董 劍

（寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721000）

0 前言

在機(jī)械裝備行業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，相關(guān)行業(yè)對(duì)于機(jī)械零部件的精度有了越來(lái)越高的需求，作為一種重要的現(xiàn)代機(jī)械加工方式，數(shù)控車(chē)床加工方式安全、可靠、高效；但其加工精度受到多種因素的影響，會(huì)在很大程度上影響機(jī)械設(shè)備的整體質(zhì)量。本文對(duì)當(dāng)前影響數(shù)控車(chē)床加工精度的主要因素進(jìn)行分析，并結(jié)合企業(yè)對(duì)設(shè)備的實(shí)際使用情況，提出了提高數(shù)控車(chē)床加工精度的具體措施，進(jìn)而為機(jī)械制造行業(yè)的高品質(zhì)發(fā)展提供保障。

1 數(shù)控車(chē)床概述

1.1 工作原理

數(shù)控車(chē)床集自動(dòng)控制技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械制造、傳感測(cè)量于一體，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。運(yùn)用數(shù)控車(chē)床有利于提升產(chǎn)品質(zhì)量，縮短加工時(shí)間，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

數(shù)控機(jī)床由測(cè)量裝置、機(jī)床本體、輔助裝置、電氣控制裝置、可編程控制器、驅(qū)動(dòng)裝置、數(shù)控裝置、輸出裝置組成，具體硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 數(shù)控車(chē)床硬件組成

數(shù)控車(chē)床在普通車(chē)床的基礎(chǔ)上引進(jìn)了數(shù)控技術(shù)，借助數(shù)字信號(hào)對(duì)機(jī)床加工及運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制，利用數(shù)字化代碼于程序介質(zhì)上記錄刀具移動(dòng)軌跡等信息，之后輸入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算、譯碼后，發(fā)出指令自動(dòng)控制工件與刀具的運(yùn)動(dòng)，最后得到符合要求的零件。

1.2 數(shù)控車(chē)床特點(diǎn)

與傳統(tǒng)數(shù)控車(chē)床相比，現(xiàn)代數(shù)控車(chē)床具有以下5個(gè)方面的特點(diǎn)：一是加工精度高，現(xiàn)代數(shù)控車(chē)床引入精度控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)車(chē)床相比，具備更高的加工穩(wěn)定性與加工精度。二是多坐標(biāo)軸數(shù)控車(chē)床能夠完成多軸聯(lián)動(dòng)加工，數(shù)控車(chē)床能夠依據(jù)預(yù)先設(shè)置的指令對(duì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的零件進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)加工，有效提升了工作效率。三是縮短加工時(shí)間，在對(duì)零件的規(guī)格或尺寸進(jìn)行臨時(shí)修改時(shí)不需要畫(huà)圖紙，可直接用于對(duì)數(shù)控車(chē)床的參數(shù)調(diào)整，減少了修改圖紙的時(shí)間。四是具備較高自動(dòng)化程度，能夠進(jìn)行機(jī)械化自動(dòng)操作，降低了工作人員的操作強(qiáng)度。五是對(duì)操作人員技術(shù)水平要求高，現(xiàn)代數(shù)控車(chē)床引進(jìn)了大量先進(jìn)技術(shù)，操作過(guò)程具有較高的專業(yè)性，同時(shí)其維護(hù)保養(yǎng)人員也應(yīng)具備相應(yīng)的技術(shù)水平。

2 數(shù)控車(chē)床加工精度的主要影響因素分析

2.1 切削車(chē)刀規(guī)格及幾何參數(shù)誤差

在進(jìn)行工件加工的過(guò)程中，數(shù)控車(chē)床的車(chē)刀依據(jù)預(yù)先設(shè)置的程序規(guī)劃走刀路徑，完成車(chē)削加工。在車(chē)削加工過(guò)程中，最重要的是進(jìn)行圓弧半徑與車(chē)刀偏角參數(shù)的設(shè)置，一旦出現(xiàn)誤差，將直接影響工件精度。但是，數(shù)控車(chē)床在運(yùn)行時(shí)往往會(huì)因軸線尺寸誤差而降低加工精度，導(dǎo)致車(chē)刀圓弧半徑隨之變化，進(jìn)而影響軸向尺寸誤差。

