基于數(shù)控車(chē)工的高精度零件加工與質(zhì)量控制策略研究

孫勇

摘 要：數(shù)控車(chē)床在機(jī)械加工行業(yè)中發(fā)揮著重要作用，不管是生產(chǎn)螺紋零件，還是生產(chǎn)軸類(lèi)零件，數(shù)控機(jī)床都首當(dāng)其沖，且具有易操作、效率高以及精度高等優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，數(shù)控車(chē)零件加工質(zhì)量還存在很大提升空間，所以，為進(jìn)一步提升加工精度高且外形不規(guī)范的零件質(zhì)量，需要對(duì)數(shù)控車(chē)床進(jìn)行有效調(diào)整。本文通過(guò)分析數(shù)控車(chē)工高精度零件加工的相關(guān)影響因素，提出高精度零件加工質(zhì)量的有效控制措施。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)工 高精度零件 質(zhì)量控制

最近幾年，隨著社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)對(duì)機(jī)器加工產(chǎn)品的品質(zhì)需求也越來(lái)越高，特別是一些高精密的零部件，對(duì)產(chǎn)品的加工精度和品質(zhì)有著極高的需求。數(shù)控車(chē)床是高精度零件加工的重要載體，很多零件的加工都需要用到數(shù)控車(chē)床，然而，隨著現(xiàn)代加工水平不斷提升，數(shù)控車(chē)床加工效率很難滿足高精度零件加工需求。這就需要有效控制數(shù)控車(chē)高精度零件加工的影響因素[1]?，F(xiàn)階段，數(shù)控車(chē)工零件加工質(zhì)量還存在很大提升空間，所以，為提升外形不規(guī)范但具有較高加工精度的零件質(zhì)量，有必要調(diào)整數(shù)控車(chē)床。本文通過(guò)分析數(shù)控車(chē)工高精度零件加工的相關(guān)影響因素，提出高精度零件加工質(zhì)量的有效控制措施，以期能夠?yàn)樘嵘龜?shù)控車(chē)工高精度零件加工質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)控車(chē)床的構(gòu)成及作業(yè)原理

1.1 數(shù)控車(chē)床的構(gòu)成

高精度零件生產(chǎn)加工中，數(shù)控車(chē)床構(gòu)成包括：（1）主機(jī)。這是CNC機(jī)床的主要工作部件，主要由立柱、床身及切割加工部件等組成。（2）驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)設(shè)備是執(zhí)行數(shù)字控制機(jī)床的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，它由主軸驅(qū)動(dòng)、主軸電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)等組成。在該數(shù)控設(shè)備的控制下，利用電子伺服或電液壓伺服系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。（3）數(shù)控裝置。數(shù)控裝置包含數(shù)控車(chē)的軟硬件設(shè)備，其工作內(nèi)容主要是有效輸入與存儲(chǔ)零部件加工程序，同時(shí)處理分析大量數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮車(chē)床控制功能[2]；（4）輔助裝置。該裝置是保證數(shù)控車(chē)床穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，同時(shí)也是車(chē)床運(yùn)行的配套設(shè)施。數(shù)控車(chē)床運(yùn)行期間，輔助裝置所發(fā)揮的功能包括冷卻、照明、潤(rùn)滑和排屑等。

1.2 數(shù)控車(chē)床的作業(yè)原理

通常情況下，CNC機(jī)床都是按照工藝模型的特點(diǎn)進(jìn)行零件的加工，其工作原理如圖1所示。多功能工作站、加工區(qū)域等被安置在 CNC機(jī)床內(nèi)，每天的工作量很大，而且加工面很寬，而且具有補(bǔ)償性的加工和復(fù)合的加工功能，可實(shí)現(xiàn)高精密工件的高速切削。數(shù)控車(chē)床是一種與計(jì)算機(jī)和機(jī)械相連的機(jī)械加工裝置，它包括了測(cè)控裝置、電源設(shè)備和感應(yīng)設(shè)備等，它可以使它的加工自動(dòng)控制能力得到很好的利用，這就需要操作員向數(shù)控機(jī)床提出一個(gè)加工過(guò)程，以確保該機(jī)床能按照系統(tǒng)的命令進(jìn)行作業(yè)，通過(guò)控制道具達(dá)到機(jī)械零部件高精度加工目標(biāo)。

