數(shù)控機(jī)床加工精度存在問題的分析及研究

邵勇

摘要：隨著數(shù)控車床的逐漸普及和廣泛應(yīng)用，使其經(jīng)濟(jì)效益極大的凸顯出來，特別是對(duì)精密零件的檢測(cè)、診斷等方面的技術(shù)和手段革新，同時(shí)也給數(shù)控機(jī)床的維修調(diào)試工作帶來了一定的挑戰(zhàn)。數(shù)控車床在實(shí)際操作使用過程當(dāng)中，因?yàn)槭艿酵饨缰T多干擾因素的影響，會(huì)使得精密零件出現(xiàn)形變，導(dǎo)致形狀位置尺寸和粗糙度值等超差，這也造成數(shù)控車床的精密度受到一定程度的影響。本文針對(duì)數(shù)控車床精密零件加工及檢驗(yàn)方法加以研究和分析，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)問題的研究提供一些有價(jià)值的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；加工精度；零件檢驗(yàn)

隨著我國(guó)數(shù)控車床的使用范圍逐漸擴(kuò)大，應(yīng)用日益廣泛，也創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)其在我國(guó)機(jī)械制造業(yè)當(dāng)中占有重要的地位，在推動(dòng)我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程當(dāng)中發(fā)揮著重要的作用。近些年來，我國(guó)現(xiàn)代化機(jī)電控制技術(shù)蓬勃發(fā)展，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）使得數(shù)控車床技術(shù)逐漸朝著智能化、數(shù)字化以及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

一、數(shù)控車床的優(yōu)點(diǎn)

第一，相對(duì)于傳統(tǒng)車床而言，數(shù)控車床具有更好的剛性，具有更高的加工精度，具有更加穩(wěn)定的加工質(zhì)量?？梢詫?shí)現(xiàn)更加精確的人工補(bǔ)償和自動(dòng)補(bǔ)償，因此數(shù)控車床可以加工那些對(duì)工藝要求更加精密的零件。數(shù)控車床可以使用指令代碼，對(duì)刀具的使用、主軸的轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給的速度等方面進(jìn)行設(shè)定。數(shù)控車床的系統(tǒng)通過數(shù)字程序的指令對(duì)機(jī)床的主軸啟動(dòng)、停止、速度改變等進(jìn)行控制。在整個(gè)對(duì)精密零件的加工過程當(dāng)中，不需要任何人為操作，均由數(shù)控車床自動(dòng)完成，最大程度的減少人為操作造成的誤差。

第二，數(shù)控車床有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。如果利用數(shù)控車床加工小批量或者是單間的精密零件，既能夠節(jié)省加工時(shí)間，還能夠大幅度縮減精密零件調(diào)整和檢測(cè)的時(shí)間成本，進(jìn)而節(jié)約生產(chǎn)成本。此外，使用數(shù)控車床加工精密零件，還能夠節(jié)約制造成本。由于數(shù)控車床技工的精密度非常高，其加工質(zhì)量好、加工效率高，可以有效降低精密零件的報(bào)廢率，有效減少生產(chǎn)成本。除此以外，數(shù)控車床還具有一機(jī)多用的功能，因此數(shù)控車床看似價(jià)格非常昂貴，但是卻有著非常高的性價(jià)比，使用數(shù)控車床能夠獲得非常良好的經(jīng)濟(jì)收益。

二、數(shù)控車床加工精密零件的特點(diǎn)

（一）數(shù)控車床加工的精密零件表面粗糙度好

數(shù)控車床可以加工表面粗糙度較小的精密零件，其原因在于數(shù)控車床床身具有較大的剛性和強(qiáng)度，此外，數(shù)控車床可以實(shí)現(xiàn)恒線速度切削。也可以使零件多個(gè)加工面的精密度均能夠有效保障。數(shù)控車床在加工精密零件的過程當(dāng)中，零件圍繞固定的軸線旋轉(zhuǎn)，多個(gè)零件表面都有著同樣的回轉(zhuǎn)軸線，因此可以保證零件在加工過程中多個(gè)表面同軸度的標(biāo)準(zhǔn)。如果是在傳統(tǒng)的車床上進(jìn)行加工精密零件，會(huì)造成精密零件不同端面的粗糙度不相同。如果使用數(shù)控車床，能夠采用最優(yōu)的線速度對(duì)端面進(jìn)行切削，這樣就實(shí)現(xiàn)了精密零件不同表面的粗糙度一致并且較小。數(shù)控車床還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)不盡相同的精密零件切削。

