數控超精密加工的精度控制研究

何曉杰 張文韜 蔣杰 鐘智 陳超

摘要：在實際應用的過程中，數控機床主軸的主要功能是有效控制機床工件以及刀具旋轉帶動的軸承。數控機床主軸通常包括傳動件、軸承等。作為一種常見的零部件，在機械加工中發揮著重要的作用。在實際運行期間，機床主軸的主要功效是支撐傳動轉矩，進而使機床主軸在運行期間的安全性與穩定性得到進一步的提升，以帶動其他工件，使機床主軸形成一個表面成形運動。基于此，本文主要探討數控超精密加工的精度控制措施。

關鍵詞：數控；超精密加工；精度控制

1 數控機床設備的組成

（1）主機：主機是數控車床的主體，包括床、主軸、立柱、進給機構等機械部件，還可用于完成各種切削機械零件。（2）數控裝置：數控車床的核心為數控裝置，包括軟件和硬件設備（印刷電路板等），數字部件加工程序的輸入和存儲就依靠它，為實現各種控制功能可以處理和更改數據。（3）驅動裝置：驅動裝置是數控車床執行器的驅動部分，有主軸驅動單元、主軸電機、進給電機、進給單元等，可以使用電動液壓伺服系統。在數控裝置的控制下，實現主軸驅動和進給驅動。同時將幾個進給聯動，可以促成工件的定位和各種直曲線等空間曲線的加工。（4）加工輔助裝置：輔助設備數控機床在運行中的一些必要設施，確保數 控機 床正常運行，其 功能包括冷卻，除屑、潤滑等，包括液壓裝置、切屑清除裝置、數控轉盤及監控裝置。

2 精密模具零件的高速加工工藝

高速切削機床通常具有較高的技術性能，主軸轉速高達20000～40000r/min，最大進給速度達 120m/min。采用運動機構和主軸系統等高性能的功能部件，相比于傳統普通數控機床，國內外高速加工中心具有更加良好的加工速度、性能和臨床機構。高速機床要求的冷卻系統和主軸單元具有極高的性能。同時，需要優良的動力特性、監控系統和安全裝置，其特點是機床具有較大的制造難度和極高的技術含量。相比于國外，目前國內的高速機床在技術上還有一定差距存在。為了使數控機床的試制周期和開發時間有效縮短，需要新型功能部件，具有極高的可靠性和性能。在高速切削機床的床身等支撐部件，無論是靜剛度還是熱剛度都比較好，其支撐部件主要是采用高剛性和高質量的灰鑄鐵。為了促進熱穩定性和抗振性的增加，有的還將高阻尼特性的聚合物混凝土添加其中，不單單能給機床剛度的穩定性提供保障，還可對切削時刀具振顫進行預防，以此對機床精度的穩定提供保障。為了提高機床的穩定性，還可采取對稱床身結構并配有密布的加強筋、整體鑄造床身、封閉式床身設計等手段。采用模態分析，能提供可靠和穩定的機床支撐部件，促進了機床結構的優化。

3 對數控精度控制

3.1 加工順序的安排

對切除的材料和加工成形的幾何形狀同時考慮，盡可能減少加工步驟，使用連續的方法，例如相比于平衡路徑，偏置路徑更好，應從材料的外部切入，避免垂直下刀。為了避免出現刀痕，在零件的臨界區域應采用不同步驟的精加工路徑，使用單一刀具精加工臨界區域，盡量不換刀。精加工后的加工表面之所以出現刀痕，就是因為刀具設置錯誤；盡量使用短刀，以免使用長刀具產生磨損。在條件許可的情況下，需要對零件方向重新進行定位，使用短刀具在難以加工的區域進行加工。在實際加工的刀具路徑中，需要同時滿足其他要求和重要要求。在高速、高溫加工時，采用涂層硬質合金刀具，可不對切削液體進行運用，既可產生極高的切削效率。

3.2 在裝夾過程中精確定位提高精度

在實際裝夾應用中，我們可以針對不同種類的零件。通過多種實用的方法對定位進行修正。如加工軸承等零件時，我們常常會使用此類零件的毛坯，而它們的圓柱度誤差常常會嚴重影響最終加工出的零件精度。此時我們可以選擇使用精定位基準法進行加工，即將零件一端固定在卡盤上，按照“基準先行”的原則使用外圓車刀進行加工，然后將零件掉頭重新安裝，用已加工好的表面作為基準，從而避免毛坯的公差帶來的不良影響，保證加工精度，這便是一種常見的提高加工精度的方式。與之類似的裝夾方法還有三爪自定心夾盤裝夾、雙頂尖裝夾、四爪單動夾盤裝夾、一夾一頂裝夾等。合理選擇裝夾方式不僅可以提高加工的精度，還可提高我們的工作效率。

3.3 提高床身導軌的幾何精度

從力學角度看，圓柱形結構可以增強傾斜床的扭轉和彎曲剛度，并且確保該數控車床能保持良好的精度，有復雜的切割負載條件。通常，從移動速度思考方面來想，車床應為導軌，最好是負荷較大的圓柱滾子直線導軌。另外，為了確保在高負載切削條件下，數控車床應具有良好的精度和高剛性，具有鋼滑動導軌子結構。鋼滑軌磨削硬化，螺釘安裝在軌道磨床磨削安裝面上。為了消除底座導軌和導軌之間的間隙，可以利用注塑材料。在軌道磨床整體磨削后，其有最佳的幾何精度。

3.4 精密加工技術的應用

1）精細削切技術是一種直接削切的常用方式。在生產過程中，利用精密切削技術時，要盡量少使用工件、道具、機床等，并且盡量提高機床的運轉速度，這樣才能有效的提高產品的質量。磨具成型技術的主要任務就是提升磨具的精度，然后高精度的磨具就可以加工一些電子零件。這種技術一般應用在電子產品零件的磨具加工中。超精密研磨技術一般用于加工電路基板硅片。利用超精密研磨技術能夠大大提高原子級拋光處理的精度，這是傳統研磨方法實現不了的需求。2）數控機床的加工精度一般可達0.05～0.1mm，數控機床按數字信號形式控制，數控裝置每輸出一脈沖信號，則機床移動部件移動0.001mm。而且加工同一批次零件，在同一機床，在相同加工條件下，使用相同加工刀具和程序，零件的一致性好，因此數控機床定位精度比較高，加工質量穩定。3）機床復合加工技術日趨成熟，包括車銑復合、車-鏜齒輪加工等復合，車磨復合，等復合加工形式，零件加工的精度和效率有了很大提高。復合加工機床發展正呈現多樣化、智能化的態勢。