數(shù)控機(jī)床加工精度分析與應(yīng)用

蔣飛龍 馮桂香

（寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315000）

1 工件坐標(biāo)系對(duì)加工精度的影響

工件坐標(biāo)系是編程人員在編寫程序時(shí),在工件上建立的坐標(biāo)系。選擇工件坐標(biāo)系時(shí)一般應(yīng)遵循如下原則:

a.盡可能將工件原點(diǎn)選擇在工藝定位基準(zhǔn)上,這樣有利于加工精度的提高;b.盡量將工件原點(diǎn)選擇在零件的尺寸基準(zhǔn)上,這樣便于坐標(biāo)值的計(jì)算,減少錯(cuò)誤率(當(dāng)尺寸基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)不重合時(shí),則要考慮由基準(zhǔn)不重合產(chǎn)生的誤差);c.盡量選在精度較高的工件表面上,以提高被加工零件的加工精度;d.對(duì)于對(duì)稱零件,應(yīng)設(shè)在對(duì)稱中心上,一般零件應(yīng)設(shè)在工件輪廓某一角上,且Z軸方向上原點(diǎn)一般設(shè)在工件表面;e.對(duì)于臥式加工中心最好把工件原點(diǎn)設(shè)在回轉(zhuǎn)中心上,即設(shè)置在工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心與Z 軸連線的適當(dāng)位置上;f.應(yīng)將刀具起點(diǎn)和編程原點(diǎn)設(shè)在同一處,這樣可以簡(jiǎn)化程序,便于計(jì)算,提高加工精度;對(duì)一般零件,僅按上述原則確定工件坐標(biāo)系,即能保證其加工精度。但對(duì)于復(fù)雜、特殊零件,就要綜合考慮各種因素對(duì)加工精度的影響。

1.1 在立式加工中心上加工畸形工件

根據(jù)畸形工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),往往在一個(gè)零件上要選擇兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)系,這時(shí)就要根據(jù)零件的形狀特征、夾緊方式及各加工部位的精度高低等因素綜合考慮:

a.建立幾個(gè)坐標(biāo)系;b.先加工哪個(gè)坐標(biāo)系的哪個(gè)表面才能提高整個(gè)零件的加工精度;c.坐標(biāo)系間定位尺寸的精度對(duì)各部位加工精度的影響

1.2 在臥式加工中心上加工箱體類零件

根據(jù)箱體類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),不僅除上下底面之外的四個(gè)側(cè)面需要分別建立四個(gè)定位坐標(biāo)系,而且每一側(cè)面上有時(shí)還需建立幾個(gè)坐標(biāo)系,這時(shí)就必須考慮各加工精度如何保證。如:

a.機(jī)床回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)精度對(duì)零件相對(duì)兩側(cè)面坐標(biāo)系的建立來(lái)說(shuō),它直接影響兩相對(duì)側(cè)面通孔的同軸度;b.每一側(cè)面上幾個(gè)坐標(biāo)系建立時(shí),加工工序的設(shè)計(jì)對(duì)加工精度的影響;c.以底面為基準(zhǔn)的的裝夾精度,直接影響孔軸線相對(duì)端面的垂直度;d.基準(zhǔn)底面精度對(duì)孔的中心高精度的影響。

2 機(jī)床本身對(duì)加工精度的影響

2.1 進(jìn)給機(jī)構(gòu)

2.1.1 滾珠絲杠導(dǎo)程誤差的影響

步進(jìn)電機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度直接受步進(jìn)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量k 的影響。脈沖當(dāng)量k 由下式?jīng)Q定。

式中:a 為步進(jìn)電機(jī)步距角,(°);i 為齒輪減速比;t 為滾珠絲杠導(dǎo)程,mm。

滾珠絲杠在制造過(guò)程中,由于加工設(shè)備諸因素的影響不可避免地產(chǎn)生導(dǎo)程誤差Δt.絲杠導(dǎo)程t 直接影響系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。絲杠導(dǎo)程誤差造成的脈沖當(dāng)量誤差 Δkd=aiΔt/360°。

選用精度等級(jí)高的滾珠絲杠,可減小絲杠導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床加工精度的影響.