2 數(shù)控車(chē)工高精度零件加工質(zhì)量控制的重要性

在沒(méi)有使用數(shù)控車(chē)床之前，一直都是用的普通車(chē)床，這類(lèi)機(jī)床以人工作業(yè)為主，在加工過(guò)程中，要對(duì)人眼、三抓卡盤(pán)和轉(zhuǎn)盤(pán)等存在的誤差進(jìn)行有效控制，才能提高零件的加工品質(zhì)，這樣的工藝效率和準(zhǔn)確性都不高，而且還不能進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)，難以適應(yīng)目前快速發(fā)展的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)需要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)零件的增加需求越來(lái)越大，而 CNC機(jī)床正逐漸代替一般的機(jī)床來(lái)進(jìn)行零件的制造。在數(shù)控車(chē)削時(shí)，企業(yè)只需要將編程好的 NC代碼輸入到機(jī)器的控制系統(tǒng)中，然后由車(chē)床按照指定的路徑進(jìn)行切割。在現(xiàn)代化的機(jī)床裝備中， CNC機(jī)床得到了越來(lái)越多的使用，它對(duì)提高機(jī)床的生產(chǎn)品質(zhì)，提高機(jī)床的制造水平具有重要意義。在全球經(jīng)濟(jì)一體化的今天，機(jī)床的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力越來(lái)越強(qiáng)，而一個(gè)國(guó)家的機(jī)床制造水平，也可以從側(cè)面反映出該國(guó)的生產(chǎn)實(shí)力，有助于實(shí)現(xiàn)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中機(jī)械競(jìng)爭(zhēng)力的提升[3]。目前很多西方發(fā)達(dá)國(guó)家都將數(shù)控加工設(shè)備與CNC技術(shù)視為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略，提升其技術(shù)實(shí)力，不斷汲取發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)與先進(jìn)技術(shù)，為國(guó)家制造水平的提升做出重要貢獻(xiàn)。

3 數(shù)控車(chē)工高精度零件加工的影響因素

有研究表明，CNC機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)的實(shí)際需要有較大的誤差。在高精密工件的制造過(guò)程中，由于編程、設(shè)備、程序等諸多方面的原因，對(duì)機(jī)床的加工質(zhì)量也有較大影響。通常情況下，我們會(huì)選取機(jī)床的制造誤差與工藝誤差之比，如果鑄造零件的精度要求更高，那么 CNC機(jī)床的誤差就會(huì)更大[4]。所以，要提高鑄造工藝的精度，使之符合生產(chǎn)要求，就必須嚴(yán)格控制機(jī)床精度的各種影響因素，同時(shí)與加工實(shí)際相結(jié)合，針對(duì)性?xún)?yōu)化與改善，由此才有助于數(shù)控車(chē)床加工精度的提升。（表１）

3.1 伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素

CNC機(jī)床伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)高精密工件的制造有著重要的影響，一般通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)床夾具裝置，從而達(dá)到高精密的工件的制造。其工藝過(guò)程是：通過(guò)數(shù)控車(chē)對(duì)滾珠絲杠監(jiān)控、伺服和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的幫助，來(lái)確保高精密的數(shù)控機(jī)床外形的制造。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，由于滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的誤差，會(huì)對(duì)機(jī)床的加工精度產(chǎn)生很大的影響。在實(shí)際的工作中，螺桿必須反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，這時(shí)極易發(fā)生空轉(zhuǎn)，繼而產(chǎn)生反轉(zhuǎn)的齒隙偏差。CNC機(jī)床在受到外界的作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致某些加工區(qū)域產(chǎn)生彈性間隙，嚴(yán)重制約了機(jī)床的加工精度。

3.2 車(chē)刀控制因素

在數(shù)控機(jī)床模具制作過(guò)程中，為了滿足模具的形狀需求，必須切割出合適的刀具。在切削刀具時(shí)，刀具的控制表面及主軸的大小極易發(fā)生誤差，從而導(dǎo)致零件的切削變形。這就需要在CNC機(jī)床的編程過(guò)程中盡量選擇最優(yōu)的切削參數(shù)，同時(shí)，由于刀具的運(yùn)動(dòng)路徑難以精確地進(jìn)行，還會(huì)產(chǎn)生切削誤差等問(wèn)題[5]。

