數(shù)控機床加工零件質(zhì)量異常處理研究

凌思慶

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

1 數(shù)控機床加工零件相關(guān)概述

1.1 加工原理與零件質(zhì)量

數(shù)控機床主要分為2 部分：一是外觀設(shè)計機床；二是計算機數(shù)控裝置。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括主軸驅(qū)動系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、輔助設(shè)備等，由于數(shù)控機床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，因此在內(nèi)外因素的共同作用下，很容易造成加工零件的質(zhì)量異常。數(shù)控機床作為企業(yè)實現(xiàn)自動化生產(chǎn)加工零件的關(guān)鍵設(shè)備，其重要性不言而喻。數(shù)控機床的零件加工合格率與效率都與加工精度和影響因素有關(guān)，只有在滿足加工零件精度的基礎(chǔ)上，才能保證數(shù)控機床加工零件的質(zhì)量。有效的零件加工診斷和維護措施可以明顯降低數(shù)控機床發(fā)生安全事故的風(fēng)險，降低出現(xiàn)零件質(zhì)量異常概率。由于我國數(shù)控機床的起步較晚，在加工診斷和零件異常處理方面的經(jīng)驗不足，因此制造加工企業(yè)更應(yīng)該加大資源投入。通過研究數(shù)控機床加工零件異常的處理方式，可以在一定程度上加深技術(shù)人員對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的理解，并在此基礎(chǔ)上保障零件加工的精度，保障數(shù)控機床的安全運行。同時，數(shù)控機床通過手動設(shè)置加工參數(shù)，使用集成數(shù)控系統(tǒng)和機床結(jié)構(gòu)完成零件加工，能夠使加工過程無須手動操作，數(shù)控零件加工的質(zhì)量和效率也都得到了顯著的提升。此外，如果能夠充分利用數(shù)控機床的抗變形、自發(fā)熱和抗震性的特點，零件加工就可以安全高效地進行。

1.2 影響數(shù)控機床零件加工質(zhì)量的因素

基于對數(shù)控機床的使用現(xiàn)狀分析，大多數(shù)情況下，數(shù)控機床的零件加工需要使用半封閉控制的伺服系統(tǒng)進給控制器，因此，在數(shù)控機床正常的工作狀態(tài)下，由于伺服系統(tǒng)中螺紋的反向運動，會一定程度上導(dǎo)致軸和底座出現(xiàn)兩個方向的間隙偏移，加之外部驅(qū)動力的影響，共同作用下會導(dǎo)致數(shù)控機床的工作發(fā)生一些變化，影響數(shù)控機床的加工質(zhì)量。

（1）人為因素。由于數(shù)控機床操作人員專業(yè)技能匱乏，安全規(guī)范意識不強，而導(dǎo)致出現(xiàn)零件加工異常的問題。盡管現(xiàn)在的數(shù)控機床利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，基本實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)和故障智能處理，但具體的處理過程仍然離不開操作人員的參與，人工的不恰當操作必然會造成數(shù)控加工的異常率增加。隨著數(shù)控技術(shù)的提高，數(shù)控機床的加工過程變得更加復(fù)雜，目前我國從事數(shù)控機床加工的操作人員大多與只進行過簡單的職業(yè)培訓(xùn)，多數(shù)工作人員沒有熟練掌握數(shù)控機床的系統(tǒng)知識，難以掌握設(shè)備操作。此外，由于數(shù)控機床操作人員不了解安全標準，因此，數(shù)控機床的定期維護也只是表面工作，并未落到實處。數(shù)控機床是精密的加工設(shè)備，不僅要求操作人員嚴格按照規(guī)范工作，而且要做好日常維護工作，但由于數(shù)控機床操作人員對質(zhì)量控制意識薄弱，忽視日常維護，因此導(dǎo)致零件加工的異常率不斷增加。

