數(shù)控機(jī)床加工精度分析和提高方法

陳宇堃

摘要： 數(shù)控機(jī)床是一種先進(jìn)的高精度工作加工設(shè)備，隨著時(shí)代發(fā)展我國(guó)制造業(yè)對(duì)其精度要求也越來(lái)越高。數(shù)控機(jī)床的精度是由許多復(fù)雜因素影響的，如果在加工過(guò)程中不重視這類影響則無(wú)法得到想要的零件精度。文章就數(shù)控機(jī)床的各種精度類型進(jìn)行了詳細(xì)的分析，探討了其影響因素，并提出了相應(yīng)的提高精度方法及有效措施。

Abstract： CNC machine tools is an advanced high-precision work processing equipment， with the development of China's manufacturing industry on its accuracy requirements are increasingly high. The accuracy of CNC machine tools is influenced by many complex factors， and if such influences are not taken into account in the machining process， the desired part accuracy cannot be obtained. The article provides a detailed analysis of the various types of accuracy of CNC machine tools， discusses their influencing factors， and proposes corresponding methods and effective measures to improve accuracy.

關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床;精度分析;影響因素;提高方法

Key words： CNC machine tools;accuracy analysis;influencing factors;improving methods

中圖分類號(hào)：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）23-0076-02

0? 引言

隨著時(shí)代和技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，我國(guó)的制造業(yè)在這些年全面進(jìn)入了新的一輪升級(jí)。在十四五規(guī)劃提出的產(chǎn)業(yè)升級(jí)中，高精尖制造是工業(yè)智能制造中的基礎(chǔ)和代表。而其核心則是高精尖的數(shù)控機(jī)床加工應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床作為傳統(tǒng)的機(jī)加工行業(yè)基礎(chǔ)，在今天仍然是整個(gè)智能制造業(yè)的核心。在產(chǎn)品升級(jí)越來(lái)越快的今天，高精度要求的數(shù)控機(jī)床也成為廣大企業(yè)的核心需求。[1]一個(gè)機(jī)床的精度等級(jí)往往決定了它的檔次和水平，也直接決定了它能加工出的零件規(guī)格和應(yīng)用場(chǎng)景。高精度的機(jī)床常用于航天航空，軍工，微電子，精細(xì)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域。但正因?yàn)樗母呔刃枨?，也?dǎo)致加工中的細(xì)微影響都會(huì)讓最終加工出的產(chǎn)品誤差變大。所以我們要時(shí)刻關(guān)注數(shù)控機(jī)床的精度情況，分析影響它的精度原因，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)優(yōu)化工藝選擇參數(shù)，提出合理的提高精度方法，日常維護(hù)保養(yǎng)好機(jī)床，以便生產(chǎn)加工時(shí)數(shù)控機(jī)床能有更好的精度。[2]

下面會(huì)分析影響數(shù)控機(jī)床精度的常見因素：

1? 幾何精度分析

數(shù)控機(jī)床的幾何精度是由機(jī)床主要零部件組裝后的形狀精度和位置精度構(gòu)成，也稱靜態(tài)精度檢驗(yàn)。常見的幾何精度有零件的直線度、平面度、平行度、等距度、重合度、垂直度等。機(jī)床各部分零件在長(zhǎng)期工作中，受環(huán)境和操作等各種因素影響，會(huì)發(fā)生零件的變形或者位移，從而影響到整個(gè)數(shù)控機(jī)床的幾何精度表現(xiàn)。幾何精度產(chǎn)生的誤差十分突出，是數(shù)控機(jī)床各類誤差中最為明顯的，嚴(yán)重時(shí)能讓機(jī)床加工精度急劇下降，廢品率次品率大增，所以需要時(shí)刻注意。在大多數(shù)數(shù)控機(jī)床中，幾何精度的誤差突出體現(xiàn)在導(dǎo)軌導(dǎo)向精度和主軸回轉(zhuǎn)精度中。