車(chē)床的車(chē)刀位移長(zhǎng)度與軸向尺寸相互影響，車(chē)刀幾何參數(shù)與規(guī)格會(huì)引發(fā)潛在的軸向尺寸誤差，車(chē)刀移動(dòng)軌跡直接影響位移長(zhǎng)度，在對(duì)于數(shù)控車(chē)床進(jìn)行調(diào)整時(shí)，應(yīng)充分考慮刀尖距、車(chē)刀圓弧半徑等細(xì)節(jié)參數(shù)。

2.2 電氣伺服系統(tǒng)傳動(dòng)誤差

在具體進(jìn)行加工過(guò)程中，利用滾珠絲杠和電氣伺服系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車(chē)刀平面移動(dòng)的控制。在對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的過(guò)程中，伺服電機(jī)能夠?qū)ぜ蛙?chē)刀之間的相對(duì)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，所以在運(yùn)行時(shí)，絲杠滑臺(tái)的傳動(dòng)誤差也會(huì)隨之被伺服系統(tǒng)傳輸給工件與刀具之間的相對(duì)位置，致使無(wú)法完全依照程序規(guī)劃的軌跡進(jìn)行刀尖的移動(dòng)，最終導(dǎo)致數(shù)控車(chē)床加工精度被降低。

2.3 逼近誤差與圓整誤差影響

編程零件輪廓利用逼近誤差表示時(shí)，利用擬合或近似理念算法，可以在控制精確值的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)向零件基礎(chǔ)誤差的逼近。當(dāng)精確值較低時(shí)，零部件加工精度將會(huì)出現(xiàn)誤差。在進(jìn)行零部件制作過(guò)程中，數(shù)控車(chē)床的加工應(yīng)用需要預(yù)先進(jìn)行編程作業(yè)，利用數(shù)學(xué)理論對(duì)外形不規(guī)則的零部件的加工作業(yè)進(jìn)行處理，如針對(duì)非圓線性，利用近似原理進(jìn)行處理，借助直線輪廓取代零部件曲線輪廓。在具體使用過(guò)程中，該措施具有較強(qiáng)的實(shí)用性，但是完成的零部件的形狀輪廓非常容易出現(xiàn)不能夠與待加工目標(biāo)形狀輪廓重合的情況，出現(xiàn)加工誤差，例如在進(jìn)行具體加工過(guò)程中，圓整誤差即在加工圓弧運(yùn)動(dòng)或圓軌跡時(shí)，實(shí)際數(shù)值與車(chē)床預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)軌跡之間存在的較大誤差[1]。一些數(shù)控車(chē)床的刀具的具體運(yùn)行軌跡是由電機(jī)控制的，刀具最小運(yùn)動(dòng)距離由步進(jìn)電機(jī)脈沖決定，當(dāng)處于運(yùn)作狀態(tài)時(shí)，如其作業(yè)達(dá)到圓整脈沖當(dāng)量值，不可避免地會(huì)出現(xiàn)圓整誤差，進(jìn)而影響部件規(guī)格與尺寸。

2.4 車(chē)床熱變形誤差影響

作業(yè)狀態(tài)下的車(chē)床會(huì)受到不同類型熱源的影響，在車(chē)床出現(xiàn)發(fā)熱的狀況時(shí)，相關(guān)元件將會(huì)受到熱脹冷縮的作用，表現(xiàn)出嚴(yán)重的變形，對(duì)于程序的有序性產(chǎn)生嚴(yán)重阻礙，最終對(duì)車(chē)床加工精度造成影響。不僅如此，在車(chē)床進(jìn)行切削作業(yè)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)摩擦熱，在同時(shí)出現(xiàn)外部溫度變化的情況時(shí)，車(chē)床元件會(huì)出現(xiàn)部位受熱不均的情況，影響機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)溫度的變化也會(huì)影響到元件的體積大小，進(jìn)而嚴(yán)重影響高精度設(shè)備的生產(chǎn)與制定。除此之外，在元件的體積達(dá)不到具體的要求時(shí)，有可能出現(xiàn)車(chē)刀切削角度偏移、絲杠軸心線傾斜等故障，不能保證后續(xù)待加工零件的精度[2]。

