機(jī)械加工過(guò)程中金屬材料表面質(zhì)量及精度控制研究

王紅雨

(鄭州信息工程職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

近些年來(lái)，機(jī)械制造技術(shù)得到了大力發(fā)展，在此環(huán)境下，如何提高機(jī)械加工零件的質(zhì)量和精度也已成為現(xiàn)階段亟需解決的問(wèn)題[1]。但隨著金屬材料的多樣化，其屬性更加豐富，通過(guò)降低應(yīng)力變形的方式實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)已經(jīng)不具有現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)經(jīng)濟(jì)上也對(duì)其有著一定的制約作用[2]。影響加工質(zhì)量和精度的因素有很多，但在這其中，數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行參數(shù)是關(guān)鍵部分[3]。已有學(xué)者對(duì)機(jī)械加工控制方法進(jìn)行研究，其中，文獻(xiàn)[4]提出建立基于多體理論的機(jī)床空間位置精度保持性評(píng)價(jià)模型[4]。在調(diào)查錯(cuò)誤原因的基礎(chǔ)上，使用SOBOL全局靈敏度分析方法分析每個(gè)錯(cuò)誤項(xiàng)的強(qiáng)度。文獻(xiàn)[5]提出現(xiàn)代機(jī)械制造工藝及精密加工技術(shù)研究[5]。在對(duì)現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)的概念和共同點(diǎn)研究的基礎(chǔ)上，分析了電阻焊，氣體保護(hù)焊接工藝，以及精密的切削、研磨、拋光技術(shù)。文獻(xiàn)[6]提出鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形精度控制[6]。以TC1鈦合金U型件為對(duì)象，研究了脈沖電流輔助熱壓成形工藝對(duì)其缺陷，精度及性能的影響，通過(guò)補(bǔ)償熱量損失的方式，使材料保持在良好的成形溫度區(qū)間，提高零件表面質(zhì)量，在成形過(guò)程中，隨著壓力，時(shí)間，溫度的升高，零件的尺寸精度也逐漸得到提高。上述方法均做出了一定的研究?jī)r(jià)值，但對(duì)于反向間隙補(bǔ)償效果仍存在進(jìn)一步提升的空間。

基于此，本文提出機(jī)械加工過(guò)程中金屬材料表面質(zhì)量及精度控制研究。通過(guò)對(duì)引起加工質(zhì)量及精度問(wèn)題的誤差源進(jìn)行精準(zhǔn)辨識(shí)，對(duì)其數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工時(shí)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行合理控制和補(bǔ)償，提高其加工效果。

1 機(jī)械加工金屬材料表面的質(zhì)量和精度控制方法

1.1 構(gòu)建數(shù)控機(jī)床模型

在控制已加工金屬材料表面的質(zhì)量和精度之前，有必要找出CNC機(jī)床上已加工金屬材料表面的誤差源[7]。因此，本文首先建立一個(gè)CNC機(jī)床的3D模型，從基準(zhǔn)坐標(biāo)系開始，對(duì)CNC機(jī)床的部件編號(hào)，然后使用4×4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣創(chuàng)建CNC機(jī)床的模型。

式中，Wi數(shù)值所表示的為空間任意一點(diǎn)坐標(biāo)，λ示此數(shù)值為原始數(shù)據(jù)坐標(biāo)，Ji表示坐標(biāo)系i相對(duì)于坐標(biāo)系Wi的旋轉(zhuǎn)角度。

使用空間模型來(lái)描述和描述機(jī)械加工機(jī)床空間位置的關(guān)系，這為對(duì)機(jī)床加工的金屬材料表面上的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分析提供了基礎(chǔ)。

1.2 誤差源辨識(shí)

在上述基礎(chǔ)上，本文基于目標(biāo)補(bǔ)償法原理[8]，利用數(shù)據(jù)來(lái)控制數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工及預(yù)處理過(guò)程，將其正向的偏差值設(shè)為參數(shù)Xa，平均位置的偏差模型可以用下列公式所表示式中，γ表示負(fù)向位置偏差，為目標(biāo)位置，表示數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工金屬材料表面源數(shù)據(jù)。

由于在目標(biāo)補(bǔ)償方法中每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)都存在游隙，因此估計(jì)單個(gè)目標(biāo)前進(jìn)位置目標(biāo)點(diǎn)的不確定性，其可以表示為

式中，Ca表示重復(fù)位參數(shù)，表示位目標(biāo)點(diǎn)，表示負(fù)向重復(fù)位參數(shù)，X和x兩個(gè)參數(shù)分別所表示為偏差數(shù)值。

根據(jù)上述所列出的公式（3）中可知，所提出的單個(gè)目標(biāo)不確定評(píng)估值以下列公式所表示

式中，-N參數(shù)所表示的是目標(biāo)點(diǎn)的負(fù)向，xN和x-N兩種參數(shù)分別表示單項(xiàng)參數(shù)與雙向參數(shù)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。

根據(jù)上述計(jì)算，完成對(duì)誤差源進(jìn)行辨識(shí)，為數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工金屬材料表面的質(zhì)量和精度控制提供依據(jù)。

1.3 機(jī)械加工金屬材料表面的質(zhì)量控制

在上述基礎(chǔ)上，以誤差源為目標(biāo)，將機(jī)床螺距補(bǔ)償誤差值作為控制對(duì)象，對(duì)機(jī)床螺距進(jìn)行控制約束，以此對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工金屬材料表面質(zhì)量進(jìn)行控制?？刂七^(guò)程如圖1所示。

