數(shù)控車床的加工精度影響因素及提升方法

童敘豪 蔡嘉賓

摘要：數(shù)控車床因為其高精度和高柔性化的零件制造模式能較好地兼顧生產(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。基于這一近況，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。

Abstract： Numerical control lathe has been widely used in modern machinery manufacturing industry because of its high precision and high flexibility of parts manufacturing mode， which can give better consideration to production efficiency and parts processing quality. But in the actual production， due to the system error of CNC lathe and the nonstandard operation of processing personnel， it is difficult to accurately control the machining accuracy， resulting in the low yield of parts. Based on this situation， starting from the composition and processing flow of CNC lathe， this paper expounds the factors that affect the machining accuracy of CNC lathe， and puts forward some methods to improve the machining accuracy from the perspectives of CNC lathe system， parts manufacturing process and labor service.

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床;加工精度;提升方法

Key words： CNC lathe machining;accuracy;improvement method

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0194-02

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)帶動車床的整體運(yùn)動，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)常使用自動換刀系統(tǒng)進(jìn)行工件表面的加工。數(shù)控車床加工過程中，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)行加工的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)因為操作人員對于控制數(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)大的問題。如果數(shù)控車床的操作人員不能及時地了解加工所用刀具的主偏角和圓弧半徑的變化狀況，并且對加工程序進(jìn)行相對應(yīng)的修正，使得加工出的工件表面較為粗糙，將導(dǎo)致加工零件無法達(dá)到圖紙的相關(guān)要求。因此，在數(shù)控車床的使用過程中需要學(xué)會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)實現(xiàn)了數(shù)控車床與機(jī)床本體間的電傳動，同時伺服系統(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經(jīng)過放大驅(qū)動車床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的加工指令。在實際加工的過程中，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)對于傳動系統(tǒng)中的滾珠絲杠具有驅(qū)動能力，操作人員如果不能及時對該因素進(jìn)行合理控制，滾珠絲杠將因為發(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，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)量是指每個單位脈沖對應(yīng)坐標(biāo)軸的位移量，普通等級數(shù)控車床的脈沖當(dāng)量要大于精密級別的數(shù)控車床。價格較低的數(shù)控車床通常會采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)對零件的尺寸進(jìn)行實際控制時，只能夠圓整到脈沖當(dāng)量，圓整誤差對于數(shù)控車床的加工精度將會造成不利影響，需要采取相對應(yīng)的誤差來減小圓整誤差。

1.4 編程誤差的影響? 在進(jìn)行數(shù)控車床的加工過程中，需要根據(jù)車床的實際情況進(jìn)行合理的編程，根據(jù)圖紙在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行編程時，會存在編程誤差，這主要是由于數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的數(shù)學(xué)邏輯問題導(dǎo)致的，對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? 在實際生產(chǎn)過程中，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。倘若不對數(shù)控車床磨損嚴(yán)重的部件及時進(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，在加工過程中往往會使用多種刀具，例如常見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必會對工件的加工精度造成一定的影響。在實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、主偏角等對加工精度的影響，在編程時可以加入誤差補(bǔ)償和處理代碼，優(yōu)化數(shù)控車削程序來減少累積誤差[3]。同時可以根據(jù)生產(chǎn)車間的加工情況建立一份專門的刀具使用管理辦法，對于刀具的使用實現(xiàn)一刀一制、專人專管。數(shù)控車床在經(jīng)過長時間的運(yùn)行之后，對于使用磨損較大的刀具和刀架及時進(jìn)行更換，避免產(chǎn)生加工誤差。同時針對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)所帶來的加工誤差。伺服系統(tǒng)不僅會對數(shù)控車床的加工精度產(chǎn)生影響，同時也會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)動系統(tǒng)等。這一措施可以減少伺服系統(tǒng)對于數(shù)控車床加工精度所產(chǎn)生的影響。同時在使用數(shù)控車床的加工過程中，對于伺服系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)及時進(jìn)行調(diào)整由此減小伺服系統(tǒng)帶來的加工誤差。

