數(shù)控超精密加工的精度控制研究

何曉杰 張文韜 蔣杰 鐘智 陳超

摘要：在實際應(yīng)用的過程中，數(shù)控機(jī)床主軸的主要功能是有效控制機(jī)床工件以及刀具旋轉(zhuǎn)帶動的軸承。數(shù)控機(jī)床主軸通常包括傳動件、軸承等。作為一種常見的零部件，在機(jī)械加工中發(fā)揮著重要的作用。在實際運(yùn)行期間，機(jī)床主軸的主要功效是支撐傳動轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而使機(jī)床主軸在運(yùn)行期間的安全性與穩(wěn)定性得到進(jìn)一步的提升，以帶動其他工件，使機(jī)床主軸形成一個表面成形運(yùn)動?；诖耍疚闹饕接憯?shù)控超精密加工的精度控制措施。

關(guān)鍵詞：數(shù)控；超精密加工；精度控制

1 數(shù)控機(jī)床設(shè)備的組成

（1）主機(jī)：主機(jī)是數(shù)控車床的主體，包括床、主軸、立柱、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件，還可用于完成各種切削機(jī)械零件。（2）數(shù)控裝置：數(shù)控車床的核心為數(shù)控裝置，包括軟件和硬件設(shè)備（印刷電路板等），數(shù)字部件加工程序的輸入和存儲就依靠它，為實現(xiàn)各種控制功能可以處理和更改數(shù)據(jù)。（3）驅(qū)動裝置：驅(qū)動裝置是數(shù)控車床執(zhí)行器的驅(qū)動部分，有主軸驅(qū)動單元、主軸電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)、進(jìn)給單元等，可以使用電動液壓伺服系統(tǒng)。在數(shù)控裝置的控制下，實現(xiàn)主軸驅(qū)動和進(jìn)給驅(qū)動。同時將幾個進(jìn)給聯(lián)動，可以促成工件的定位和各種直曲線等空間曲線的加工。（4）加工輔助裝置：輔助設(shè)備數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行中的一些必要設(shè)施，確保數(shù) 控機(jī) 床正常運(yùn)行，其 功能包括冷卻，除屑、潤滑等，包括液壓裝置、切屑清除裝置、數(shù)控轉(zhuǎn)盤及監(jiān)控裝置。

2 精密模具零件的高速加工工藝

高速切削機(jī)床通常具有較高的技術(shù)性能，主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)20000～40000r/min，最大進(jìn)給速度達(dá) 120m/min。采用運(yùn)動機(jī)構(gòu)和主軸系統(tǒng)等高性能的功能部件，相比于傳統(tǒng)普通數(shù)控機(jī)床，國內(nèi)外高速加工中心具有更加良好的加工速度、性能和臨床機(jī)構(gòu)。高速機(jī)床要求的冷卻系統(tǒng)和主軸單元具有極高的性能。同時，需要優(yōu)良的動力特性、監(jiān)控系統(tǒng)和安全裝置，其特點(diǎn)是機(jī)床具有較大的制造難度和極高的技術(shù)含量。相比于國外，目前國內(nèi)的高速機(jī)床在技術(shù)上還有一定差距存在。為了使數(shù)控機(jī)床的試制周期和開發(fā)時間有效縮短，需要新型功能部件，具有極高的可靠性和性能。在高速切削機(jī)床的床身等支撐部件，無論是靜剛度還是熱剛度都比較好，其支撐部件主要是采用高剛性和高質(zhì)量的灰鑄鐵。為了促進(jìn)熱穩(wěn)定性和抗振性的增加，有的還將高阻尼特性的聚合物混凝土添加其中，不單單能給機(jī)床剛度的穩(wěn)定性提供保障，還可對切削時刀具振顫進(jìn)行預(yù)防，以此對機(jī)床精度的穩(wěn)定提供保障。為了提高機(jī)床的穩(wěn)定性，還可采取對稱床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強(qiáng)筋、整體鑄造床身、封閉式床身設(shè)計等手段。采用模態(tài)分析，能提供可靠和穩(wěn)定的機(jī)床支撐部件，促進(jìn)了機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