（二）數(shù)控車床能夠加工內(nèi)外輪廓形狀復(fù)雜的精密零件

數(shù)控車床可以進(jìn)行圓弧和直線插補(bǔ)兩種插補(bǔ)功能，有些數(shù)控車床還具有復(fù)雜曲線的插補(bǔ)功能，因此能夠切削有任何曲線和直線構(gòu)成的較為復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體類精密零件，以及尺寸比較難以控制的精密零件，如一個(gè)存在封閉腔的精密零件。如果數(shù)控車床有良好的計(jì)算能力，能夠精準(zhǔn)的算出刀具相對(duì)與主軸軸的位移量，那么數(shù)控車床就可以完成傳統(tǒng)車床無法完成加工的復(fù)雜零件的任務(wù)。

三、數(shù)控機(jī)床加工精密度中的位置誤差

數(shù)控機(jī)床加工精密度中的位置誤差，也就是我們經(jīng)常提到的“死區(qū)”誤差，其出現(xiàn)的主要原因有多種多樣，包括彈性變形、傳動(dòng)間隙以及對(duì)摩擦力的克服等等。在開環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，數(shù)控機(jī)床加工的位置精密度會(huì)受到比較大的影響，但是在閉環(huán)的系統(tǒng)當(dāng)中，數(shù)控機(jī)床加工的位置精密度的決定因素主要有兩個(gè)，一個(gè)是閉環(huán)系統(tǒng)的速度放大系數(shù)，另一個(gè)是位置移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施的精確度，但是這兩者的影響都相對(duì)較小。在隨動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，出現(xiàn)的多個(gè)位置誤差，主要取決于數(shù)控車床運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)情況，包括速度突然變化出現(xiàn)的過渡、運(yùn)動(dòng)反向以及穩(wěn)態(tài)瞬間的過程，所以這些都是動(dòng)態(tài)的位置誤差。

針對(duì)數(shù)控機(jī)床加工精密度中的位置誤差進(jìn)行檢測(cè)，其方法是使用具有特定的材料以及特定的形狀的精密零件，一般將這些檢測(cè)零件叫做動(dòng)態(tài)精密度檢測(cè)加工零件，通常這些檢測(cè)零件的材料非常柔軟，但是卻具有較高的精密度，能夠有效減少外部工具對(duì)其產(chǎn)生的影響，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的進(jìn)給速度，實(shí)施對(duì)其的加工和切削，在進(jìn)行檢測(cè)加工以后，這些檢測(cè)零件非常方便用于測(cè)量。

四、數(shù)控機(jī)床精密度誤差及檢驗(yàn)方法

數(shù)控機(jī)床精密度誤差及檢驗(yàn)方法主要有三種檢驗(yàn)方法，即間接檢測(cè)法，樣件檢測(cè)法以及直接檢測(cè)法，這三種方法也是數(shù)控車床進(jìn)行零件精密度檢測(cè)的常見方法。

（一）直接檢測(cè)法。通過對(duì)加工零件精密度的測(cè)試，對(duì)數(shù)控車床的精密度實(shí)施評(píng)估。直接檢測(cè)法具有綜合屬性，對(duì)于出現(xiàn)誤差存在的環(huán)節(jié)不太容易區(qū)別出來，所以這種方法大部分適用于數(shù)控車床的產(chǎn)品出廠檢測(cè)方面。

（二）樣件檢測(cè)方法，也被叫做樣品跟蹤法。實(shí)際上，樣件檢測(cè)法是設(shè)計(jì)并制作出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的精密零件作為樣品零件，并將其安裝在需要檢測(cè)的數(shù)控車床上，對(duì)需要被加工的零件進(jìn)行替代。在數(shù)控車床刀具所裝的主軸軌跡，從理論上來講，被加工的樣品零件與被替代的零件表面的輪廓相同。但是在實(shí)際的操作過程中，會(huì)出現(xiàn)軌跡上的差異，利用側(cè)頭傳感器將信號(hào)傳遞給另一套檢測(cè)設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，利用繪圖設(shè)備繪制出樣品零件的形狀，在將兩者實(shí)施對(duì)比分析。樣件檢測(cè)法作為靜態(tài)精密度一種綜合屬性，有利于檢測(cè)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)的核心因素是設(shè)計(jì)出并制造出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的樣品零件，同時(shí)需要具備一整套檢測(cè)儀器。

