數(shù)控銑削加工中常見誤差分析

劉智勇

數(shù)控銑床在加工工件時(shí)，指令的輸入、譯碼、計(jì)算以及控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)都是由數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一控制完成的，機(jī)床的精度比較穩(wěn)定。然而，加工誤差是客觀存在的，只有對加工誤差現(xiàn)象深入分析，才能找出改進(jìn)方法。加工誤差主要有以下幾種。

一、刀補(bǔ)設(shè)置不當(dāng)

如圖1，在實(shí)際加工時(shí)必須通過刀具補(bǔ)償指令，使數(shù)控機(jī)床根據(jù)實(shí)際使用的刀具尺寸，自動(dòng)調(diào)整各坐標(biāo)軸的移動(dòng)量，以確保實(shí)際加工輪廓與編程軌跡完全一致。如果刀補(bǔ)設(shè)置不合理，必然導(dǎo)致加工誤差的產(chǎn)生。另外，刀具半徑補(bǔ)償?shù)慕⒑腿∠穆窂竭x擇對加工效果也有著至關(guān)重要的影響，如果路徑不合理，就可能會(huì)出現(xiàn)圖2所示的過切現(xiàn)象。因此，刀具半徑補(bǔ)償?shù)钠鹗嘉恢门c終點(diǎn)位置最好與補(bǔ)償方向在同側(cè)，以有效避免過切現(xiàn)象的發(fā)生。

刀具半徑補(bǔ)償通常有B型刀補(bǔ)和C型刀補(bǔ)兩種，B型刀補(bǔ)在工件輪廓的拐角處采用圓弧過渡，如圖3(a)中的圓弧DE。這樣在外拐角處，刀具切削刃始終與工件尖角接觸，刀尖始終處于切削狀態(tài)。采用這種刀補(bǔ)方式會(huì)使工件上的尖角變鈍，甚至在工件的內(nèi)拐角處還會(huì)引起過切現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)加劇刀具的磨損。

C型刀補(bǔ)采用較為復(fù)雜的刀偏計(jì)算，系統(tǒng)能自動(dòng)計(jì)算出拐角處的交點(diǎn)。如圖3(b)中的B點(diǎn)，使刀具在工件輪廓的拐角處采用直線過渡方式，從而徹底解決了B型刀補(bǔ)的不足。SIEMENS系統(tǒng)采用G450和G451指令來指定拐角特性，G450指定C型刀補(bǔ)，G451指定B型刀補(bǔ)。以及曲面精加工時(shí)，由于銑削方法、工藝條件限制或銑削刀具等的問題，出現(xiàn)按零件圖樣尺寸計(jì)算與編程的加工結(jié)果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的問題。目前大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)還不具備非圓曲線的插補(bǔ)功能，因此加工這些非圓曲線時(shí)，通常采用直線段或圓弧線段擬合的方法。

等間距法是常用的非圓曲線擬合方法，它是在一個(gè)坐標(biāo)軸方向，將擬合輪廓的總增量等分后，對其所設(shè)定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)值計(jì)算的方法。

數(shù)控銑床精加工三坐標(biāo)曲面零件時(shí)，常采用球頭銑刀進(jìn)行加工。一般只要使球頭銑刀的中心位于所加工曲面的等距面上，不論刀具路線如何安排，均能銑出所要求的幾何形狀，且球頭銑刀的有效刀刃角的范圍可達(dá)180度。

由于擬合誤差的客觀存在，任何精加工后的零件都不可能是絕對精確的。例如圖5(a)所示的橢球體精加工，采用球頭銑刀沿刀位點(diǎn)實(shí)際輪廓線以行切法進(jìn)行兩軸半聯(lián)動(dòng)逐層加工，總是存在圖中陰影部分所示的未加工區(qū)域，加工效果如圖5(b)所示。在實(shí)際加工中，通過減小擬合線段的長度、增加擬合節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以減小誤差，但同時(shí)也增加了編程的工作量和加工時(shí)間。

三、工藝系統(tǒng)誤差

1、工件的裝夾誤差

工件在夾具中定位后，必須采用一定的機(jī)構(gòu)將其壓緊夾牢在定位元件上，保證在切削過程中不會(huì)由于切削力、重力或伴生力等外力作用而發(fā)生位置變化或振動(dòng)，從而保證定位精度。圖6所示的工件由于裝夾不當(dāng)，使工件偏離了正確定位位置。在實(shí)際裝夾中，為避免出現(xiàn)類似圖7那樣的誤差，著力點(diǎn)必須位于定位元件所形成的限位支承面內(nèi)，并盡可能地靠近工件剛度較大處或加工部位。

2．工件的熱變形

由于切削熱的作用，工件在加工過程中的受熱膨脹影響了其尺寸精度和形狀精度。此外，刀具的切削性能也會(huì)受到一定程度的削弱，加劇工件的變形。為了減小熱變形對加工精度的影響，常常采用切削液冷卻切削區(qū)的方法，也可選擇合適的刀具或改變切削參數(shù)來減少傳入工件的熱量。

3．工件內(nèi)應(yīng)力的影響

所謂內(nèi)應(yīng)力，就是當(dāng)外界載荷去掉后，仍殘留在工件內(nèi)部的應(yīng)力，又稱為殘余應(yīng)力，是工件在加工過程中內(nèi)部宏觀或微觀組織因發(fā)生了不均勻的體積變化而產(chǎn)生的。具有內(nèi)應(yīng)力的零件處于一種不穩(wěn)定的相對平衡狀態(tài)，可以保持形狀精度的暫時(shí)穩(wěn)定。一旦外界條件產(chǎn)生變化，如繼續(xù)進(jìn)行切削加工、受到撞擊等，內(nèi)應(yīng)力的暫時(shí)平衡就會(huì)被打破而進(jìn)行重新分布，零件會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變形，從而破壞原有的精度。因此，在切削加工時(shí)，應(yīng)將粗、精加工分開在不同的工序進(jìn)行，保證粗加工后有一定的間隔時(shí)間讓內(nèi)應(yīng)力重新分布，以減小對精加工的影響。