數(shù)控車床加工精度的影響因素及提高策略研究

楊大英

（信陽技師學(xué)院, 河南 信陽 464000）

引言

隨著我國機械加工制造業(yè)的快速發(fā)展，對數(shù)控加工精度的要求也越來越高，這也給數(shù)控車床加工領(lǐng)域帶來了新的挑戰(zhàn)。在數(shù)控車床加工過程中，對產(chǎn)品加工精度和質(zhì)量的科學(xué)控制尤為重要。

本文對數(shù)控車床加工精度的影響因素展開了全面分析，并對數(shù)控車床加工精度的提高策略展開了研究。

1 提高數(shù)控車床加工精度的重要意義

1.1 進一步提升數(shù)控車床加工技術(shù)水平

隨著科學(xué)技術(shù)水平的快速提升，各行各業(yè)對機械加工制造業(yè)的需求持續(xù)高漲。制造業(yè)是實體經(jīng)濟的重要支撐，數(shù)控車床加工技術(shù)水平的提升是加工制造業(yè)整體水平提升的重要標(biāo)志。與傳統(tǒng)車床相比，數(shù)控車床的廣泛應(yīng)用已經(jīng)大幅提升了數(shù)控加工的整體技術(shù)水平。而數(shù)控車床自身的加工精度仍受多種因素影響，在一定程度上限制著數(shù)控車床加工精度和效率。因此，為進一步提升數(shù)控車床的加工技術(shù)水平，就要逐步消除影響數(shù)控車床加工精度的各項因素。

1.2 拓寬數(shù)控車床在制造業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍

數(shù)控車床以其加工精度高、生產(chǎn)效率突出的優(yōu)勢正快速取代傳統(tǒng)機床，快速提升的數(shù)控加工技術(shù)水平使得數(shù)控車床在機械加工制造業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍越來越廣泛，而影響數(shù)控車床加工質(zhì)量的各項因素也在制約著其在機加工制造業(yè)領(lǐng)域中的普及，部分高精尖制造領(lǐng)域?qū)τ跀?shù)控車床的加工精度有著更高的要求，高精度工件的機加工工藝依舊有很大的提升空間[1]。

由此，對數(shù)控車床加工精度的影響因素以及提高策略進行研究對于拓寬其在制造業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍具有重要意義。

2 數(shù)控車床加工精度的主要影響因素分析

2.1 切削車刀規(guī)格及幾何參數(shù)誤差

數(shù)控車床操作人員在加工各類工件時，車刀會按照程序規(guī)劃的走刀路徑對工件進行車削加工。由于車刀偏角和圓弧半徑的存在，加工精度會因車刀在車削工件時的軸線尺寸誤差而降低，軸向尺寸誤差則會隨著車刀圓弧半徑變化。

這就要求操作人員能準(zhǔn)確理解軸向尺寸與車刀位移長度之間的關(guān)系，考慮到車刀規(guī)格及其幾何參數(shù)導(dǎo)致的潛在軸向尺寸誤差，結(jié)合車刀移動軌跡對該位移長度進行優(yōu)化調(diào)整，完善數(shù)控車床的工藝加工流程[2]。同時，數(shù)控車床操作人員要從車刀圓弧半徑、刀尖距等細(xì)節(jié)參數(shù)入手來完善數(shù)控車床加工程序的編制工作。

2.2 電氣伺服系統(tǒng)傳動誤差

利用數(shù)控車床車削工件時，電氣伺服系統(tǒng)可通過滾珠絲杠來控制車刀的平面移動。伺服電機通過驅(qū)動滾珠絲杠來實時調(diào)整車刀與工件之間的相對位置，因而伺服系統(tǒng)在運行過程中會將絲杠滑臺傳動誤差傳遞給刀具與工件之間的相對位置，導(dǎo)致刀尖未能完全按照程序規(guī)劃軌跡移動，直接降低了數(shù)控車床的加工精度[3]。

因此，數(shù)控車床電氣伺服系統(tǒng)的傳動誤差與其加工精度有著緊密的聯(lián)系，操作人員應(yīng)重視對伺服傳動系統(tǒng)進行定期維護，降低傳動誤差對加工精度的影響。

2.3 數(shù)控車床導(dǎo)軌偏移誤差

數(shù)控車床運行過程中，其導(dǎo)軌的相對位置偏移誤差始終存在，會對數(shù)控車床的加工精度產(chǎn)生顯著的影響。操作人員應(yīng)在開展加工作業(yè)之前對數(shù)控車床導(dǎo)軌的相對位置偏差進行測量和校準(zhǔn)，這是提高數(shù)控車床加工精度的重要措施。同時，數(shù)控車削加工過程中車床導(dǎo)軌也會產(chǎn)生無規(guī)則的磨損，導(dǎo)致刀尖位置出現(xiàn)微量偏移，直接降低了最終的工件加工精度。

此外，還存在因操作人員未按照規(guī)范進行操作而導(dǎo)致數(shù)控車床導(dǎo)軌產(chǎn)生偏移誤差的情況，也會影響車削加工質(zhì)量。

