數控機床加工精度分析和提高方法

陳宇堃

摘要： 數控機床是一種先進的高精度工作加工設備，隨著時代發展我國制造業對其精度要求也越來越高。數控機床的精度是由許多復雜因素影響的，如果在加工過程中不重視這類影響則無法得到想要的零件精度。文章就數控機床的各種精度類型進行了詳細的分析，探討了其影響因素，并提出了相應的提高精度方法及有效措施。

Abstract： CNC machine tools is an advanced high-precision work processing equipment， with the development of China's manufacturing industry on its accuracy requirements are increasingly high. The accuracy of CNC machine tools is influenced by many complex factors， and if such influences are not taken into account in the machining process， the desired part accuracy cannot be obtained. The article provides a detailed analysis of the various types of accuracy of CNC machine tools， discusses their influencing factors， and proposes corresponding methods and effective measures to improve accuracy.

關鍵詞： 數控機床;精度分析;影響因素;提高方法

Key words： CNC machine tools;accuracy analysis;influencing factors;improving methods

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0076-02

0? 引言

隨著時代和技術的發展進步，我國的制造業在這些年全面進入了新的一輪升級。在十四五規劃提出的產業升級中，高精尖制造是工業智能制造中的基礎和代表。而其核心則是高精尖的數控機床加工應用。數控機床作為傳統的機加工行業基礎，在今天仍然是整個智能制造業的核心。在產品升級越來越快的今天，高精度要求的數控機床也成為廣大企業的核心需求。[1]一個機床的精度等級往往決定了它的檔次和水平，也直接決定了它能加工出的零件規格和應用場景。高精度的機床常用于航天航空，軍工，微電子，精細生產等各個領域。但正因為它的高精度需求，也導致加工中的細微影響都會讓最終加工出的產品誤差變大。所以我們要時刻關注數控機床的精度情況，分析影響它的精度原因，結合實際生產優化工藝選擇參數，提出合理的提高精度方法，日常維護保養好機床，以便生產加工時數控機床能有更好的精度。[2]

下面會分析影響數控機床精度的常見因素：

1? 幾何精度分析

數控機床的幾何精度是由機床主要零部件組裝后的形狀精度和位置精度構成，也稱靜態精度檢驗。常見的幾何精度有零件的直線度、平面度、平行度、等距度、重合度、垂直度等。機床各部分零件在長期工作中，受環境和操作等各種因素影響，會發生零件的變形或者位移，從而影響到整個數控機床的幾何精度表現。幾何精度產生的誤差十分突出，是數控機床各類誤差中最為明顯的，嚴重時能讓機床加工精度急劇下降，廢品率次品率大增，所以需要時刻注意。在大多數數控機床中，幾何精度的誤差突出體現在導軌導向精度和主軸回轉精度中。

1.1 導軌導向精度

導軌導向精度，是指運動導軌沿支撐導軌運動時，其運動軌跡的準確程度，即直線運動導軌的直線性和圓周運動導軌的真圓性。數控機床加工零件時大部分的坐標運動都是由導軌負責運行，所以導軌導向精度出現誤差會直接體現在工件各尺寸的精度上。日常影響機床導軌導向精度的主要因素一般有：導軌的幾何精度和接觸精度、導軌的結構形式、導軌和支撐件的剛度、導軌副的油膜厚和油膜剛度，以及導軌和支撐件的熱變形等。

1.2 主軸回轉精度

主軸回轉精度，是指機床主軸瞬時的旋轉中心線和理論旋轉中心線的重合度。重合度越高，精度越好。所以我們希望數控機床工作時，主軸能在每一個瞬間回到中心線的空間位置，且這個位置相對固定。數控機床主要切削過程都是依靠主軸回轉產生，無論是車床的回轉工件還是銑床的回轉刀具，最終都會直接作用在加工工件上。由于主軸是回轉體，依靠軸承來承接，而主軸中也含有許多零件，它們本身的幾何誤差都是產生回轉誤差的原因。而具體表現形式則是主軸在回轉中產生徑向跳動、軸向竄動和角度擺動等誤差現象，三者結合在一起，經常會使主軸的旋轉中心線在加工中以漂移的方式出現，對實際加工生產造成不良影響。

2? 定位精度分析

定位精度是機床各移動軸在確定的終點能達到目標位置的準確程度，它產生的誤差就是定位誤差。而反復定位到同一點，或同一系列點的精度稱為重復定位精度，因為數控機床經常需要加工同一個或同一類零件，它會直接影響同一批次零件的一致性，所以在實際生產中是非常重要的精度指標。一般來說定位精度產生誤差是一個綜合結果，如幾何精度的導軌產生的誤差，傳動系統造成的運動誤差等，多表現在伺服系統、檢測系統、進給系統中。體現的是整個機床各元件的保養維修狀況。

3? 傳動精度分析

數控機床的傳動精度是指機床傳動系統各端之間在執行鍵之間的運動的協調性和均勻性。其中最主要的影響因素是機床整個傳動系統的設計，各傳動元件的本身精度和裝配精度。表現在具體零件上則為數控機床控制運動的電動機、驅動器及控制等個傳動元件產生的誤差。多數體現為各種齒輪及傳動鏈的本身制造誤差，安裝誤差，傳動比誤差等;另外當加工環境發生變化時，由于各零件的物理性質不同，產生不同的機械變形，即便是單個細小的機械變形，當累積在傳動系統中，也會造成數控機床產生傳動誤差。