1.1 導(dǎo)軌導(dǎo)向精度

導(dǎo)軌導(dǎo)向精度，是指運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌沿支撐導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確程度，即直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的直線性和圓周運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的真圓性。數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)大部分的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)都是由導(dǎo)軌負(fù)責(zé)運(yùn)行，所以導(dǎo)軌導(dǎo)向精度出現(xiàn)誤差會(huì)直接體現(xiàn)在工件各尺寸的精度上。日常影響機(jī)床導(dǎo)軌導(dǎo)向精度的主要因素一般有：導(dǎo)軌的幾何精度和接觸精度、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式、導(dǎo)軌和支撐件的剛度、導(dǎo)軌副的油膜厚和油膜剛度，以及導(dǎo)軌和支撐件的熱變形等。

1.2 主軸回轉(zhuǎn)精度

主軸回轉(zhuǎn)精度，是指機(jī)床主軸瞬時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心線和理論旋轉(zhuǎn)中心線的重合度。重合度越高，精度越好。所以我們希望數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，主軸能在每一個(gè)瞬間回到中心線的空間位置，且這個(gè)位置相對(duì)固定。數(shù)控機(jī)床主要切削過(guò)程都是依靠主軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生，無(wú)論是車床的回轉(zhuǎn)工件還是銑床的回轉(zhuǎn)刀具，最終都會(huì)直接作用在加工工件上。由于主軸是回轉(zhuǎn)體，依靠軸承來(lái)承接，而主軸中也含有許多零件，它們本身的幾何誤差都是產(chǎn)生回轉(zhuǎn)誤差的原因。而具體表現(xiàn)形式則是主軸在回轉(zhuǎn)中產(chǎn)生徑向跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)和角度擺動(dòng)等誤差現(xiàn)象，三者結(jié)合在一起，經(jīng)常會(huì)使主軸的旋轉(zhuǎn)中心線在加工中以漂移的方式出現(xiàn)，對(duì)實(shí)際加工生產(chǎn)造成不良影響。

2? 定位精度分析

定位精度是機(jī)床各移動(dòng)軸在確定的終點(diǎn)能達(dá)到目標(biāo)位置的準(zhǔn)確程度，它產(chǎn)生的誤差就是定位誤差。而反復(fù)定位到同一點(diǎn)，或同一系列點(diǎn)的精度稱為重復(fù)定位精度，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床經(jīng)常需要加工同一個(gè)或同一類零件，它會(huì)直接影響同一批次零件的一致性，所以在實(shí)際生產(chǎn)中是非常重要的精度指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)定位精度產(chǎn)生誤差是一個(gè)綜合結(jié)果，如幾何精度的導(dǎo)軌產(chǎn)生的誤差，傳動(dòng)系統(tǒng)造成的運(yùn)動(dòng)誤差等，多表現(xiàn)在伺服系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)中。體現(xiàn)的是整個(gè)機(jī)床各元件的保養(yǎng)維修狀況。

3? 傳動(dòng)精度分析

數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)精度是指機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)各端之間在執(zhí)行鍵之間的運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性和均勻性。其中最主要的影響因素是機(jī)床整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，各傳動(dòng)元件的本身精度和裝配精度。表現(xiàn)在具體零件上則為數(shù)控機(jī)床控制運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及控制等個(gè)傳動(dòng)元件產(chǎn)生的誤差。多數(shù)體現(xiàn)為各種齒輪及傳動(dòng)鏈的本身制造誤差，安裝誤差，傳動(dòng)比誤差等;另外當(dāng)加工環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，由于各零件的物理性質(zhì)不同，產(chǎn)生不同的機(jī)械變形，即便是單個(gè)細(xì)小的機(jī)械變形，當(dāng)累積在傳動(dòng)系統(tǒng)中，也會(huì)造成數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生傳動(dòng)誤差。