（2）系統(tǒng)與刀具因素。設(shè)備與系統(tǒng)因素可大致分為3 類：一是伺服系統(tǒng)；二是刀具參數(shù)；三是編程數(shù)據(jù)。首先，從數(shù)控機床工作原理來看，伺服系統(tǒng)是控制數(shù)控機床整個工作的最基本系統(tǒng)，在使用現(xiàn)代數(shù)控機床生產(chǎn)機械零件的過程中，為準確了解機械零件的加工信息，生產(chǎn)廠家必須使用伺服電機裝置來驅(qū)動數(shù)控機床的滾動螺絲，如果表圈的螺釘有傳動偏差，會直接對機械零件的制造和加工精度產(chǎn)生巨大的負面影響，以上問題也是數(shù)控機床定位精度偏差的一個重要因素。其次，數(shù)控機床在加工過程是在旋轉(zhuǎn)工作下對零件進行削切。在切割過程中刀具主赤緯刃圓弧要在0.5 范圍內(nèi)，當切割棒零件時，機床的主軸線會有輕微偏差，如果不考慮偏差，則其將在主赤緯持續(xù)消退后繼續(xù)擴大。因此，在數(shù)控系統(tǒng)的加工維護中，刀具參數(shù)也對零件生產(chǎn)精度造成一定的影響，所以在對加工編程時，有必要根據(jù)加工特性，分析其引起的零件加工誤差和加工異常的原因，合理調(diào)整刀具的剪切長度，此外數(shù)控機床上工作時，刀具末端弧的半徑、主要偏差角度、邊緣和零件中心位置的誤差都會降低數(shù)控機床的制造精度，需要在編程中加以研究。最后，在數(shù)控編程中，如果數(shù)據(jù)不夠準確，就會導(dǎo)致整個加工過程出現(xiàn)很大的偏差，這對零件加工產(chǎn)生明顯的負面影響。特別是在轉(zhuǎn)換計算機程序尺寸和程序節(jié)點公差的過程中，如果不充分考慮尺寸與各個零件的形狀和裝配之間的關(guān)系，就會產(chǎn)生零件規(guī)格偏差，導(dǎo)致零件報廢。一些數(shù)控機床控制系統(tǒng)可根據(jù)已知的回路形狀的幾何圖形手動計算節(jié)點位置，但仍有一些數(shù)控機床需要手動計算來實現(xiàn)操作，因此不可避免地會出現(xiàn)偏差。如果數(shù)控機床零件的長度公差不相同，則必須使用手動計算來完成長度設(shè)置，如果使用相同的加工工具，更會增加計算過程，造成計算負載巨大，從而發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤的概率大幅提升。

（3）逼近誤差與圓整誤差的影響。當編程零件的輪廓呈現(xiàn)近似誤差時，通過擬合或近似思維算法，基于精確值控制，可以達到零誤差。但當精度值低時，加工零件的精度和質(zhì)量會有誤差。在零件制造過程中，數(shù)控機床加工需要事先進行編程，運用數(shù)學(xué)理論對形狀不規(guī)則的零件進行加工，如非圓形線性、逼近原理、用直線輪廓替代零件輪廓曲線等。在具體使用過程中，這些措施具有很高的實用性，但它們很容易將加工零件的形狀輪廓與加工對象的形狀輪廓重疊，而導(dǎo)致加工誤差。例如，在一個特定的加工過程中，舍入誤差是指在加工圓弧運動或圓弧軌跡時，實際值與機床的默認運動軌跡之間存在較大誤差。

（4）車床熱變形誤差與車床軌道偏差。當機床加熱時，相關(guān)零件會受到熱膨脹和冷卻的影響，出現(xiàn)嚴重變形，影響機床的加工精度。此外，在切割機床過程中會產(chǎn)生熱摩擦，當外部溫度發(fā)生變化時，機床的所有部件都會受到不均勻的加熱，影響設(shè)備工作狀態(tài)。同時，當零件體積不能滿足要求時，可能會出現(xiàn)機床切割角度偏差、螺旋軸傾斜等問題，無法保證后續(xù)加工零件的準確性。而在運行過程中，如果導(dǎo)軌相對位置若總是存在誤差，也將嚴重影響數(shù)控機床的加工精度。