2.1.2 進(jìn)給機(jī)構(gòu)間隙的影響

進(jìn)給機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由減速齒輪、連軸節(jié)、滾珠絲杠副及支承軸承組成.在這些環(huán)節(jié)當(dāng)中存有間隙,影響到工作臺(tái)進(jìn)給精度,特別是在運(yùn)動(dòng)換向時(shí),這些間隙對(duì)機(jī)床加工精度影響更大.而減小各環(huán)節(jié)間的間隙,可以減小對(duì)機(jī)床加工精度的影響。

2.1.2.1 滾珠絲杠與螺母間的間隙影響.滾珠絲杠與螺母之間的間隙直接影響工作臺(tái)的進(jìn)給精度.設(shè)滾珠絲杠與螺母之間的間隙為SF,則反轉(zhuǎn)時(shí)造成工作臺(tái)進(jìn)給誤差δ1=SF。不僅如此,絲杠螺母副的間隙還影響絲杠螺母副的剛度,進(jìn)而影響工作臺(tái)進(jìn)給精度.消除滾珠絲杠與螺母之間間隙的方法是施加預(yù)緊力。在雙螺母預(yù)緊的滾珠絲杠副中,當(dāng)預(yù)緊力等于最大軸向力的1/3時(shí),其間隙可基本消除,而且對(duì)滾珠絲杠副的壽命影響不大。

2.1.2.2 軸承軸向間隙、聯(lián)軸節(jié)扭轉(zhuǎn)間隙的影響.滾珠絲杠支承軸承的軸向間隙也直接影響工作臺(tái)的進(jìn)給精度.若軸承的軸向間隙為SZ,則反向時(shí)造成工作臺(tái)進(jìn)給誤差δ2=SZ，軸承通過(guò)定位預(yù)緊或定壓預(yù)緊消除其間隙,同時(shí)也可提高軸承剛度.但預(yù)緊時(shí)要考慮絲杠熱變形對(duì)間隙的影響.若聯(lián)軸節(jié)的扭轉(zhuǎn)間隙為SL,在機(jī)構(gòu)反向時(shí)造成工作臺(tái)進(jìn)給誤差

2.1.2.3 齒輪傳動(dòng)側(cè)向間隙的影響.如果齒輪傳動(dòng)的側(cè)向間隙為S C,機(jī)構(gòu)反向時(shí)造成工作臺(tái)進(jìn)給誤差用δ4 表示,且

式中,d 為與滾珠絲杠連結(jié)的齒輪分度圓直徑,mm.齒輪的傳動(dòng)比i 也直接影響脈沖當(dāng)量.因此為減小傳動(dòng)比及齒輪傳動(dòng)側(cè)隙對(duì)機(jī)床加工精度的影響,應(yīng)通過(guò)提高齒輪的制造精度,減小齒輪綜合誤差,在滿足傳動(dòng)工作環(huán)境要求下,減小側(cè)向間隙來(lái)實(shí)現(xiàn).進(jìn)給機(jī)構(gòu)間隙對(duì)機(jī)床加工精度的影響,除采取上述措施外,還可通過(guò)軟件補(bǔ)償實(shí)現(xiàn).在零件加工程序中判斷進(jìn)給方向的指令轉(zhuǎn)向后,給出若干個(gè)額外進(jìn)給指令脈沖,以補(bǔ)償間隙造成的誤差δ=∑δ

2.2 編程誤差

2.2.1 插補(bǔ)誤差的影響

在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上加工工件,傾斜直線是通過(guò)刀具沿平面上兩個(gè)坐標(biāo)軸方向走折線而形成,這樣造成工件表面呈鋸齒狀而形成插補(bǔ)誤差.插補(bǔ)誤差的影響因素主要有機(jī)床分辨率、脈沖均勻程度、控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及插補(bǔ)方法與算法等.插補(bǔ)的運(yùn)算過(guò)程中,還會(huì)產(chǎn)生累積誤差,當(dāng)它達(dá)到一定值時(shí),會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生移動(dòng)和定位誤差,影響加工精度.以下措施可減小數(shù)控系統(tǒng)的累積誤差。