圖1 機(jī)械加工金屬材料表面精度控制過(guò)程

在控制過(guò)程中，首先，使用目標(biāo)補(bǔ)償方法來(lái)確保機(jī)器各軸的速度和加速度的最佳范圍，以及在單周期補(bǔ)償后在線記錄和評(píng)估CNC機(jī)器的變化；在此基礎(chǔ)上，確定目標(biāo)補(bǔ)償方法所需的閾值，設(shè)置過(guò)程如圖2所示；

圖2 閾值設(shè)定流程圖

通過(guò)設(shè)置閾值的方式，對(duì)數(shù)控機(jī)床的參數(shù)進(jìn)行有效控制，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行螺距控制，降低其振蕩范圍，對(duì)引起質(zhì)量問(wèn)題的誤差源的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制。

1.4 機(jī)械加工金屬材料表面的精度控制

在上述基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料表面精度更高的控制要求，需要對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。在以質(zhì)量要求為閾值基礎(chǔ)上，通過(guò)反向間隙補(bǔ)償?shù)姆绞酵瓿蓪?duì)參數(shù)補(bǔ)償，因此，可以控制在機(jī)械上加工的金屬材料表面的精度。控制過(guò)程如圖3所示。

圖3 機(jī)械加工金屬材料表面質(zhì)量控制過(guò)程

假設(shè)機(jī)床加工金屬材料表面的總補(bǔ)償目標(biāo)為Bi，閾值約束實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償距離為Bn，當(dāng)剩余補(bǔ)償量B等于目標(biāo)補(bǔ)償量與當(dāng)前補(bǔ)償量之差時(shí)，機(jī)器速度控制公式如下：

式中，v表示數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度，Δ表示最大加速度，aγ表示勻速經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的距離，Bv表示數(shù)控加工機(jī)床一個(gè)周期的速度變化量。

通過(guò)上述公式，在設(shè)置的閾值范圍內(nèi)，使數(shù)控機(jī)床在初始速度為v的基礎(chǔ)上，加速到一定水平后，它減小到0。因此，控制機(jī)械加工過(guò)程以減少機(jī)床振動(dòng)并達(dá)到一定程度的控制精度。在此基礎(chǔ)上，采用目標(biāo)補(bǔ)償法，根據(jù)機(jī)床的游隙補(bǔ)償角度，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工的金屬材料的表面精度進(jìn)行控制。加速后估算機(jī)床速度的系數(shù)為。

式中，YA 表示速度判斷因子，Lt表示加速一個(gè)周期所走的距離，表示設(shè)備勻速走過(guò)的距離。若V ＜，則認(rèn)為速度足夠小，若接近0，則無(wú)需補(bǔ)償。通過(guò)以上計(jì)算，控制了數(shù)控機(jī)床的復(fù)數(shù)補(bǔ)償值，完成了由數(shù)控機(jī)床加工的金屬材料的表面精度控制。

3 試驗(yàn)測(cè)試

為測(cè)試本文設(shè)計(jì)方法的實(shí)際應(yīng)用性能，進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。同時(shí)，為了提高對(duì)測(cè)試結(jié)果的指標(biāo)分析，分別采用文獻(xiàn)[5]提出的機(jī)械精密加工技術(shù)和文獻(xiàn)[5]提出的通過(guò)脈沖電流輔助熱壓成形精度控制同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

（1）實(shí)驗(yàn)環(huán)境。本文以某機(jī)械加工廠的生產(chǎn)車間為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在該車間內(nèi)，使用的數(shù)控機(jī)床為CK6125I 型號(hào)，控制系統(tǒng)為廣數(shù) GSK980T 系統(tǒng)，床座類型為整體床座。主要用于金屬材料的加工。在此環(huán)境下，設(shè)置生產(chǎn)螺絲孔金屬產(chǎn)品100件，產(chǎn)品生產(chǎn)參數(shù)如表1所示，并分別采用三種控制方法對(duì)其加工過(guò)程進(jìn)行控制，并對(duì)比其生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)情況。

表1 機(jī)械加工產(chǎn)品參數(shù)表

（2）在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，首先對(duì)三種方法下的產(chǎn)品實(shí)際參數(shù)誤差進(jìn)行比較，本文以平均參數(shù)差異情況作為指標(biāo)，得到的結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法的機(jī)械加工誤差對(duì)比表

通過(guò)對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在三種機(jī)械加工方法下，本文方法的產(chǎn)品參數(shù)與設(shè)定值的差異最小，穩(wěn)定在0.02mm以內(nèi)，明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]方法。這主要是因?yàn)椴捎媚繕?biāo)補(bǔ)償?shù)姆绞?，?duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行有效控制，以此實(shí)現(xiàn)了改善其生產(chǎn)精度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量的目的。在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)比了三種加工方式下，合格率和返工率以及廢品率進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法的質(zhì)量控制結(jié)果

通過(guò)分析圖3可知，在三種加工方式下，本文方法的合格率可達(dá)到95%以上，且廢品率和返工率都在5%以內(nèi)，這也從側(cè)面說(shuō)明了產(chǎn)品具有較高的質(zhì)量和精度標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)化程度的不斷加深，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)的要求也越來(lái)越高，因此，要實(shí)現(xiàn)在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中完成企業(yè)的發(fā)展，必須從自身出發(fā)，以優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品作為核心，激發(fā)市場(chǎng)占有率。本文提出機(jī)械加工過(guò)程中金屬材料表面質(zhì)量及精度控制研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和精度的有效保障。通過(guò)該研究，以期能夠?yàn)閷?shí)際的生產(chǎn)加工活動(dòng)提供有價(jià)值的參考。