摘 要：貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)是為實現(xiàn)對貴金屬首飾的全自動化機器加工而研發(fā)的，貴金屬首飾車花的普遍要求為首飾紋路均勻?qū)ΨQ、平滑亮澤和加工過程中盡量不浪費原料。這對數(shù)控車花系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性提出高要求，系統(tǒng)精度的高低也是決定貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素。文章研究了貴金屬首飾車花的特點，并逐一分析了影響貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)精度的因素，以作者經(jīng)驗給出了車花機幾何精度不合乎要求可能會出現(xiàn)的問題，最后借鑒數(shù)控機床的精度評價方法，提出以幾何精度為主，控制機器振動為輔的貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)精度評價方法，并以實驗驗證方法有效。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車花機；精度；影響因素；評價方法

1 概述

首飾車花數(shù)控系統(tǒng)是指根據(jù)車花工藝要求而研發(fā)的能自動完成貴金屬首飾車花的整套機器及其控制系統(tǒng)。一般使用高速旋轉(zhuǎn)的金剛石銑刀在貴金屬首飾表面，刻劃出大小深淺不一、方向位置不同的，光潔度高的明亮紋路，按照事前的計算機規(guī)劃，自動地在貴金屬首飾表面形成一定圖案，進而增加首飾的美觀視覺效果，達到貴金屬首飾車花目的。傳統(tǒng)的首飾車花是人工操作，存在諸多弊端。近年來有些研究單位陸續(xù)研發(fā)了一些貴金屬首飾自動車花設(shè)備，如中國地質(zhì)大學武漢珠寶學院研發(fā)的平珠車花系統(tǒng)[1]，深圳先進技術(shù)研究院的高端珠寶數(shù)控車花機[2]等。這些自動車花設(shè)備能夠初步實現(xiàn)某些貴金屬首飾的自動加工，但其目前主要處于實驗、調(diào)試、改進階段，并未大批量生產(chǎn)投入市場。究其原因，主要是金屬首飾批花進給量小，在0.02～0.1mm的范圍內(nèi)，且工作時要求刀具高速精準切削，且此切削運動易受幾何精度、機械動態(tài)特性、伺服控制系統(tǒng)、外部環(huán)境等因素的影響，或者難以實現(xiàn)綜合誤差補償，使得首飾加工不精準，造成首飾表面花紋雜亂粗糙無美感。

針對這種情況，文章研究了大眾對貴金屬首飾表面花紋的要求，對影響貴金屬首飾車花數(shù)控系統(tǒng)精度的各因素做出分析，并提出了相應的改進方法，最后借鑒傳統(tǒng)數(shù)控機床的精度評價指標，提出了一種針對貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)的精度評價方法。

2 貴金屬首飾車花的特點

大眾對首飾的要求普遍為帶來美的視覺感受。從柏拉圖的大希庇阿斯篇中知道美是難以定義和區(qū)分的，且對美的事物的認可具有主觀性。對某樣首飾美觀與否或美觀程度的評價全由個人主觀感受決定，沒有任何客觀的刻度標準可以用來度量美觀。在圖1的（a）（b）（c）（d）中，大眾普遍認為（a）圖和（b）圖的貴金屬首飾花紋能夠給人帶來美的視覺感受，（c）圖和（d）圖中銀珠上的花紋則不然。對某樣貴金屬切削性首飾而言，普遍認為，紋路均勻?qū)ΨQ、平滑亮澤是美，具有一定復雜圖案為最佳。

對貴金屬首飾上某條紋路來說如圖1中的（a）圖，要做到平順光滑意味著切削刀速要達到足夠快，切削時進給量足夠小。刀速越快，在貴金屬表面切削出來的紋路越锃亮，讓人愉悅，但刀速過快易引起車花機器整體受迫振動，影響加工精度；高刀速運動也要求伺服控制系統(tǒng)具有更寬的控制帶寬、更大的調(diào)速范圍、更短的控制周期等來響應高速、高加速度運動；在切削過程中，高刀速意味著同一時間里工件受到更多切削力沖擊，如果是雙刀工作的話，則受到更多的切削力偶沖擊，工件容易飛出，可能造成機器損壞，甚至人員傷害；并且如果刀速過快，刀具易產(chǎn)生大量熱量，刀具和工件會受熱變形，影響精準加工。進給量越小即主軸一次前進運動需要切削的金屬量越小，則切削出來的紋路越光滑平順，紋路周圍不會像圖1（c）圖中產(chǎn)生毛毛刺刺，如果進給量過多，刀具上的金剛石容易被打壞，但當主軸進給速度過低，則增加生產(chǎn)時間、降低經(jīng)濟效益。