2.5 數(shù)控車(chē)床導(dǎo)軌偏移誤差

數(shù)控車(chē)床運(yùn)行時(shí)始終存在導(dǎo)軌相對(duì)位置偏移誤差，嚴(yán)重影響數(shù)控車(chē)床加工精度，在進(jìn)行車(chē)削加工操作時(shí)，車(chē)床導(dǎo)軌會(huì)出現(xiàn)無(wú)規(guī)則磨損，致使刀尖位置后續(xù)會(huì)出現(xiàn)微量偏移，降低最終加工工件的精度。

2.6 程序運(yùn)行

操作人員在進(jìn)行作業(yè)過(guò)程中如果存在不按規(guī)范操作的情況，也會(huì)導(dǎo)致數(shù)控車(chē)床導(dǎo)軌偏移誤差，對(duì)車(chē)削加工質(zhì)量產(chǎn)生影響?，F(xiàn)代數(shù)控車(chē)床引進(jìn)了先進(jìn)的控制系統(tǒng)，具有較高的規(guī)范性與順序性。在進(jìn)行操作的過(guò)程中，如操作人員的操作順序不合規(guī)、數(shù)據(jù)處理有誤差、程序設(shè)定不科學(xué)等，都會(huì)對(duì)程序運(yùn)行的正當(dāng)性造成影響，致使加工精度出現(xiàn)誤差。

3 提高數(shù)控車(chē)床加工精度的有效策略

3.1 優(yōu)化數(shù)控車(chē)床總體設(shè)計(jì)方案

對(duì)數(shù)控車(chē)床的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，工程人員與設(shè)計(jì)人員應(yīng)該不斷創(chuàng)新數(shù)控車(chē)床主機(jī)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行精度高、剛度高的零部件的引入，在進(jìn)行設(shè)計(jì)與加工制造時(shí)，站在全局的角度對(duì)車(chē)床進(jìn)行全面優(yōu)化。優(yōu)化處理數(shù)控車(chē)床主軸形變故障，合理控制數(shù)控車(chē)床主軸箱系統(tǒng)熱態(tài)性能，適當(dāng)調(diào)整數(shù)控車(chē)床重心位置，盡可能地提升數(shù)控車(chē)床關(guān)鍵部件的幾何精度與整體結(jié)構(gòu)形態(tài)，使數(shù)控加工的質(zhì)量與精度得到改善。

3.2 改進(jìn)電氣伺服系統(tǒng)

電氣伺服系統(tǒng)是數(shù)控車(chē)床的關(guān)鍵組成部分，能夠?qū)?chē)床運(yùn)行的有序性與穩(wěn)定性起決定性作用，同時(shí)直接影響車(chē)床加工精度，影響零部件的加工質(zhì)量。因此，在對(duì)于數(shù)控車(chē)床加工精度進(jìn)行改善的過(guò)程中，應(yīng)該進(jìn)行電氣伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確性的優(yōu)化，合理提升伺服系統(tǒng)設(shè)備的性能指標(biāo)，具體可對(duì)伺服控制單元、伺服進(jìn)給單元、伺服電機(jī)進(jìn)行改良，同時(shí)要關(guān)注伺服控制系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。在借助伺服系統(tǒng)進(jìn)行圓弧、圓環(huán)等零件的加工時(shí)，需要對(duì)進(jìn)給軸進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，具體可進(jìn)行開(kāi)環(huán)增益的設(shè)計(jì)，提升加工零部件輪廓的精度。除此之外，在具體進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中應(yīng)該保持45°的進(jìn)給軸位置，根據(jù)相關(guān)實(shí)踐數(shù)據(jù)可知，該角度可提升零部件精度與質(zhì)量，確保零件符合需求[1]。