4 基于數(shù)控車(chē)工的高精度零件質(zhì)控策略

4.1 控制伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)誤差

當(dāng)進(jìn)行CNC機(jī)床的設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)伺服傳動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)密控制，才能將其控制在優(yōu)化的區(qū)間內(nèi)。有效控制伺服傳動(dòng)的制造偏差，首先要從對(duì)傳動(dòng)裝備的運(yùn)轉(zhuǎn)特征環(huán)節(jié)展開(kāi)優(yōu)化，對(duì)傳動(dòng)裝備進(jìn)行高效調(diào)節(jié)，從而保證對(duì)機(jī)床在行駛的過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)高效管理。在此基礎(chǔ)上，對(duì)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷和氣壓進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，使得伺服傳動(dòng)能夠?qū)Ω髁慵M(jìn)行高效的負(fù)載，從而提高被加工零件的控制精度。為了提高CNC機(jī)床的精度，在加裝了伺服裝置之后，還要對(duì)機(jī)床的加工狀態(tài)做好最優(yōu)控制工作。

4.2 機(jī)床切削參數(shù)控制

（1）正確地選用工具。在進(jìn)行CNC機(jī)床的切削之前，要先考慮到刀具的材質(zhì)，在選用刀具的時(shí)候，除了要有較好的韌性、硬度和耐磨性之外，還要有耐高壓和耐高溫的能力。目前最常見(jiàn)的切削工具為硬質(zhì)合金及高速鋼，其高溫性能優(yōu)于高速鋼（1000C），且具有優(yōu)異的高溫性能（硬度和耐磨性）。

（2）工具的選擇。通過(guò)合理選取刀尖偏離主軸中心、刀尖半徑及主傾角等工具參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的徑向、軸線方向的精確控制。在選用時(shí)，要綜合考慮工件材料、加工要求和機(jī)型等因素，才能決定最優(yōu)的加工工藝。

（3）工件的定位方法。在對(duì)工件進(jìn)行定位時(shí)，應(yīng)盡可能減少切削用量，采用CNC機(jī)床結(jié)合裝夾，有利于提高工件裝夾的效率；該方法不僅節(jié)省了加工周期，還能適用于多種部件的緊固，具有較好的經(jīng)濟(jì)效果。

4.3 嚴(yán)格控制車(chē)刀運(yùn)行幾何精度

數(shù)控車(chē)床中，車(chē)刀幾何精度通常會(huì)直接影響到高精度零件加工，基于該情況，數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)師需要基于實(shí)際生產(chǎn)條件，在制造工藝中，對(duì)車(chē)體的導(dǎo)向?qū)嵤┏掷m(xù)的優(yōu)化和改進(jìn)，從而使得車(chē)刀的幾何精度得到進(jìn)一步的提高，從而使得其具有良好的擠壓性能和制造精度，并且能夠?qū)?chē)刀的使用狀況進(jìn)行有效調(diào)控。在刀具制造過(guò)程中，為了使CNC機(jī)床的功能得到最大程度的利用，一般都是采用傾斜的方式來(lái)展開(kāi)整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這樣可以更好地提高CNC機(jī)床的承載能力和彎曲性能。

4.4 誤差補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)

數(shù)控車(chē)床在加工高精度零件期間，采用誤差補(bǔ)償技術(shù)能夠大幅提升數(shù)控車(chē)床實(shí)際加工效率，該技術(shù)是對(duì)當(dāng)前坐標(biāo)軸的有效補(bǔ)充，采用軟、硬件相結(jié)合的方法，對(duì)高精度零件進(jìn)行加工。對(duì)0.5級(jí)閉環(huán)控制進(jìn)行了研究，由于逆向偏差會(huì)導(dǎo)致工件的定位精度下降。這種偏離應(yīng)該通過(guò)逆向錯(cuò)誤補(bǔ)償來(lái)消除。類(lèi)似于零件加工精度限制，誤差補(bǔ)償技術(shù)可對(duì)當(dāng)前的數(shù)控車(chē)床進(jìn)行合理利用，不需要改變?cè)性O(shè)計(jì)，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。除此之外，還采用了帶針?biāo)土系臐L珠絲桿的誤差補(bǔ)償方法。由于在數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)過(guò)程中，由于釘形供料的精度很可能會(huì)造成CNC機(jī)床精度的誤差，因此，CNC機(jī)床控制器應(yīng)該選用間隙補(bǔ)償?shù)姆椒?；以補(bǔ)償滾珠螺桿的偏移，從而提高 CNC機(jī)床滾珠螺桿的使用壽命和穩(wěn)定性。

