機械加工過程中金屬材料表面質(zhì)量及精度控制研究

王紅雨

(鄭州信息工程職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

近些年來，機械制造技術(shù)得到了大力發(fā)展，在此環(huán)境下，如何提高機械加工零件的質(zhì)量和精度也已成為現(xiàn)階段亟需解決的問題[1]。但隨著金屬材料的多樣化，其屬性更加豐富，通過降低應(yīng)力變形的方式實現(xiàn)該目標已經(jīng)不具有現(xiàn)實意義，同時經(jīng)濟上也對其有著一定的制約作用[2]。影響加工質(zhì)量和精度的因素有很多，但在這其中，數(shù)控機床的運行參數(shù)是關(guān)鍵部分[3]。已有學(xué)者對機械加工控制方法進行研究，其中，文獻[4]提出建立基于多體理論的機床空間位置精度保持性評價模型[4]。在調(diào)查錯誤原因的基礎(chǔ)上，使用SOBOL全局靈敏度分析方法分析每個錯誤項的強度。文獻[5]提出現(xiàn)代機械制造工藝及精密加工技術(shù)研究[5]。在對現(xiàn)代機械制造工藝與精密加工技術(shù)的概念和共同點研究的基礎(chǔ)上，分析了電阻焊，氣體保護焊接工藝，以及精密的切削、研磨、拋光技術(shù)。文獻[6]提出鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形精度控制[6]。以TC1鈦合金U型件為對象，研究了脈沖電流輔助熱壓成形工藝對其缺陷，精度及性能的影響，通過補償熱量損失的方式，使材料保持在良好的成形溫度區(qū)間，提高零件表面質(zhì)量，在成形過程中，隨著壓力，時間，溫度的升高，零件的尺寸精度也逐漸得到提高。上述方法均做出了一定的研究價值，但對于反向間隙補償效果仍存在進一步提升的空間。

基于此，本文提出機械加工過程中金屬材料表面質(zhì)量及精度控制研究。通過對引起加工質(zhì)量及精度問題的誤差源進行精準辨識，對其數(shù)控機床機械加工時的運行參數(shù)進行合理控制和補償，提高其加工效果。

1 機械加工金屬材料表面的質(zhì)量和精度控制方法

1.1 構(gòu)建數(shù)控機床模型

在控制已加工金屬材料表面的質(zhì)量和精度之前，有必要找出CNC機床上已加工金屬材料表面的誤差源[7]。因此，本文首先建立一個CNC機床的3D模型，從基準坐標系開始，對CNC機床的部件編號，然后使用4×4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣創(chuàng)建CNC機床的模型。

式中，Wi數(shù)值所表示的為空間任意一點坐標，λ示此數(shù)值為原始數(shù)據(jù)坐標，Ji表示坐標系i相對于坐標系Wi的旋轉(zhuǎn)角度。

使用空間模型來描述和描述機械加工機床空間位置的關(guān)系，這為對機床加工的金屬材料表面上的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和分析提供了基礎(chǔ)。

1.2 誤差源辨識

在上述基礎(chǔ)上，本文基于目標補償法原理[8]，利用數(shù)據(jù)來控制數(shù)控機床機械加工及預(yù)處理過程，將其正向的偏差值設(shè)為參數(shù)Xa，平均位置的偏差模型可以用下列公式所表示式中，γ表示負向位置偏差，為目標位置，表示數(shù)控機床機械加工金屬材料表面源數(shù)據(jù)。

由于在目標補償方法中每個目標點都存在游隙，因此估計單個目標前進位置目標點的不確定性，其可以表示為

式中，Ca表示重復(fù)位參數(shù)，表示位目標點，表示負向重復(fù)位參數(shù)，X和x兩個參數(shù)分別所表示為偏差數(shù)值。

根據(jù)上述所列出的公式（3）中可知，所提出的單個目標不確定評估值以下列公式所表示

式中，-N參數(shù)所表示的是目標點的負向，xN和x-N兩種參數(shù)分別表示單項參數(shù)與雙向參數(shù)兩個標準點。

根據(jù)上述計算，完成對誤差源進行辨識，為數(shù)控機床機械加工金屬材料表面的質(zhì)量和精度控制提供依據(jù)。

1.3 機械加工金屬材料表面的質(zhì)量控制

在上述基礎(chǔ)上，以誤差源為目標，將機床螺距補償誤差值作為控制對象，對機床螺距進行控制約束，以此對數(shù)控機床機械加工金屬材料表面質(zhì)量進行控制。控制過程如圖1所示。

圖1 機械加工金屬材料表面精度控制過程

在控制過程中，首先，使用目標補償方法來確保機器各軸的速度和加速度的最佳范圍，以及在單周期補償后在線記錄和評估CNC機器的變化；在此基礎(chǔ)上，確定目標補償方法所需的閾值，設(shè)置過程如圖2所示；