（三）間接測(cè)試方法。通過對(duì)數(shù)控車床自身的精密度，對(duì)數(shù)控車床的精密度進(jìn)行評(píng)估的一種方法，這也是比較常見的一種檢測(cè)精密零件的辦法。但是由于僅僅從數(shù)控車床自身考慮，而沒有考慮到數(shù)控車床在進(jìn)行精密零件加工時(shí)候收到的影響，所以被叫做間接測(cè)試方法。間接測(cè)試方法主要應(yīng)用于數(shù)控車床的幾何精密度以及定位精密度的檢測(cè)，直接檢測(cè)方式主要適用于加工精密度以及隨動(dòng)精密度的檢測(cè)。

五、數(shù)控機(jī)床的幾何精度誤差及檢驗(yàn)方法

數(shù)控車床在實(shí)際操作過程當(dāng)中，因?yàn)槭艿酵獠恐T多因素的影響，會(huì)造成數(shù)控車床零件發(fā)生變形的情況，會(huì)對(duì)數(shù)控車床的幾何精密度造成一定程度的影響。

對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行幾何精密度的檢測(cè)時(shí)，通常是在靜態(tài)情況下，所以在對(duì)數(shù)控車床實(shí)施檢測(cè)以前，應(yīng)該將數(shù)控車床啟動(dòng)并運(yùn)轉(zhuǎn)起來，等到數(shù)控車床的溫度升高、潤(rùn)滑狀態(tài)良好的情況下，才能夠?qū)嵤z測(cè)工作。在動(dòng)態(tài)情況下，對(duì)數(shù)控車床的幾何精密度實(shí)施檢測(cè)，唯一的檢測(cè)方法就是對(duì)樣品零件進(jìn)行切削實(shí)施檢測(cè)。

通常而言，對(duì)數(shù)控車床幾何精密度造成影響的主要因素可以分成兩個(gè)部分：

第一，內(nèi)部原因。也就是數(shù)控車床自身的原因，包括工作臺(tái)面的平整度、導(dǎo)軌直線度等等。

第二，外部原因。也就是除了數(shù)控車床自身原因以外的所有原因，包括熱變形、刀具等工具的切削力等等。

六、數(shù)控機(jī)床定位精度的檢驗(yàn)

對(duì)于數(shù)控車床而言，定位精度檢測(cè)的分析具有非常重要。其原因在于從結(jié)構(gòu)的視角來看，數(shù)控車床對(duì)精密零件的加工誤差，大部分原因都是因?yàn)槎ㄎ坏木_度不夠造成的，對(duì)定位精度造成主要影響的就是數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)。

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的精度與數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用的隨動(dòng)裝置的類型有關(guān)。數(shù)控車床的閉環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)以及開環(huán)系統(tǒng)，它們的影響要素均不一致。譬如：在數(shù)控車床的閉環(huán)系統(tǒng)當(dāng)中，因?yàn)榇嬖谖恢靡苿?dòng)的檢測(cè)設(shè)備，可以有效避免滾珠絲杠螺母的精確度對(duì)定位精確度產(chǎn)生的影響，但是在數(shù)控車床的開環(huán)系統(tǒng)當(dāng)中就存在非常大的影響。除此之外，能夠?qū)?shù)控車床隨動(dòng)精密度產(chǎn)生影響的原因有許多，其出現(xiàn)的狀況也比較繁雜。

結(jié)語：隨著科技的不斷進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)水平的提高，數(shù)控車床在我國(guó)的普及程度逐漸提高，作為技巧性較強(qiáng)的工作，因?yàn)槭艿接谕獠恐T多因素的影響，在實(shí)際的操作加工過程當(dāng)中，非常容易造成精密零件加工的誤差，尤其是加工環(huán)境比較惡劣或者是比較復(fù)雜的情況下，出現(xiàn)數(shù)控車床精密零件加工誤差的情況更是難以避免。因此應(yīng)該使用科學(xué)的控制手段和措施，正確主動(dòng)地認(rèn)識(shí)數(shù)控車床加工精密零件的誤差，并給予科學(xué)的檢測(cè)手段，既能夠提升數(shù)控車床對(duì)精密零件加工的質(zhì)量，還能夠提高數(shù)控車床加工精密零件的速度。力圖實(shí)現(xiàn)精密零件質(zhì)量高、效率高，不斷提升數(shù)控車床的經(jīng)濟(jì)效益和使用價(jià)值。