對于伺服系統(tǒng)的控制措施主要有以下3點：①在使用數(shù)控車床對工件進(jìn)行單軸直線加工時，伺服系統(tǒng)的速度誤差只會導(dǎo)致工件的加工完成到達(dá)停止的時間有所延遲，并不會對工件的加工精度產(chǎn)生影響。②在車削加工的過程中，伺服系統(tǒng)經(jīng)常被用來進(jìn)行圓環(huán)或圓弧形的加工;在加工過程中對于伺服系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采用開環(huán)增益，不同位置的開環(huán)增益不同將對加工精度造成不良影響，同時進(jìn)給軸的不同位置需要開環(huán)增益相同。③通過對于數(shù)控車床進(jìn)給軸角度的反復(fù)測試，可以得出位于45度的位置時加工完成效果最好。

2.3 誤差補(bǔ)償法? 在數(shù)控車床的實際使用過程中，誤差補(bǔ)償法經(jīng)常會被用來減少圓整誤差和編進(jìn)誤差對于產(chǎn)品質(zhì)量所產(chǎn)生的影響。誤差補(bǔ)償法是通過在對工件進(jìn)行實際性的加工之前，考慮可能會存在的誤差影響因素，提前采取手段消除在實際加工中可能會存在的不確定性因素。常見的誤差補(bǔ)償法主要是通過數(shù)控車床的控制系統(tǒng)進(jìn)行誤差控制，同時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)實際加工過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)反向偏差的問題，對于反向偏差這一類問題，需要采取相關(guān)的誤差補(bǔ)償措施，減少對定位精度造成的不良影響。同時也可以采用偏差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ鋵τ诹慵庸ぞ鹊牟焕绊憽Ｔ诒ＷC車床低速單向定位的基礎(chǔ)上進(jìn)行插補(bǔ)加工，反向問題是考慮的重點內(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? 數(shù)控車床作為零件加工的重要主體，因為其設(shè)計的優(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)等措施都能對加強(qiáng)數(shù)控車床零件加工工作起到重要作用。[5]目前國內(nèi)使用的大部分?jǐn)?shù)控車床都是國內(nèi)自主研發(fā)制造完成的，設(shè)計人員在進(jìn)行數(shù)控車床的相關(guān)設(shè)計時需要考慮進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)控車床的整體結(jié)構(gòu)，同時充分考慮數(shù)控車床在實際生產(chǎn)過程中可能會出現(xiàn)的各種誤差，例如車床的導(dǎo)軌精度等，對誤差提前進(jìn)行針對性的設(shè)計。同時可以結(jié)合別國先進(jìn)的數(shù)控車床設(shè)計理念，將設(shè)計方案轉(zhuǎn)化成實際的生產(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選擇合適的加工工藝與流程，例如在加工零件的過程中有時候會存在空程過多的情況，這時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無法滿足相關(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)? 對于數(shù)控車床的加工操作，企業(yè)需要根據(jù)自身的實際情況和未來發(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，同時在日常工作過程中及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題，一切從提高工件的加工精度出發(fā)。對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)同時需要進(jìn)行實際操作方面的培訓(xùn)。此外，目前常見的數(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)需要定期定時組織員工進(jìn)行培訓(xùn)，提高員工的職業(yè)素養(yǎng)同時也是提升產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。

3? 結(jié)語

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。控制好數(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)控車床加工精度問題將推動中國機(jī)械制造向世界先進(jìn)水平發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]時小廣.數(shù)控車床加工精度的影響因素及提高措施研究[J].科技與創(chuàng)新，2020（19）：128-129，131.

[2]鄧柏祥.數(shù)控車床加工精度的影響因素及提高策略[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（13）：62-63.

[3]曾凡柏，徐志鵬.數(shù)控車床加工精度的影響因素分析及對策[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（3）：47.

[4]李明星.基于數(shù)控車床加工精度的影響因素分析及應(yīng)對策略探究[J].冶金與材料，2020，40（4）：41.

[5]李婷.數(shù)控車床加工精度的影響因素與控制策略[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（18）：154-155.