4.5 應(yīng)用最佳加工工藝

為實(shí)現(xiàn)數(shù)控車(chē)床高精度零件加工精度的提升，一方面，對(duì)CNC機(jī)床進(jìn)行高效的操控，另一方面，對(duì)切削方式和制造工藝進(jìn)行高效地調(diào)控，提高高精密工件的制造效率和精度，從而提高工件的制造質(zhì)量。因此，第一，要對(duì) CNC控制裝置的加工過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)密的控制，盡量一次就把高精密的部件制作出來(lái)，若不能一次成功地完成；要盡量減少更換的次數(shù)，把精細(xì)機(jī)床和粗機(jī)床分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)高精度零點(diǎn)加工質(zhì)量的提升[7]。除此之外，還要優(yōu)選數(shù)控車(chē)床工藝路徑，在行走軌跡的選取上，縮短了機(jī)床的工作周期，增加了工具的切割效率，去除了不必要的工作步驟；從而達(dá)到提高 CNC機(jī)床工藝經(jīng)濟(jì)效益的目的。在對(duì)高精密工件進(jìn)行數(shù)控機(jī)床加工之前，必須先進(jìn)行調(diào)試，然后重新編程，然后再啟動(dòng)，這時(shí)的 CNC機(jī)床才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)，直到制造過(guò)程的結(jié)束。操作員要進(jìn)行工藝程序錄入、工具制作、編程、監(jiān)測(cè)生產(chǎn)狀況、組裝與拆解。減少工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行智能化，除此之外，數(shù)控車(chē)床加工期間，要精準(zhǔn)掌握表面粗獷度和精確度，對(duì)這一數(shù)值進(jìn)行計(jì)算過(guò)程中，還應(yīng)進(jìn)一步精簡(jiǎn)，以降低數(shù)控機(jī)床工作量。

4.6 誤差防止策略

制定誤差預(yù)防策略，在數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)和生產(chǎn)期間，不斷提升車(chē)床夾具零件精準(zhǔn)度，從整體層面縮減工藝精度偏差。但對(duì)零件制造商來(lái)說(shuō)，基于原有數(shù)控車(chē)床，往往難以提升零件加工精確度，這就需要更改原有數(shù)控車(chē)床。因此，防錯(cuò)策略具有較高使用成本[8]。

5 數(shù)控車(chē)工高精度零件質(zhì)量控制的優(yōu)化方案

5.1 提升操作工能力，強(qiáng)化對(duì)刀和狀態(tài)精確性

在數(shù)控車(chē)床加工期間，刀具控制是加工高精度零件的重要環(huán)節(jié)，操作難度比較大。刀具校準(zhǔn)和裝夾精確性，會(huì)對(duì)后續(xù)高精度零件加工步驟產(chǎn)生直接影響，同時(shí)還將對(duì)工件的加工精度進(jìn)行控制，提高對(duì)高精密零部件的制造品質(zhì)具有重要意義。目前，刀對(duì)刀的詳細(xì)劃分有手動(dòng)刀和自動(dòng)刀刀兩種，其中手動(dòng)刀比較常見(jiàn)。在切削過(guò)程中，手工對(duì)刀極易引起不正常的對(duì)刀問(wèn)題，導(dǎo)致工具發(fā)生非正常的磨損，因此，提高作業(yè)人員的工藝技術(shù)，搞好作業(yè)人員對(duì)刀和裝刀技能的培訓(xùn)，是提高工件的加工質(zhì)量的重要途徑。

5.2 利用仿真軟件增加數(shù)控程序的合理性和準(zhǔn)確性

在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，各種仿真仿真軟件層出不窮，CNC仿真仿真系統(tǒng)，幫助設(shè)計(jì)者精確地完成編程代碼的校驗(yàn)；在實(shí)際的生產(chǎn)工藝中，可以將高精密的零件的工藝進(jìn)行可視化的展示，在對(duì)零件進(jìn)行仿真切割的時(shí)候，可對(duì)其進(jìn)行檢查，以此優(yōu)化源程序代碼，實(shí)現(xiàn)高精度零件加工質(zhì)量的提升。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，數(shù)控車(chē)床是機(jī)械加工生產(chǎn)的基礎(chǔ)和重要載體，具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行效率高等優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化改進(jìn)數(shù)控車(chē)床技術(shù)，有助于提升數(shù)控車(chē)床高精度零件加工質(zhì)量，鞏固我國(guó)在全球機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)中的地位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我國(guó)的世界威望與綜合國(guó)力的提升。

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