數(shù)控機(jī)床加工精度的影響因素及改善措施探討

石家莊市欒城區(qū)職業(yè)技術(shù)教育中心 王樂華

引言

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，尤其是5G 技術(shù)在裝備制造領(lǐng)域的應(yīng)用，我國現(xiàn)代制造業(yè)得到了快速發(fā)展。數(shù)控機(jī)床是工業(yè)制造的重要組成部分，具有效率高、自動化程度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)流水化零部件加工工藝。然而在實(shí)踐加工中受諸多因素影響，數(shù)控機(jī)床加工精度存在偏差，影響了零部件加工質(zhì)量，因此正視數(shù)據(jù)機(jī)床加工精度問題并且采取有效的措施，提高數(shù)控機(jī)床加工精度成為裝備制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵舉措。

1 數(shù)控機(jī)床加工精度的概述

加工精度主要是用于表征生產(chǎn)產(chǎn)品的精細(xì)程度，數(shù)控機(jī)床加工精度就是零部件加工后的實(shí)際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)相符合的程度。加工誤差的大小反映了加工精度的高低，一般誤差越大加工精度就越低，相應(yīng)的，誤差越小加工精度就越高。數(shù)控機(jī)床加工精度主要是通過機(jī)床本身的精度來保證，綜合相關(guān)文獻(xiàn)資料，數(shù)控機(jī)床加工精度主要包括以下內(nèi)容：（1）幾何精度。又稱靜態(tài)精度，是綜合反映數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件經(jīng)組裝后的綜合幾何形狀誤差。（2）定位精度。定位精度主要是數(shù)控機(jī)床各運(yùn)動部位在數(shù)控裝置控制下所達(dá)到的精度，一般根據(jù)實(shí)際測量可以判斷出機(jī)床自動加工過程中能夠達(dá)到最好的工件加工精度，定位精度是保證零件加工精度的基礎(chǔ)；（3）切削精度。數(shù)控車床切削精度檢驗(yàn)，又稱為動態(tài)精度檢驗(yàn)，是在切削加工條件下，對車床幾何精度和定位精度的一項(xiàng)綜合考核。

實(shí)踐證明提高數(shù)控機(jī)床加工精度管理具有重要意義。首先提高數(shù)控機(jī)床加工精度是滿足我國機(jī)械制造強(qiáng)國戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造服務(wù)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。制造強(qiáng)國戰(zhàn)略強(qiáng)調(diào)機(jī)械加工的精密度發(fā)展，而數(shù)控機(jī)床是機(jī)械制造的重要組成部分，數(shù)控機(jī)床加工的精度直接決定了產(chǎn)品加工的質(zhì)量。因此提高數(shù)控機(jī)床加工精度對推動我國機(jī)械制造強(qiáng)國戰(zhàn)略起著至關(guān)重要的作用；其次提高數(shù)控機(jī)床加工精度是降低產(chǎn)品殘次率、提升產(chǎn)品整體生產(chǎn)質(zhì)量的基礎(chǔ)保障。在數(shù)控機(jī)床加工中如果加工精度不高會導(dǎo)致加工的產(chǎn)品不符合生產(chǎn)要求，這樣不僅會增加產(chǎn)品返修率，而且還會影響零部件的整體質(zhì)量；最后提高數(shù)控機(jī)床加工精度是提高經(jīng)濟(jì)效益，降低安全事故的重要舉措。提高數(shù)控機(jī)床加工精度可以有效降低因產(chǎn)品不合格而導(dǎo)致的返工問題，為數(shù)控機(jī)床加工企業(yè)節(jié)省大量的資金。尤為重要的是通過提高加工精度可以降低因產(chǎn)品不合格而導(dǎo)致的后期安全問題。

2 影響數(shù)控機(jī)床加工精度的因素

數(shù)控機(jī)床加工精度主要是由誤差大小表示的，靜態(tài)精度是機(jī)床在不工作不切削狀態(tài)下檢測出來的，動態(tài)精度則是機(jī)床在切削過程中檢測的。結(jié)合多年實(shí)踐調(diào)查，數(shù)控機(jī)床加工中發(fā)生誤差的概率在41.2%，而影響數(shù)控機(jī)床加工精度的因素主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 數(shù)控機(jī)床操作人員專業(yè)技能匱乏，安全規(guī)范意識不強(qiáng)