2 零件質(zhì)量異常的處理方案

2.1 超差異常處理方案

使用數(shù)控機床對合金零件進行加工后，若零件截面的測量值在Y 軸與x 軸方向出現(xiàn)偏差，造成零件質(zhì)量異?，F(xiàn)象，操作人員應(yīng)將主軸的液壓板與四爪對稱夾緊，定位并進行尾座頂尖工作固定工件，通過材料取樣，并附加四爪手動進行加工和測試，檢查異常原因，若發(fā)現(xiàn)主軸與刀具設(shè)備間存在較大的間隙誤差，則應(yīng)從主軸軸承精度檢查、卡盤異物檢查、液壓系統(tǒng)穩(wěn)定與壓力檢查、刀桿縱向運動方向與側(cè)向運動方向的螺母磨損檢查、傾斜間距檢查等方向進行。針對上述可能因素，逐步研究故障原因，通過檢查主軸精度，以此保證精度指標滿足，拆卸、清潔和安裝主軸上的卡盤，消除軸承的精度和卡盤內(nèi)部問題。由于主軸板為多跨液壓對稱連接板，預(yù)設(shè)液壓應(yīng)設(shè)為2MPa，檢查夾具和工件的液壓張力，使用0.02mm 的針，檢查夾具和工件是否牢固連接，使用千分表檢測刀片張力前后工件的變形情況，該方法還用于檢查子通道是否在對稱方向上是平衡的。檢查刀桿的X 與Z 軸、主軸與母軸之間是否存在反向間隙，螺桿的預(yù)應(yīng)力值是否在允許范圍內(nèi)，通過由于軌道松動，消除刀架X 軸和Z 軸的不穩(wěn)。檢查刀塔的主軸與Z 軸之間的平行度，若出現(xiàn)不平衡的情況，則應(yīng)調(diào)整主軸的幾何精度，使主軸與Z 軸的平行度在0.01mm 以內(nèi)，以滿足工廠的要求。

2.2 零件出現(xiàn)波浪的處理方案

數(shù)控機床加工出現(xiàn)零件表面有明顯波浪，是不符合質(zhì)量要求的。操作人員必須現(xiàn)場觀察，分析哪一軸承出現(xiàn)問題。例如，只有Y 軸出現(xiàn)震動，而在其他軸運行正常時，因此對待加工零件表面波浪的初步判斷是，Y 軸振蕩導(dǎo)致了零件加工質(zhì)量的異常。若Y 軸抖動現(xiàn)象存在于加工前期，則可通過調(diào)整Y軸帶張力，補償機器的斜率，降低Y 軸增益，改善機床抖動現(xiàn)象。若機器出現(xiàn)Y 軸及相關(guān)驅(qū)動部件的機械磨損過大，而機械磨損不能通過電氣參數(shù)的調(diào)整和微調(diào)來補償，則需要更換機器的Y 軸雙絲及相關(guān)驅(qū)動部件。首先，將機器的Y 軸旋轉(zhuǎn)到一側(cè)，并將其關(guān)閉，從而方面移除機器兩側(cè)的鈑金；其次，拆下伺服電機的緊固螺釘和皮帶調(diào)節(jié)螺釘，并拆下Y 軸電機。拆下螺釘然后轉(zhuǎn)動卡盤并拆下母線。拆下主軸兩端的固定法蘭和電機主軸支架的固定螺釘，并將整個主軸取出。以相反的順序安裝新的螺釘和相關(guān)的備件。安裝好螺栓套后；再次，鎖住面板側(cè)螺釘?shù)姆ㄌm螺栓，大致調(diào)整螺釘?shù)钠叫卸?。使用母線在末端找到主軸的位置，通過調(diào)整槽將機器的Y 軸移動到正極限，然后再次鎖定發(fā)動機主軸的法蘭螺栓；最后，進行并行調(diào)試。在螺絲旁邊放置一個水平比例尺，并放置一個百分比表，通過移動床身對齊水平比例。將百分比表放在水平比例尺上，檢查主軸和導(dǎo)軌在Z 軸上的平行度，通過調(diào)整電機主軸的固定法蘭，將平行度控制在規(guī)定范圍。安裝Y 軸伺服電機和皮帶，通過調(diào)整螺釘來調(diào)整皮帶張力，使用赫茲儀器來檢測皮帶的張力。用大理石方尺查機器的Y 軸與X 軸之間的垂直度，無異常后，用激光干涉儀補償機器的Y 軸間距，更換Y 軸螺釘和相關(guān)傳動部件后，對機器進行試驗處理，檢查機床在Y 軸上的運行，檢查零件是否消除了波紋痕跡。