貴金屬首飾車花機安裝的幾何精度都應在所能容忍的范圍內(nèi)，并且切削時刀具正垂直于首飾切削點的切平面，這也是貴金屬首飾加工的工藝要求。

貴重金屬本身價值高昂，在其作為飾品進行美化時要求加工過程中盡量不浪費原料，這不僅要求貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)的高精度，還要求控制系統(tǒng)具有較高的自適應性與通用性。

3 影響貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)精度的因素

現(xiàn)在企業(yè)或研究院所研發(fā)的貴金屬首飾數(shù)控車花機一般是3軸或5軸機器，切削量為0.02～0.1mm，正常工作時主軸刀速達到10000r/min左右，有些機器是雙刀工作，這些工作參數(shù)和工藝要求影響著貴金屬車花機的加工精度。

根據(jù)文獻[3]中精度分類方法，將貴金屬數(shù)控車花系統(tǒng)的精度分為準靜態(tài)精度和動態(tài)精度。準靜態(tài)精度是不依賴于進給速度和軌跡、以幾何精度為主的精度。動態(tài)精度指在機器加減速運動、勻速運動等達到的、依賴于進給速率和機電耦合特性的精度，動態(tài)精度受編程控制算法、振動、熱脹冷縮、切削力、伺服系統(tǒng)對高勻速運動的響應及其穩(wěn)態(tài)特性等因素的影響。

3.1 影響貴金屬車花機幾何精度的因素

幾何精度由機械機構(gòu)、機械調(diào)試控制。目前企業(yè)說的車花機精度一般指機械結(jié)構(gòu)在設(shè)計時所要求的加工精度，整體的車花設(shè)備達不到此精度要求。當零件加工、組裝成完整車花機器時，其幾何精度會發(fā)生偏差，以深圳先進技術(shù)研究院精密工程中心研發(fā)的臥式五軸數(shù)控雙刀車花機為例，說明影響車花機幾何精度的因素。

（1）每把刀具的中心線應與刀具軸的軸線重合，測出誤差，查看其是否處于能容忍的范圍內(nèi)。若不合乎要求，則會出現(xiàn)刀具中心在一個圈上擺動、十字和米字刀痕沒有交叉點的情況，整個圖案的基準點在加工過程中由一點變成一個圓。

（2）兩把刀具和工件應處于同一高度，測出誤差，查看其是否處于能容忍的范圍內(nèi)。若不合乎要求則會出現(xiàn)對于同一點，不同方向的劃痕深淺不一，或同一條劃痕上面深下面淺，或同一條劃痕一邊深，一邊淺的情況。

（3）夾持工件的頂針和工件本身應在同一條直線上，測出誤差，查看其是否處于能容忍的范圍內(nèi)。若工件與頂針錯開過大，則在加工時工件容易飛出，可能造成機器損壞和人員傷害。

（4）工件自轉(zhuǎn)時，應打表測出其跳動范圍。若不合乎要求，則首飾花紋可能隨機出現(xiàn)一紋路深，一紋路淺，易雜亂影響首飾美感。

3.2 影響貴金屬車花系統(tǒng)動態(tài)精度的因素

（1）編程控制算法

貴金屬數(shù)控車花機的動態(tài)精度受控制算法的影響，即在空間上離散的路徑規(guī)劃與在時間上離散的軌跡規(guī)劃是否滿足要求，具體為路徑、軌跡的細分數(shù)量是否足夠?qū)⑺惴ɡ塾嬚`差控制在能容忍的范圍內(nèi)[2，4]。若有誤差補償，補償后能否滿足要求。

（2）振動

正常加工中，主軸刀具的工作轉(zhuǎn)速較高，在8000r/min～16000r/min范圍內(nèi)，有些貴金屬車花設(shè)備是雙刀工作，則存在兩個振源，很容易引起貴金屬首飾車花機的整體受迫振動，使得整個車花系統(tǒng)處于以刀速為振動頻率和以數(shù)倍刀速為振動頻率的疊加振動中，刀具與工件的相對運動將受到極大干擾，如按照規(guī)劃數(shù)據(jù)進行，則存在較大誤差。文獻[5]鄭鵬指出機床振動對加工的表面質(zhì)量造成顯著影響，如圖2中的（a）是車刀刀尖在理想的外圓車削加工狀態(tài)下的運動軌跡，在軸向為等高，徑向為正圓，當機床振動頻率為主軸轉(zhuǎn)動頻率時，刀尖軌跡如圖2中的（b），此種狀態(tài)下刀尖軌跡軸向為等高，徑向為橢圓形，圖2中的（c）是當機床以10倍主軸頻率振動時，刀尖軌跡圖，軸向為等高，徑向為疊加圖形。