雖然在大數(shù)據(jù)技術(shù)的推動下,數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)了自動化、程序化操作,但是在加工的過程中仍然需要人工參與。由于操作人員問題導(dǎo)致的數(shù)控機(jī)床加工誤差發(fā)生率比較大:一方面數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)技術(shù)越來越復(fù)雜, 尤其是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的技術(shù)含量越來越高.而目前我國從事數(shù)控機(jī)床加工的人員大部分是直接接觸過簡單知識學(xué)習(xí)的人員，他們沒有接受過系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床專業(yè)知識，難以熟練的操作設(shè)備，導(dǎo)致加工的零部件精度不高；另一方面數(shù)控機(jī)床加工操作人員的安全規(guī)范意識不強(qiáng),缺乏對數(shù)控機(jī)床的定期維護(hù)保養(yǎng)。數(shù)控機(jī)床屬于精密儀器，其不僅要求操作人員要嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行操作，而且還要做好日常維修保養(yǎng)工作。但是在實(shí)踐中由于數(shù)控機(jī)床操作人員的質(zhì)量控制意識淡薄，忽視對數(shù)控機(jī)床的日常維護(hù)保養(yǎng)，導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床加工的精度不強(qiáng)。

2.2 伺服系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床加工的重要元素，伺服系統(tǒng)驅(qū)動對數(shù)控機(jī)床的準(zhǔn)確度有直接的影響，如果伺服系統(tǒng)出現(xiàn)問題就會對數(shù)控機(jī)床加工精度產(chǎn)生直接影響。根據(jù)調(diào)查數(shù)控機(jī)床運(yùn)動鏈根據(jù)檢測裝置安裝的位置不同可以分為全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制以及開環(huán)控制。相對半閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)而言，全封閉控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)容易出現(xiàn)加工精度問題，因此在數(shù)控機(jī)床中不常用。而半封閉控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控機(jī)床常見的形式，其加工精度主要取決于絲杠的正反向間隙。根據(jù)統(tǒng)計(jì)伺服系統(tǒng)導(dǎo)致的加工精度問題主要集中在滾珠絲杠在傳動時(shí)出現(xiàn)了問題，導(dǎo)致數(shù)控車床的旋轉(zhuǎn)發(fā)生彈性變形，從而直接降低數(shù)控機(jī)床加工的精確度。

2.3 數(shù)控機(jī)床狀態(tài)

數(shù)控機(jī)床狀態(tài)對加工精度的影響是巨大的，根據(jù)統(tǒng)計(jì)65.7%的數(shù)控機(jī)床在安裝上不符合相關(guān)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床加工存在誤差：一是數(shù)控機(jī)床的刀具刀尖受損而導(dǎo)致工件尺寸準(zhǔn)確，但是表面光潔度比較差。刀具是數(shù)控機(jī)床加工的重要元件，經(jīng)過長時(shí)間使用后，數(shù)控機(jī)床刀具會出現(xiàn)磨損，這樣在加工時(shí)就會出現(xiàn)幾何精度問題。二是數(shù)控機(jī)床環(huán)境的影響。由于數(shù)控機(jī)床加工環(huán)境比較惡劣，受粉塵、空氣溫度等諸多因素的影響，數(shù)控機(jī)床存在大量的灰塵，如果沒有及時(shí)進(jìn)行清潔作業(yè)，則會影響到數(shù)控機(jī)床個(gè)軸承的轉(zhuǎn)速，從而導(dǎo)致工件加工出現(xiàn)誤差。三是數(shù)控機(jī)床放置水平?jīng)]有調(diào)整好也會影響工件加工精度。例如數(shù)控機(jī)床加工的工件存在錐度大小頭現(xiàn)象，其原因主要是機(jī)床放置的水平?jīng)]調(diào)整好，一高一低，導(dǎo)致放置不平穩(wěn)。另外數(shù)控機(jī)床加工過程中溫度的變化也會影響工件加工精度。最常見的現(xiàn)象就是數(shù)控機(jī)床如果沒有預(yù)熱則加工的工件普遍存在精度差的問題，原因就在于數(shù)控機(jī)床開機(jī)后，其溫度會不斷上升導(dǎo)致溫度分布不均勻，造成各零件或零件各部分之間的相互位置關(guān)系發(fā)生變化，從而造成零件的位移或扭曲。