4? 回轉精度分析

數控機床的回轉精度根據不同的類型會有不同的含義，對于大部分數控機床來說主要是主軸的回轉精度和轉臺的回轉精度。其中主軸回轉精度已在前面幾何精度中分析了，而轉臺的回轉精度常見于多軸機床中，多軸機床一般也多應用于高精尖加工，導致其轉臺精度對最終加工效果影響很大。影響轉臺的回轉精度因素一般有：轉臺做回轉運動時蠕動，轉臺分度產生誤差以及轉臺夾緊力不足等原因。其中回轉運動的蠕動主要是因為齒輪工作的嚙合面磨損，從而導致承受力不均勻，于是工作時回轉工作臺產生抖動，從而讓精度下降。而機床在長期使用過程中由于各種不當操作及污染物影響，會讓轉臺分度出現誤差，加工時轉動不能完全轉動到位，從而影響產品最終精度。最后是轉臺的夾緊力如果由于不能及時清楚表面雜志，或者閥門松動，導致工件無法夾緊，從而造成加工過程中的抖動，導致精度下降。

5? 提高精度方法

在了解影響數控機床的精度因素后，我們應該根據現實生產中的狀況，對使用的機床精度有充足的了解和檢測，從而優化生產流程和環境，以維持機床精度的穩定性，發揮機床的最大效益。

5.1 加工工藝優化

由于數控機床加工是按照既定編寫好的加工工藝卡進行操作，所以加工工藝中的各類參數和會直接影響加工結果。由于編寫過程中涉及到人員，標準，材料，零件形狀，加工順序，加工工具選擇的各種差異，會導致工藝參數與加工零件標準存在一定誤差，從而影響到最終加工精度。所以加工工藝的優化是十分重要，在確定好編寫人員后，應當對需要加工的零件進行細致的研究，根據形狀和加工要求編寫加工步驟，對零件材料的各類性質有充分了解，結合本身加工條件選擇合適機床和加工順序。[3]

5.2 切削參數優化

在所有加工過程中，切削參數是刀具直接作用在零件上的，所以任何細微的變化都會影響最后的精度表現。首先應該選取優良的刀具，特別是金屬材料的切削加工中，刀具材質和規格和最后加工效果是息息相關。所以設置切削參數時，應該充分了解所選工件和刀具材料的物理特性，幾何參數，分析計算出合適的參數區間。而現場加工中，還要根據機床本身的狀況，使用情況去調節相應參數，熟練的操作員能根據現場機床的狀況去調節轉速，進給，切削深度和角度等各種切削參數。另外切削過程中，要及時檢查機床的各項指標，尤其是要及時補充切削冷卻液，調整冷卻液噴出量以減少加工過程中的熱量誤差等。

5.3 實施誤差補償

加工過程中除了工藝和參數外，也可以通過其他方法消除加工誤差提高精度，其中最常用的就是誤差補償。誤差補償是指在分析和統計出當前誤差后，人為再添加一個新的誤差在加工過程中，使兩個誤差大小相等方向相反，從而互相抵消，以此提高加工精度的方法。誤差補償的方法難度在于對原始誤差的統計和分析，如何辨別誤差往往需要計算和經驗。對于一些加工過程比較規律和受力比較單一的加工，誤差補償較為容易實施;而對于加工過程較為復雜受力多變的加工，往往一個方向上的誤差是多重因素綜合引起的，單一方向上的補償不能得到想要的結果，從而讓補償過程更加復雜。而復雜的誤差補償需要較多時間進行計算，在實際生產中效率不夠高。目前較為常用的誤差補償方法有實時補償和靜態補償，一般都是可以對最終誤差進行直接補償的加工過程，能在機床加工中有效應用。

5.4 提高人員素質

雖然現代數控機床在很大程度上已經減少人員操作對加工過程的干擾性，但在需要提高加工精度的過程中，尤其高精高速加工中，操作人員的專業素質和知識水平會直接反映到加工過程中。首先操作人員要能理解加工程序和加工過程的內容及原理，才能更好地去執行操作，這要求操作人員既要具備基礎的編程和加工思路，也要熟悉各類加工的原則和注意事項。其次需要操作人員掌握所操作機床的性能和特點，能了解機床的各類操作執行狀況。然后才能根據要求現場執行程序的加工過程，并且根據實際情況去調整，達到既不會隨意更改編程員的指令，又能根據現場狀況優化參數的水平。尤其對于刀具的使用和磨損狀況，往往需要有足夠經驗去判斷更換。

5.5 機床維護保養

現代數控機床是精密的多元件工業產品，隨著日常使用不可避免的會出現各種程度的磨損和精度偏差，從而影響到加工精度。所以平常對機床的維護保養尤為重要，例如做好日常清潔，定時給各個結構上潤滑，維修更換出現磨損影響到加工的零部件。而一些高精度的數控機床，譬如多軸機床，日常工作需要再恒溫恒濕的環境里，需要配套的加工環境。隨著科技發展，現在的電子和網絡監控反饋技術也越來越先進，可以在生產過程中相應配備。[4]

6? 總結

數控機床的加工精度是由多方面因素組成，現實生產中可以針對具體的原因，用合適的方法來提高加工精度。而數控機床的精度提高和日常維護保養息息相關，作為使用和生產人員應該隨時關注，優化調整生產工藝和過程，讓高精尖的數控機床保持在一個良好的精度范圍。

參考文獻：

[1]鄭葦.數控機床加工精度的影響因素及改善措施[J].南方農機，2019（24）.

[2]趙秀芹.數控機床加工精度提高技術分析及其存在的問題探討[J].內燃機與配件，2020（18）：62-63.

[3]楊?？?數控機床加工中切削用量對加工精度的影響分析[J].南方農機，2019，50（7）：86.

[4]何寶旭.數控機床加工精度提高技術的進展及其存在的問題[J].營銷界，2019（21）：171.