3 對數(shù)控精度控制

3.1 加工順序的安排

對切除的材料和加工成形的幾何形狀同時考慮，盡可能減少加工步驟，使用連續(xù)的方法，例如相比于平衡路徑，偏置路徑更好，應(yīng)從材料的外部切入，避免垂直下刀。為了避免出現(xiàn)刀痕，在零件的臨界區(qū)域應(yīng)采用不同步驟的精加工路徑，使用單一刀具精加工臨界區(qū)域，盡量不換刀。精加工后的加工表面之所以出現(xiàn)刀痕，就是因為刀具設(shè)置錯誤；盡量使用短刀，以免使用長刀具產(chǎn)生磨損。在條件許可的情況下，需要對零件方向重新進(jìn)行定位，使用短刀具在難以加工的區(qū)域進(jìn)行加工。在實際加工的刀具路徑中，需要同時滿足其他要求和重要要求。在高速、高溫加工時，采用涂層硬質(zhì)合金刀具，可不對切削液體進(jìn)行運(yùn)用，既可產(chǎn)生極高的切削效率。

3.2 在裝夾過程中精確定位提高精度

在實際裝夾應(yīng)用中，我們可以針對不同種類的零件。通過多種實用的方法對定位進(jìn)行修正。如加工軸承等零件時，我們常常會使用此類零件的毛坯，而它們的圓柱度誤差常常會嚴(yán)重影響最終加工出的零件精度。此時我們可以選擇使用精定位基準(zhǔn)法進(jìn)行加工，即將零件一端固定在卡盤上，按照“基準(zhǔn)先行”的原則使用外圓車刀進(jìn)行加工，然后將零件掉頭重新安裝，用已加工好的表面作為基準(zhǔn)，從而避免毛坯的公差帶來的不良影響，保證加工精度，這便是一種常見的提高加工精度的方式。與之類似的裝夾方法還有三爪自定心夾盤裝夾、雙頂尖裝夾、四爪單動夾盤裝夾、一夾一頂裝夾等。合理選擇裝夾方式不僅可以提高加工的精度，還可提高我們的工作效率。

3.3 提高床身導(dǎo)軌的幾何精度

從力學(xué)角度看，圓柱形結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)傾斜床的扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度，并且確保該數(shù)控車床能保持良好的精度，有復(fù)雜的切割負(fù)載條件。通常，從移動速度思考方面來想，車床應(yīng)為導(dǎo)軌，最好是負(fù)荷較大的圓柱滾子直線導(dǎo)軌。另外，為了確保在高負(fù)載切削條件下，數(shù)控車床應(yīng)具有良好的精度和高剛性，具有鋼滑動導(dǎo)軌子結(jié)構(gòu)。鋼滑軌磨削硬化，螺釘安裝在軌道磨床磨削安裝面上。為了消除底座導(dǎo)軌和導(dǎo)軌之間的間隙，可以利用注塑材料。在軌道磨床整體磨削后，其有最佳的幾何精度。

3.4 精密加工技術(shù)的應(yīng)用

1）精細(xì)削切技術(shù)是一種直接削切的常用方式。在生產(chǎn)過程中，利用精密切削技術(shù)時，要盡量少使用工件、道具、機(jī)床等，并且盡量提高機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，這樣才能有效的提高產(chǎn)品的質(zhì)量。磨具成型技術(shù)的主要任務(wù)就是提升磨具的精度，然后高精度的磨具就可以加工一些電子零件。這種技術(shù)一般應(yīng)用在電子產(chǎn)品零件的磨具加工中。超精密研磨技術(shù)一般用于加工電路基板硅片。利用超精密研磨技術(shù)能夠大大提高原子級拋光處理的精度，這是傳統(tǒng)研磨方法實現(xiàn)不了的需求。2）數(shù)控機(jī)床的加工精度一般可達(dá)0.05～0.1mm，數(shù)控機(jī)床按數(shù)字信號形式控制，數(shù)控裝置每輸出一脈沖信號，則機(jī)床移動部件移動0.001mm。而且加工同一批次零件，在同一機(jī)床，在相同加工條件下，使用相同加工刀具和程序，零件的一致性好，因此數(shù)控機(jī)床定位精度比較高，加工質(zhì)量穩(wěn)定。3）機(jī)床復(fù)合加工技術(shù)日趨成熟，包括車銑復(fù)合、車-鏜齒輪加工等復(fù)合，車磨復(fù)合，等復(fù)合加工形式，零件加工的精度和效率有了很大提高。復(fù)合加工機(jī)床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化、智能化的態(tài)勢。