數(shù)控機(jī)床加工實(shí)現(xiàn)了自動化控制，其主要是按照預(yù)定的程序要求進(jìn)行加工操作。如果在數(shù)控機(jī)床加工過程中出現(xiàn)程序問題就會直接導(dǎo)致工件加工出現(xiàn)質(zhì)量問題。例如在采取Frank 系統(tǒng)的立式加工中心，在連桿模具加工過程中，垂線X 軸進(jìn)給異常，出現(xiàn)1mm 切削誤差，經(jīng)檢查工件坐標(biāo)系已經(jīng)按照要求設(shè)置好。按照設(shè)置好的坐標(biāo)系運(yùn)行程序，記錄運(yùn)動后的機(jī)械坐標(biāo)值，然后轉(zhuǎn)為手動模式，輸入數(shù)據(jù)運(yùn)行程序，待運(yùn)動結(jié)束記錄坐標(biāo)值，對比兩個(gè)坐標(biāo)值發(fā)現(xiàn)存在0.352mm 的距離誤差, 通過深入分析當(dāng)X 軸去除后，垂直方向上的主軸箱下落，產(chǎn)生了誤差?；嘶究梢源_定為程序的控制邏輯有問題，導(dǎo)致加工精度異常。

3 提升數(shù)控機(jī)床加工精度的改善措施

基于影響數(shù)控機(jī)床加工精度的因素，我們需要從以下方面入手加以改善，以此提高數(shù)控機(jī)床加工精度。

3.1 加強(qiáng)機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)力度，樹立工匠精神

隨著我國機(jī)械強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，我們必須要加強(qiáng)高素質(zhì)機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)力度，為數(shù)控機(jī)床加工提供優(yōu)質(zhì)的人才：一方面職業(yè)院校要加強(qiáng)校企合作，結(jié)合數(shù)控機(jī)床行業(yè)發(fā)展趨勢培養(yǎng)符合數(shù)控機(jī)床崗位的人才。中職院校要切實(shí)發(fā)揮服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的職能，主動與區(qū)域數(shù)控機(jī)床加工企業(yè)進(jìn)行溝通，探究人才培養(yǎng)機(jī)制，形成系統(tǒng)的機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)體系。例如中職院校要結(jié)合數(shù)控機(jī)床企業(yè)的崗位要求開展專業(yè)教學(xué)，定期組織機(jī)械專業(yè)學(xué)生深入到企業(yè)參加實(shí)踐學(xué)習(xí)，以此實(shí)現(xiàn)理論知識與實(shí)踐崗位的有效銜接；另一方面職業(yè)院校要發(fā)揮教育資源優(yōu)勢，為數(shù)控機(jī)床企業(yè)提供職工技能提升教學(xué)服務(wù)工作。中職院校在教學(xué)中除了要開展系統(tǒng)的專業(yè)知識教學(xué)培訓(xùn)之外，還需要融入職業(yè)素養(yǎng)教育，通過系統(tǒng)的教學(xué)體系增強(qiáng)機(jī)械專業(yè)人才的工匠精神。例如在機(jī)械專業(yè)教學(xué)中，教師可以構(gòu)建課程思政，將機(jī)械專業(yè)課程與思想政治教學(xué)相結(jié)合，以此讓學(xué)生樹立工匠精神。

3.2 優(yōu)化數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，提升伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性

伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床工作的主要控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床加工容易出現(xiàn)誤差，所以需要不斷優(yōu)化數(shù)控機(jī)床加工控制系統(tǒng)，增強(qiáng)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。半伺服系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，因此對于半封閉式控制系統(tǒng)而言要注意優(yōu)化閉環(huán)系統(tǒng)的誤差首先就要對反饋系統(tǒng)進(jìn)行一定的優(yōu)化和改善。例如我們可以選擇靈敏度比較高的反饋系統(tǒng)，同時(shí)在安裝反饋系統(tǒng)時(shí)要注意裝配和位置的精度。還要不斷優(yōu)化數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動控制系統(tǒng)，提高傳動元件的剛度。

3.3 完善數(shù)控機(jī)床控制程序，優(yōu)化加工工藝

對于數(shù)控機(jī)床最為關(guān)鍵的就是要設(shè)計(jì)完善的控制程序系統(tǒng)，只有這樣才能在最大程度上保證工件加工精度：一是先根據(jù)產(chǎn)品的精度要求，在編程時(shí)考慮先粗車，后精車，這樣做可以很好地保證精度。同時(shí)先鉆孔然后再端平，這樣能夠防止出現(xiàn)縮料。二是要構(gòu)建在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床加工過程的監(jiān)控?；跀?shù)控機(jī)床加工的自動化控制要求，需要借助大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床加工過程誤差環(huán)節(jié)的監(jiān)控，及時(shí)對誤差進(jìn)行采集，反饋至控制終端，并通過誤差數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的誤差補(bǔ)償機(jī)制，進(jìn)行及時(shí)的誤差補(bǔ)償，有效提高零件的加工精度；三是要不斷優(yōu)化加工工藝。針對工件加工誤差問題，需要優(yōu)化加工工藝，具體就是要結(jié)合誤差產(chǎn)生的原因制定相應(yīng)的改進(jìn)對策。例如基于在數(shù)控機(jī)床開機(jī)初期階段工件誤差概率大的問題，需要進(jìn)行預(yù)熱處理。

3.4 做好數(shù)控機(jī)床日常維護(hù)保養(yǎng)，合理選用機(jī)床

數(shù)控機(jī)床屬于精密儀器，如果缺乏有效的保養(yǎng)機(jī)制就會導(dǎo)致工件加工出現(xiàn)各種誤差問題。因此在數(shù)控機(jī)床加工中需要嚴(yán)格按照機(jī)械說明書做好日常維修保養(yǎng)工作：一是要加大對數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)車間環(huán)境清潔工作。由于數(shù)控機(jī)床屬于精密儀器，生產(chǎn)車間的灰塵等會對儀器軸承造成巨大的影響，例如當(dāng)粉塵進(jìn)入儀器軸承后會導(dǎo)致軸承轉(zhuǎn)速下降，從而導(dǎo)致工件的精度下降。所以作業(yè)人員需要及時(shí)做好環(huán)境清潔作業(yè)，保證生產(chǎn)車間的溫度與濕度符合數(shù)控機(jī)床加工要求；二是要做好日常維護(hù)保養(yǎng)工作。數(shù)控機(jī)床加工元件具有一定的損耗，尤其是電子元件的損壞存在隱性，因此設(shè)備管理人員要做好日常檢修工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，以此降低工件加工誤差。例如數(shù)控機(jī)床刀具具有一定的使用壽命，需要設(shè)備管理人員定期對刀具等進(jìn)行檢查，及時(shí)更換出現(xiàn)磨損的刀具，以此避免不合格加工工件的發(fā)生。

總之，基于我國制造技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是5G 技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械制造行業(yè)對數(shù)控機(jī)床加工精度的要求越來越高。所以為了提高數(shù)控機(jī)床加工精度，降低不合格工件發(fā)生率，我們要不斷優(yōu)化數(shù)控機(jī)床加工工藝，改進(jìn)加工控制程序、減小工藝系統(tǒng)熱變形以及加快高素質(zhì)人才培養(yǎng)等，以此提高數(shù)控機(jī)床加工精度，促進(jìn)我國機(jī)械裝備產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。