圖2 閾值設(shè)定流程圖

通過設(shè)置閾值的方式，對數(shù)控機床的參數(shù)進行有效控制，以此為基礎(chǔ)進行螺距控制，降低其振蕩范圍，對引起質(zhì)量問題的誤差源的運行參數(shù)進行約束，實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的控制。

1.4 機械加工金屬材料表面的精度控制

在上述基礎(chǔ)上，要實現(xiàn)對金屬材料表面精度更高的控制要求，需要對設(shè)備運行參數(shù)進行補償。在以質(zhì)量要求為閾值基礎(chǔ)上，通過反向間隙補償?shù)姆绞酵瓿蓪?shù)補償，因此，可以控制在機械上加工的金屬材料表面的精度?？刂七^程如圖3所示。

圖3 機械加工金屬材料表面質(zhì)量控制過程

假設(shè)機床加工金屬材料表面的總補償目標為Bi，閾值約束實現(xiàn)補償距離為Bn，當剩余補償量B等于目標補償量與當前補償量之差時，機器速度控制公式如下：

式中，v表示數(shù)控機床的進給速度，Δ表示最大加速度，aγ表示勻速經(jīng)過一個周期的距離，Bv表示數(shù)控加工機床一個周期的速度變化量。

通過上述公式，在設(shè)置的閾值范圍內(nèi)，使數(shù)控機床在初始速度為v的基礎(chǔ)上，加速到一定水平后，它減小到0。因此，控制機械加工過程以減少機床振動并達到一定程度的控制精度。在此基礎(chǔ)上，采用目標補償法，根據(jù)機床的游隙補償角度，對數(shù)控機床加工的金屬材料的表面精度進行控制。加速后估算機床速度的系數(shù)為。

式中，YA 表示速度判斷因子，Lt表示加速一個周期所走的距離，表示設(shè)備勻速走過的距離。若V ＜，則認為速度足夠小，若接近0，則無需補償。通過以上計算，控制了數(shù)控機床的復(fù)數(shù)補償值，完成了由數(shù)控機床加工的金屬材料的表面精度控制。

3 試驗測試

為測試本文設(shè)計方法的實際應(yīng)用性能，進行了試驗測試。同時，為了提高對測試結(jié)果的指標分析，分別采用文獻[5]提出的機械精密加工技術(shù)和文獻[5]提出的通過脈沖電流輔助熱壓成形精度控制同時進行試驗測試。

（1）實驗環(huán)境。本文以某機械加工廠的生產(chǎn)車間為實驗對象，在該車間內(nèi)，使用的數(shù)控機床為CK6125I 型號，控制系統(tǒng)為廣數(shù) GSK980T 系統(tǒng)，床座類型為整體床座。主要用于金屬材料的加工。在此環(huán)境下，設(shè)置生產(chǎn)螺絲孔金屬產(chǎn)品100件，產(chǎn)品生產(chǎn)參數(shù)如表1所示，并分別采用三種控制方法對其加工過程進行控制，并對比其生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)情況。

表1 機械加工產(chǎn)品參數(shù)表

（2）在上述實驗環(huán)境下，首先對三種方法下的產(chǎn)品實際參數(shù)誤差進行比較，本文以平均參數(shù)差異情況作為指標，得到的結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法的機械加工誤差對比表

通過對比表2中的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在三種機械加工方法下，本文方法的產(chǎn)品參數(shù)與設(shè)定值的差異最小，穩(wěn)定在0.02mm以內(nèi)，明顯優(yōu)于文獻[5]和文獻[6]方法。這主要是因為采用目標補償?shù)姆绞剑瑢υO(shè)備參數(shù)進行有效控制，以此實現(xiàn)了改善其生產(chǎn)精度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量的目的。在此基礎(chǔ)上，分別對比了三種加工方式下，合格率和返工率以及廢品率進行比較，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法的質(zhì)量控制結(jié)果

通過分析圖3可知，在三種加工方式下，本文方法的合格率可達到95%以上，且廢品率和返工率都在5%以內(nèi)，這也從側(cè)面說明了產(chǎn)品具有較高的質(zhì)量和精度標準。

4 結(jié)束語

隨著工業(yè)化程度的不斷加深，對于工業(yè)生產(chǎn)的要求也越來越高，因此，要實現(xiàn)在激烈的競爭中完成企業(yè)的發(fā)展，必須從自身出發(fā)，以優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品作為核心，激發(fā)市場占有率。本文提出機械加工過程中金屬材料表面質(zhì)量及精度控制研究，實現(xiàn)了對產(chǎn)品質(zhì)量和精度的有效保障。通過該研究，以期能夠為實際的生產(chǎn)加工活動提供有價值的參考。