2.2.1.1 盡量用絕對(duì)方式編程

2.2.1.2 插入回參考點(diǎn)指令 機(jī)床回參考點(diǎn)時(shí),會(huì)使各坐標(biāo)清零,這樣便消除了數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)算的累積誤差。

2.2.2 編程中逼近誤差的影響

逼近誤差是由于采用近似算法逼近零件廓形而產(chǎn)生的誤差.在加工非圓曲線的數(shù)學(xué)處理中,近似地將非圓曲線分割,以直線廓形代替曲線廓形,這樣刀具形成的廓形不可能準(zhǔn)確地與被加工廓形重復(fù)而產(chǎn)生加工誤差.如果已知工件廓形方程,編程數(shù)學(xué)處理后程序規(guī)定的廓形與方程描述廓形之間的逼近誤差值δk,取決于曲線分割中分割弦的長(zhǎng)度l。

其中rmin 為理論廓形最小曲率半徑.如果被加工零件的廓形方程未知,編程時(shí)用列表曲線逼近,此時(shí)產(chǎn)生的逼近誤差值則難以確定。

2.2.3 編程時(shí)的圓整誤差影響

用步進(jìn)電機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床在加工時(shí),脈沖當(dāng)量決定直線位移量最小值。編程時(shí)要按零件圖紙尺寸要求,將尺寸參數(shù)轉(zhuǎn)換成控制脈沖個(gè)數(shù)。尺寸的最小單位是脈沖當(dāng)量值,脈沖當(dāng)量值決定了機(jī)床可能加工的精度界限.由于零件的尺寸在數(shù)學(xué)處理時(shí)只能圓整到一個(gè)脈沖當(dāng)量值,從而造成編程時(shí)的圓整誤差,該誤差影響加工零件的尺寸精度。

3 氣溫及工藝系統(tǒng)熱變形對(duì)加工精度的影響

3.1 氣溫對(duì)加工精度的影響

金屬材料具有熱脹冷縮性質(zhì),溫度的變化會(huì)引起零件尺寸的改變。如一精度要求較高的尺寸：在夏季加工為保證零件在其他溫度條件下也合格,尺寸應(yīng)加工至靠近上偏差；那么在冬季尺寸應(yīng)加工至靠近下偏差。

3.2 工藝系統(tǒng)熱變形對(duì)加工精度的影響

在機(jī)械加工過(guò)程中,由于切削熱、摩擦熱等影響,使工藝系統(tǒng)各部分的溫度升高不等,產(chǎn)生復(fù)雜的變形,從而改變了工件、刀具及機(jī)床之間的相互位置,破壞了工件和刀具之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性,改變了已調(diào)整好的加工尺寸,嚴(yán)重影響了零件的加工精度。因此數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)制造時(shí)使傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)都具有很高的剛度和熱穩(wěn)定性,并對(duì)反向間隙與絲杠螺距誤差等由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償。但工件及刀具的熱變形不易克服,因此要提高加工精度必須在加工過(guò)程中要經(jīng)常測(cè)量調(diào)整刀具補(bǔ)償或尺寸。

綜上所述,只是影響零件加工精度的幾個(gè)方面,實(shí)際加工過(guò)程中,影響因素還很多,情況相當(dāng)復(fù)雜。因此,在生產(chǎn)加工過(guò)程中,出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),要經(jīng)常多分析、多思考,找出解決問(wèn)題的切入點(diǎn),確保零件合格。

[1]王紹林.機(jī)械制造工藝與裝備[M]1 北京:中國(guó)勞動(dòng)出版社.

[2]王洪.數(shù)控加工程序編制[M]1 北京:機(jī)械工業(yè)出版社.