2.4 圓整及編程誤差

在利用數(shù)控車床進行圓弧軌跡車削加工時，刀尖實際運行軌跡與理論規(guī)劃軌跡之間的偏差即為圓整誤差。以步進電機作伺服驅(qū)動的數(shù)控車床為例，由于步進電機脈沖驅(qū)動控制決定了刀尖的最小移動距離，刀尖在步進伺服系統(tǒng)驅(qū)動下的實際運行軌跡不可避免地會與程序規(guī)劃的理論運行軌跡存在圓整誤差，步進電機脈沖當(dāng)量便直接影響到了工件的加工精度。

數(shù)控車床會由于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部邏輯運算的問題而產(chǎn)生編程誤差，進而產(chǎn)生與圓整誤差類似的問題[4]。編程人員可通過插補法來提高刀具運動軌跡的分辨率，從而降低編程誤差，提高數(shù)控車床加工精度。

2.5 數(shù)控車床結(jié)構(gòu)幾何精度

在利用數(shù)控車床加工工件時，編程及操作人員應(yīng)對車刀規(guī)格和車削速度進行合理控制。而在實際操作中相關(guān)人員往往未能完全按照工藝技術(shù)要求進行作業(yè)，會造成數(shù)控車床幾何精度不足的潛在問題，直接將這一誤差傳遞給被加工工件。同時，數(shù)控加工工藝流程的應(yīng)用成效也會因相關(guān)人員未能落實精細(xì)化操作措施、技術(shù)管理及操作經(jīng)驗不足等問題而被弱化，間接影響了數(shù)控加工的精度。此外，數(shù)控車床自身結(jié)構(gòu)的幾何精度問題也會對加工精度產(chǎn)生直接影響。

3 提高數(shù)控車床加工精度的有效策略

3.1 優(yōu)化數(shù)控車床總體設(shè)計方案

在數(shù)控車床總體設(shè)計方案的規(guī)劃階段，相關(guān)設(shè)計及工程人員應(yīng)對數(shù)控車床主機結(jié)構(gòu)進行不斷創(chuàng)新，注重引入剛度高及精度高的零部件，并在數(shù)控車床設(shè)計及加工制造過程中做好總體及局部的優(yōu)化工作。同時應(yīng)對數(shù)控車床主軸形變問題進行優(yōu)化處理，注重對數(shù)控車床主軸箱系統(tǒng)的熱態(tài)性能的優(yōu)化控制，并對數(shù)控車床重心位置進行科學(xué)調(diào)整，以最大程度地提高數(shù)控車床的整體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件幾何精度，進而提高數(shù)控加工精度及質(zhì)量[5]。

3.2 改善數(shù)控車床導(dǎo)軌精度

在數(shù)控車床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，可采用斜床造型機體以降低數(shù)控車床的總重量，對于提高車床抗扭抗壓強度、增強數(shù)控車床運行穩(wěn)定性具有重要的促進作用。

由于數(shù)控車床在高負(fù)荷下長時間持續(xù)運作時會使軌道產(chǎn)生微量磨損和誤差偏移，為進一步改善車床導(dǎo)軌的精度，應(yīng)對車床車座以及導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，并安排專業(yè)的機床維護人員定期對數(shù)控車床軌道進行維護及校準(zhǔn)。

3.3 提高伺服系統(tǒng)傳動精度

為了最大程度地提高伺服系統(tǒng)的傳動精度，在數(shù)控車床總體設(shè)計階段就應(yīng)為其伺服系統(tǒng)選配高性能的配件，主要包括伺服電機、伺服進給及控制單元等。同時，相關(guān)人員也應(yīng)重視對伺服系統(tǒng)的優(yōu)化工作。例如，在利用數(shù)控車床進行圓弧軌跡加工作業(yè)時可將進給軸設(shè)置為開環(huán)增益，有利于提高工件輪廓的加工精度[6]。車削加工過程中，進給軸應(yīng)保持在45°位置，在傾斜的條件下開展車削作業(yè)將有助于提高數(shù)控車床的加工精度。

3.4 合理控制數(shù)控車床刀具誤差

由于數(shù)控車刀自身偏圓角和刀尖圓弧的存在，數(shù)控車床在車削過程會因此而產(chǎn)生誤差。為有效降低刀具誤差對車削加工精度的影響，首先應(yīng)重視對刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計人員應(yīng)對現(xiàn)有刀具的缺陷進行分析并改進。隨著數(shù)控車床自動化程度的提高，刀具庫中各刀具的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)盡快得到統(tǒng)一，全面優(yōu)化刀具庫中刀具的結(jié)構(gòu)。其次，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)嵌入車刀誤差插補算法，對加工誤差進行實時補償修正，保障數(shù)控加工質(zhì)量。

4 結(jié)語

為有效提高數(shù)控車床加工精度，在數(shù)控車床總體方案設(shè)計階段要做好整體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件優(yōu)化工作，通過優(yōu)化改進車床導(dǎo)軌并加強導(dǎo)軌維護校準(zhǔn)工作來改善數(shù)控車床導(dǎo)軌精度，在數(shù)控車床總體設(shè)計階段做好伺服驅(qū)動系統(tǒng)的配件選擇及系統(tǒng)優(yōu)化工作，做好刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計工作并根據(jù)刀具結(jié)構(gòu)特點設(shè)計誤差插補算法，對加工誤差進行補償修正，進一步提高數(shù)控車床加工精度。