（3）熱脹冷縮

貴金屬首飾車花系統(tǒng)所使用的刀具材質(zhì)為鐵鋁合金，在鐵鋁合金上鑲嵌金剛石構(gòu)成刀尖，當?shù)毒吒咚龠B續(xù)轉(zhuǎn)動十分鐘以上，人手靠近刀具能明顯感覺得到熱量，刀具主體為鐵鋁合金，工件為貴重金屬，兩者都是熱的良導體，在切削加工中容易受熱變形，造成工件和刀具之間的距離變短，使得在貴金屬首飾表面上的紋路變深。

（4）切削力

刀尖金剛石鑲嵌在圓形或矩形的刀座上，刀具轉(zhuǎn)動一圈，金剛石與工件相互作用一次，則工件受到一次切削力沖擊或切削力偶沖擊，當?shù)毒吒咚偾邢髻F金屬工件幾分鐘后，工件受到的沖擊累計下來易影響工件與其加持工具間的機械結(jié)構(gòu)。

（5）伺服系統(tǒng)對高勻速運動的響應

貴金屬車花機的定位精度和重復定位精度應符合GB/T 17421.1機床精度檢驗的通用標準。此外，伺服系統(tǒng)中啟停、高速、高加速度、換向的響應時間和穩(wěn)定性，溫度漂移，零點漂移等參數(shù)都應引起注意，使其處于本機器的最佳狀態(tài)。

4 貴金屬首飾數(shù)控車花機精度評價與實驗

4.1 貴金屬首飾數(shù)控車花機精度評價

文獻[6]提出使用運動軸實際位移與數(shù)控指令之間的符合程度來評價機床精度，以穩(wěn)態(tài)誤差、瞬態(tài)誤差和勻速段速度波動誤差三類誤差來計算機床的運動精度。此種評價方法并不適合貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)，車花系統(tǒng)是以首飾加工最后呈現(xiàn)的紋路美觀與否作為評價標準。文獻[7]提出通過零件切削特性的實測數(shù)據(jù)來改進機床精度變化與切削加工過程的隱馬爾可夫鏈模型，以耦合系統(tǒng)最佳切削特性狀態(tài)為目標，形成零件切削性評價模型。此種方法符合數(shù)控車花系統(tǒng)中多層次的機電耦合行為，但首飾切削特性的實測數(shù)據(jù)難以測量，并且其精度計算方法和評價方法過于繁瑣復雜。文獻[8]指出低速時幾何誤差是主導誤差。

基于以上分析和作者對車花機調(diào)試的經(jīng)驗提出以幾何精度為主，控制貴金屬車花機振動為輔的貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)的精度評價方法。在貴金屬車花系統(tǒng)中，進給速度只有6～15mm/min，符合文獻[8]中的低速進給運動，幾何誤差為主導誤差。刀具高速切削引起的機器振動是影響貴金屬首飾車花系統(tǒng)動態(tài)精度的主導因素，進給速度10毫米每分鐘，按照文獻[9]計算，其切削力的影響相對與振動來說可以忽略不計。

4.2 實驗

在保證幾何精度的前提下，控制車花機振動處于能容忍范圍內(nèi)，以深圳先進技術(shù)研究院研發(fā)的高端珠寶數(shù)控車花機為實驗對象，以長為9.50mm，寬為6.28mm的銀質(zhì)橢球體珠為加工對象，加工出來的珠子如圖3所示，能滿足貴金屬首飾車花的基本要求。

5 結(jié)束語

文章根據(jù)貴金屬首飾車花的特點和影響貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)精度的因素，提出以幾何精度為主，控制車花機振動為輔的精度評價方法，通過實驗切削，證明方法有效。此評價方法只是定性說明，并未測出其百分比，在實驗中采取給車花機增加配重的辦法來減少機器振動，此后可對車花機振動進行測試，分出振動狀態(tài)形成車花機工作參數(shù)選擇，未涉及精度影響因素各自的比重，或分狀態(tài)考慮各精度影響因素的比重，此為以后的研究方向。

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