3.3 車(chē)床導(dǎo)軌影響的改進(jìn)策略

在實(shí)際運(yùn)行數(shù)控車(chē)床過(guò)程中，為了盡可能防止由車(chē)身導(dǎo)致的精度誤差，在最初設(shè)計(jì)階段應(yīng)該對(duì)底座和導(dǎo)軌進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于功能需求多的控車(chē)床，在進(jìn)行床身設(shè)計(jì)過(guò)程中，可將其設(shè)置為斜床身，借助合適的筒型結(jié)構(gòu)，合理控制車(chē)床重量，同時(shí)對(duì)制造工藝進(jìn)行改進(jìn)。在保證確切的切削載荷的基礎(chǔ)上，借助筒形結(jié)構(gòu)進(jìn)一步保障數(shù)控車(chē)床的穩(wěn)定性，避免車(chē)床在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)幾何誤差。在安裝滑動(dòng)導(dǎo)軌的過(guò)程中，不僅要對(duì)于零件的加工精度進(jìn)行明確，還要按照規(guī)范流程進(jìn)行具體安裝，保障潤(rùn)滑油填充完善，降低運(yùn)行過(guò)程中的摩擦系數(shù)，提高數(shù)控車(chē)床的精度。在選擇導(dǎo)軌時(shí)，應(yīng)該注重其實(shí)用性，保證導(dǎo)軌的載荷能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，防止后續(xù)發(fā)生因載荷問(wèn)題而導(dǎo)致的精度降低[3]。

3.4 細(xì)化誤差補(bǔ)償措施

在具體實(shí)施誤差補(bǔ)償過(guò)程中，需要加強(qiáng)對(duì)圓整誤差和逼近誤差的重視。在針對(duì)圓整誤差進(jìn)行控制時(shí)，可以借助硬件處理進(jìn)行防控，同時(shí)可以借助軟件處理，提升數(shù)據(jù)處理的精度，盡最大可能防止在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)不確定因素引發(fā)誤差風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)逼近誤差的補(bǔ)償，要提升近似算法、擬合思想應(yīng)用的精準(zhǔn)性，通過(guò)對(duì)零件外輪廓的精確運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)零件外輪廓的精準(zhǔn)勾勒，防止出現(xiàn)控制系統(tǒng)的補(bǔ)償誤差。針對(duì)需要重復(fù)定位的工藝和工件，在具體數(shù)控加工之前，就應(yīng)該加強(qiáng)誤差測(cè)算，提升測(cè)算的精確性，防止后續(xù)加工出現(xiàn)誤差。針對(duì)于不可避免的誤差，要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行控制，將誤差在合理范圍內(nèi)，保障加工產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.5 嚴(yán)格控制溫度

分析上述影響因素可知，數(shù)控車(chē)床在加工運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)溫度的變化，當(dāng)外部環(huán)境也同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)對(duì)數(shù)控車(chē)床加工精度產(chǎn)生影響，因此相關(guān)人員也要加強(qiáng)對(duì)車(chē)間溫度因素的重視，嚴(yán)格把控車(chē)間溫度，對(duì)車(chē)床運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行整體改善，避免在加工過(guò)程中出現(xiàn)溫度過(guò)高或過(guò)低的狀況，防止設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中因熱脹冷縮作用出現(xiàn)設(shè)備變形。針對(duì)無(wú)法防止的溫度升高狀況，如摩擦生熱等，可借助冷卻回路加強(qiáng)對(duì)溫度差的控制，降低熱量的形成，保障數(shù)控車(chē)床的運(yùn)行環(huán)境溫度。