4? 回轉(zhuǎn)精度分析

數(shù)控機(jī)床的回轉(zhuǎn)精度根據(jù)不同的類型會(huì)有不同的含義，對(duì)于大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)主要是主軸的回轉(zhuǎn)精度和轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)精度。其中主軸回轉(zhuǎn)精度已在前面幾何精度中分析了，而轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)精度常見于多軸機(jī)床中，多軸機(jī)床一般也多應(yīng)用于高精尖加工，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)臺(tái)精度對(duì)最終加工效果影響很大。影響轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)精度因素一般有：轉(zhuǎn)臺(tái)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)蠕動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)分度產(chǎn)生誤差以及轉(zhuǎn)臺(tái)夾緊力不足等原因。其中回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的蠕動(dòng)主要是因?yàn)辇X輪工作的嚙合面磨損，從而導(dǎo)致承受力不均勻，于是工作時(shí)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)產(chǎn)生抖動(dòng)，從而讓精度下降。而機(jī)床在長(zhǎng)期使用過(guò)程中由于各種不當(dāng)操作及污染物影響，會(huì)讓轉(zhuǎn)臺(tái)分度出現(xiàn)誤差，加工時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)不能完全轉(zhuǎn)動(dòng)到位，從而影響產(chǎn)品最終精度。最后是轉(zhuǎn)臺(tái)的夾緊力如果由于不能及時(shí)清楚表面雜志，或者閥門松動(dòng)，導(dǎo)致工件無(wú)法夾緊，從而造成加工過(guò)程中的抖動(dòng)，導(dǎo)致精度下降。

5? 提高精度方法

在了解影響數(shù)控機(jī)床的精度因素后，我們應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的狀況，對(duì)使用的機(jī)床精度有充足的了解和檢測(cè)，從而優(yōu)化生產(chǎn)流程和環(huán)境，以維持機(jī)床精度的穩(wěn)定性，發(fā)揮機(jī)床的最大效益。

5.1 加工工藝優(yōu)化

由于數(shù)控機(jī)床加工是按照既定編寫好的加工工藝卡進(jìn)行操作，所以加工工藝中的各類參數(shù)和會(huì)直接影響加工結(jié)果。由于編寫過(guò)程中涉及到人員，標(biāo)準(zhǔn)，材料，零件形狀，加工順序，加工工具選擇的各種差異，會(huì)導(dǎo)致工藝參數(shù)與加工零件標(biāo)準(zhǔn)存在一定誤差，從而影響到最終加工精度。所以加工工藝的優(yōu)化是十分重要，在確定好編寫人員后，應(yīng)當(dāng)對(duì)需要加工的零件進(jìn)行細(xì)致的研究，根據(jù)形狀和加工要求編寫加工步驟，對(duì)零件材料的各類性質(zhì)有充分了解，結(jié)合本身加工條件選擇合適機(jī)床和加工順序。[3]

5.2 切削參數(shù)優(yōu)化

在所有加工過(guò)程中，切削參數(shù)是刀具直接作用在零件上的，所以任何細(xì)微的變化都會(huì)影響最后的精度表現(xiàn)。首先應(yīng)該選取優(yōu)良的刀具，特別是金屬材料的切削加工中，刀具材質(zhì)和規(guī)格和最后加工效果是息息相關(guān)。所以設(shè)置切削參數(shù)時(shí)，應(yīng)該充分了解所選工件和刀具材料的物理特性，幾何參數(shù)，分析計(jì)算出合適的參數(shù)區(qū)間。而現(xiàn)場(chǎng)加工中，還要根據(jù)機(jī)床本身的狀況，使用情況去調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)，熟練的操作員能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床的狀況去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，進(jìn)給，切削深度和角度等各種切削參數(shù)。另外切削過(guò)程中，要及時(shí)檢查機(jī)床的各項(xiàng)指標(biāo)，尤其是要及時(shí)補(bǔ)充切削冷卻液，調(diào)整冷卻液噴出量以減少加工過(guò)程中的熱量誤差等。

