi)環(huán)增益，不同位置的開(kāi)環(huán)增益不同將對(duì)加工精度造成不良影響，同時(shí)進(jìn)給軸的不同位置需要開(kāi)環(huán)增益相同。③通過(guò)對(duì)于數(shù)控車床進(jìn)給軸角度的反復(fù)測(cè)試，可以得出位于45度的位置時(shí)加工完成效果最好。

2.3誤差補(bǔ)償法

在數(shù)控車床的實(shí)際使用過(guò)程中，誤差補(bǔ)償法經(jīng)常會(huì)被用來(lái)減少圓整誤差和編進(jìn)誤差對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量所產(chǎn)生的影響。誤差補(bǔ)償法是通過(guò)在對(duì)工件進(jìn)行實(shí)際性的加工之前，考慮可能會(huì)存在的誤差影響因素，提前采取手段消除在實(shí)際加工中可能會(huì)存在的不確定性因素。常見(jiàn)的誤差補(bǔ)償法主要是通過(guò)數(shù)控車床的控制系統(tǒng)進(jìn)行誤差控制，同時(shí)也需要考慮工件的具體情況采取具體的誤差補(bǔ)償方法。例如，在數(shù)控車床采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)實(shí)際加工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)反向偏差的問(wèn)題，對(duì)于反向偏差這一類問(wèn)題，需要采取相關(guān)的誤差補(bǔ)償措施，減少對(duì)定位精度造成的不良影響。同時(shí)也可以采用偏差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ鋵?duì)于零件加工精度的不利影響。在保證車床低速單向定位的基礎(chǔ)上進(jìn)行插補(bǔ)加工，反向問(wèn)題是考慮的重點(diǎn)內(nèi)容，在把握好間隙值以后進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟逖a(bǔ)處理，進(jìn)而提高零件加工的精度。[4]

2.4優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)控車床作為零件加工的重要主體，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)的優(yōu)化程度關(guān)系到各環(huán)節(jié)零部件加工情況，所以利用創(chuàng)新設(shè)計(jì)主機(jī)結(jié)構(gòu)、引進(jìn)高質(zhì)量部件、優(yōu)化各生產(chǎn)環(huán)節(jié)等措施都能對(duì)加強(qiáng)數(shù)控車床零件加工工作起到重要作用。[5]目前國(guó)內(nèi)使用的大部分?jǐn)?shù)控車床都是國(guó)內(nèi)自主研發(fā)制造完成的，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行數(shù)控車床的相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)控車床的整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)充分考慮數(shù)控車床在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的各種誤差，例如車床的導(dǎo)軌精度等，對(duì)誤差提前進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。同時(shí)可以結(jié)合別國(guó)先進(jìn)的數(shù)控車床設(shè)計(jì)理念，將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化成實(shí)際的生產(chǎn)力，從而有效提高數(shù)控車床的加工精度。

2.5選擇合適的加工工藝與流程

數(shù)控車床的操作人員同樣需要在加工零件時(shí)選擇合適的加工工藝與流程，例如在加工零件的過(guò)程中有時(shí)候會(huì)存在空程過(guò)多的情況，這時(shí)候需要加工人員根據(jù)加工需求編制合適的加工程序。如果數(shù)控車床的加工工藝與流程不符合加工的相關(guān)要求，那么最后加工完成所得到的工件精度同樣會(huì)無(wú)法滿足相關(guān)要求。加工人員需要根據(jù)零件的精度要求選擇最為合適的加工方案有效提升工件的精度，并且將科學(xué)合理加工思想一以貫之。

2.6加強(qiáng)設(shè)備日常管理與員工培訓(xùn)

對(duì)于數(shù)控車床的加工操作，企業(yè)需要根據(jù)自身的實(shí)際情況和未來(lái)發(fā)展規(guī)劃制定合理可行的數(shù)控車床加工日常管理辦法，將加工操作具體化制度化。企業(yè)需要安排專人負(fù)責(zé)加工質(zhì)量的監(jiān)管工作，同時(shí)在日常工作過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題，一切從提高工件的加工精度出發(fā)。對(duì)于員工上崗之前需要進(jìn)行數(shù)控車床的系統(tǒng)化培訓(xùn)，不僅僅是理論部分的培訓(xùn)同時(shí)需要進(jìn)行實(shí)際操作方面的培訓(xùn)。此外，目前常見(jiàn)的數(shù)控車床軟件有CAM、UNIG等，這些程序的熟練使用將有效提高加工精度。企業(yè)需要定期定時(shí)組織員工進(jìn)行培訓(xùn)，提高員工的職業(yè)素養(yǎng)同時(shí)也是提升產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。

3結(jié)語(yǔ)

影響數(shù)控車床加工精度的核心要素在于數(shù)控車床與操作者的交互，數(shù)控車床系統(tǒng)性能限制了操作者的加工鄰域與操作上限，操作者憑借經(jīng)驗(yàn)與感知調(diào)整數(shù)控機(jī)床的設(shè)置參數(shù)以保證數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量。采用性能優(yōu)良的數(shù)控車床甚至是某個(gè)核心部件、應(yīng)用工藝性良好的加工方法，提高操作者職業(yè)素養(yǎng)將顯著提升數(shù)控車床加工精度的控制能力，進(jìn)而保障零件的加工質(zhì)量?？刂坪脭?shù)控車床加工精度是充分發(fā)揮數(shù)控車床在機(jī)械制造領(lǐng)域的高精度、高柔性化和智能化的關(guān)鍵命題，解決數(shù)控車床加工精度問(wèn)題將推動(dòng)中國(guó)機(jī)械制造向世界先進(jìn)水平發(fā)展。

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作者:童敘豪 蔡嘉賓 單位:湖州師范學(xué)院