3.6 合理減少刀具偏差

刀具是數(shù)控車(chē)床在具體進(jìn)行零件加工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)使用到的部件，刀具通常具有刀尖圓弧或偏圓角的特性，在進(jìn)行加工作業(yè)時(shí)極易出現(xiàn)誤差。因此，在進(jìn)行零件加工時(shí)，應(yīng)該合理優(yōu)化刀具，降低因刀具問(wèn)題引發(fā)的零件不合格情況。首先，需要對(duì)于刀具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，工作人員應(yīng)該根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)全面了解刀具存在的缺陷，有針對(duì)性地對(duì)于刀具進(jìn)行調(diào)整。其次，由于數(shù)控車(chē)床具備較高的自動(dòng)化水平，因此在進(jìn)行具體刀具優(yōu)化的過(guò)程中，應(yīng)該依據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)全部道具進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，對(duì)車(chē)床使用的刀具庫(kù)的全部刀具進(jìn)行結(jié)構(gòu)性調(diào)整，防止在加工過(guò)程中出現(xiàn)刀具加工誤差[3]。此外，需要精確計(jì)算在作業(yè)過(guò)程中因刀具問(wèn)題而導(dǎo)致的誤差，依據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果進(jìn)行刀具的調(diào)整，在具體作業(yè)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行修正，保障數(shù)控車(chē)床加工零件的精度。

3.7 提高人員操作技術(shù)水平

現(xiàn)代數(shù)控車(chē)床具備較高的技術(shù)水平，操作較為復(fù)雜，對(duì)于操作人員具有較高的專業(yè)技術(shù)水平要求，一旦在閱讀圖紙或編程時(shí)出現(xiàn)不恰當(dāng)?shù)牟僮?，將?huì)嚴(yán)重影響數(shù)控車(chē)床加工精度。在對(duì)相關(guān)操作人員的專業(yè)技術(shù)水平和實(shí)際操作能力進(jìn)行提升時(shí)，可以聘請(qǐng)專業(yè)人才采用培訓(xùn)方式，提升數(shù)控車(chē)床管理者和操作者的能力。在進(jìn)行車(chē)床操作時(shí)需要操作人員編程和了解圖紙，所以相關(guān)人員必須具備較高的數(shù)控機(jī)床編程能力和機(jī)械圖紙閱讀能力。除此之外，管理人員應(yīng)具備較高的管理能力、良好的協(xié)調(diào)及溝通能力，確保在后續(xù)操作過(guò)程中面對(duì)突發(fā)狀況時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行協(xié)調(diào)解決。此外，企業(yè)不能忽視對(duì)于內(nèi)部原有員工的培養(yǎng)，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有操作人員和技術(shù)人員的考核與培訓(xùn)，制定明確的賞罰制度，獎(jiǎng)勵(lì)操作能力強(qiáng)的員工，激勵(lì)其不斷學(xué)習(xí)，對(duì)于操作不合格且不改正的員工給予處罰，提升操作人員對(duì)數(shù)控車(chē)床專業(yè)技術(shù)的重視程度，激發(fā)員工自覺(jué)學(xué)習(xí)。

數(shù)控車(chē)床具備較高的自動(dòng)化水平，其操作依賴于預(yù)先編寫(xiě)的程序，加工精度受數(shù)據(jù)編程的影響。員工在進(jìn)行編程的過(guò)程中，應(yīng)該精確定位原點(diǎn)位置，在進(jìn)行程序編制時(shí)要嚴(yán)格遵循工藝基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、編程基準(zhǔn)原則，依據(jù)圖紙基準(zhǔn)進(jìn)行編程原點(diǎn)的設(shè)置。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，必須保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，合理安排具體工序，防止加工過(guò)程中出現(xiàn)誤差。在進(jìn)行工序編制過(guò)程中，全面分析毛坯變形、剛性、零件加工需求等要素，確定粗加工和精加工的比例與順序。

4 結(jié)論

隨著數(shù)控車(chē)床技術(shù)的提升，其在機(jī)械行業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，與傳統(tǒng)車(chē)床相比，數(shù)控車(chē)床具備加工精度高、自動(dòng)化程度高、多軸聯(lián)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，但在進(jìn)行零件加工中依舊存在誤差，相關(guān)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)數(shù)控車(chē)床加工精度影響因素的分析，提高良品率，降低廢品率。在數(shù)控車(chē)床技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)加大技術(shù)投入，使企業(yè)在同行業(yè)中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。