3 減少數(shù)控機床加工零件質(zhì)量異常的措施

3.1 選擇合適的機床刀

刀具是數(shù)控機床機關(guān)過程中的關(guān)鍵部件，直接決定了數(shù)控機床后續(xù)加工的水平。與傳統(tǒng)鋼刀相比，鋁合金和陶瓷刀具有更突出的耐磨性能，因此在機械加工過程中使產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠。但并非所有數(shù)控機床都可以使用以上刀具，部分機床也無法匹配以上刀具。因此，工作人員應(yīng)對各種刀具和加工方法進行研究和分類，以便更科學(xué)合理地調(diào)整刀具配置，例如，球頭可能比平頭刀具更容易切割，并且當使用球頭刀具時，產(chǎn)品的正確處理率會相應(yīng)增加。為提高數(shù)控機床的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，相關(guān)企業(yè)必須根據(jù)不同類型的零件加工方案，選擇科學(xué)合理的刀具，以最大限度地發(fā)揮刀具對數(shù)控機床加工的積極作用。

3.2 積極引進先進的制造軟件

積極采用先進的制造軟件可以為后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計、加工制造和產(chǎn)品數(shù)字化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。生產(chǎn)軟件應(yīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床加工的整個生命周期，包括零件建模、模具設(shè)計、機床加工、后處理編程、集成仿真系統(tǒng)等。在加工復(fù)雜零件的過程中，為了提高切削效率，提升工業(yè)機器人的工作精度，可以科學(xué)合理地應(yīng)用自動刀具傾斜技術(shù)和防碰撞方法，進行五軸、三軸+2 軸等的加工。通過科學(xué)合理地使用數(shù)控技術(shù)，可以對加工行為進行動態(tài)建模，由此輸出程序會更加安全高效。此外，為使整個數(shù)控機床加工過程更加標準與穩(wěn)定，需要應(yīng)聘用具有豐富實踐經(jīng)驗的工程師和軟件開發(fā)人員，共同創(chuàng)造一套適合數(shù)控機床加工的系統(tǒng)。

3.3 系統(tǒng)誤差控制與車刀幾何精度控制

在數(shù)控機床的設(shè)計過程中，為了將加工精度限制在合理范圍內(nèi)，必須嚴格控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)。因此，伺服驅(qū)動系統(tǒng)的加工誤差管理必須從提高驅(qū)動裝置的運動特性開始，逐步改變整個裝置的驅(qū)動設(shè)備，甚至改變驅(qū)動裝置的特性，以此保證在驅(qū)動過程中更好地控制數(shù)控機床。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的偏差控制還應(yīng)從提高設(shè)備的壓力水平和承載能力這兩方面入手，通過更合理地承載機械零件，提高加工零件的控制精度。組裝伺服設(shè)備時，應(yīng)根據(jù)實際工藝條件對控制系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化，從而提高誤差控制能力。旋轉(zhuǎn)刀具的幾何精度與數(shù)控機床的制造精度直接相關(guān)，因此，總設(shè)計師必須根據(jù)具體的生產(chǎn)條件，進一步改進數(shù)控車床的加工工藝，以提高其幾何精度，使整個導(dǎo)軌具有良好的定位功能，更有效地控制機床的加工生產(chǎn)。在車床制造過程中，為了更好地實現(xiàn)數(shù)控機床的各種特性，可采用傾斜床體的形狀來代替過去復(fù)雜鑄件結(jié)構(gòu)，從而更有效地提高數(shù)控機床的韌性和承載能力。

4 結(jié)語

總而言之，數(shù)控機床加工零件質(zhì)量異常的處理方案應(yīng)從故障檢查入手，通過對現(xiàn)場進行檢查，觀測機床軸承的抖動情況，檢測刀具的磨損情況，通過更換部件、水平維穩(wěn)、壓力檢測等方法對機床進行改造，從而減少加工異常的概率。此外，企業(yè)也應(yīng)積極引進先進的制造軟件，在原有數(shù)控機床的基礎(chǔ)上提高加工精度。