5.3 實(shí)施誤差補(bǔ)償

加工過(guò)程中除了工藝和參數(shù)外，也可以通過(guò)其他方法消除加工誤差提高精度，其中最常用的就是誤差補(bǔ)償。誤差補(bǔ)償是指在分析和統(tǒng)計(jì)出當(dāng)前誤差后，人為再添加一個(gè)新的誤差在加工過(guò)程中，使兩個(gè)誤差大小相等方向相反，從而互相抵消，以此提高加工精度的方法。誤差補(bǔ)償?shù)姆椒y度在于對(duì)原始誤差的統(tǒng)計(jì)和分析，如何辨別誤差往往需要計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于一些加工過(guò)程比較規(guī)律和受力比較單一的加工，誤差補(bǔ)償較為容易實(shí)施;而對(duì)于加工過(guò)程較為復(fù)雜受力多變的加工，往往一個(gè)方向上的誤差是多重因素綜合引起的，單一方向上的補(bǔ)償不能得到想要的結(jié)果，從而讓補(bǔ)償過(guò)程更加復(fù)雜。而復(fù)雜的誤差補(bǔ)償需要較多時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際生產(chǎn)中效率不夠高。目前較為常用的誤差補(bǔ)償方法有實(shí)時(shí)補(bǔ)償和靜態(tài)補(bǔ)償，一般都是可以對(duì)最終誤差進(jìn)行直接補(bǔ)償?shù)募庸み^(guò)程，能在機(jī)床加工中有效應(yīng)用。

5.4 提高人員素質(zhì)

雖然現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在很大程度上已經(jīng)減少人員操作對(duì)加工過(guò)程的干擾性，但在需要提高加工精度的過(guò)程中，尤其高精高速加工中，操作人員的專業(yè)素質(zhì)和知識(shí)水平會(huì)直接反映到加工過(guò)程中。首先操作人員要能理解加工程序和加工過(guò)程的內(nèi)容及原理，才能更好地去執(zhí)行操作，這要求操作人員既要具備基礎(chǔ)的編程和加工思路，也要熟悉各類加工的原則和注意事項(xiàng)。其次需要操作人員掌握所操作機(jī)床的性能和特點(diǎn)，能了解機(jī)床的各類操作執(zhí)行狀況。然后才能根據(jù)要求現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行程序的加工過(guò)程，并且根據(jù)實(shí)際情況去調(diào)整，達(dá)到既不會(huì)隨意更改編程員的指令，又能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況優(yōu)化參數(shù)的水平。尤其對(duì)于刀具的使用和磨損狀況，往往需要有足夠經(jīng)驗(yàn)去判斷更換。

5.5 機(jī)床維護(hù)保養(yǎng)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是精密的多元件工業(yè)產(chǎn)品，隨著日常使用不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種程度的磨損和精度偏差，從而影響到加工精度。所以平常對(duì)機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)尤為重要，例如做好日常清潔，定時(shí)給各個(gè)結(jié)構(gòu)上潤(rùn)滑，維修更換出現(xiàn)磨損影響到加工的零部件。而一些高精度的數(shù)控機(jī)床，譬如多軸機(jī)床，日常工作需要再恒溫恒濕的環(huán)境里，需要配套的加工環(huán)境。隨著科技發(fā)展，現(xiàn)在的電子和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控反饋技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，可以在生產(chǎn)過(guò)程中相應(yīng)配備。[4]

6? 總結(jié)

數(shù)控機(jī)床的加工精度是由多方面因素組成，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中可以針對(duì)具體的原因，用合適的方法來(lái)提高加工精度。而數(shù)控機(jī)床的精度提高和日常維護(hù)保養(yǎng)息息相關(guān)，作為使用和生產(chǎn)人員應(yīng)該隨時(shí)關(guān)注，優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)工藝和過(guò)程，讓高精尖的數(shù)控機(jī)床保持在一個(gè)良好的精度范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭葦.數(shù)控機(jī)床加工精度的影響因素及改善措施[J].南方農(nóng)機(jī)，2019（24）.

[2]趙秀芹.數(shù)控機(jī)床加工精度提高技術(shù)分析及其存在的問(wèn)題探討[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（18）：62-63.

[3]楊?？?數(shù)控機(jī)床加工中切削用量對(duì)加工精度的影響分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（7）：86.

[4]何寶旭.數(shù)控機(jī)床加工精度提高技術(shù)的進(jìn)展及其存在的問(wèn)題[J].營(yíng)銷界，2019（21）：171.