數(shù)控銑削加工精度與加工誤差分析

董金偉

（濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司計量質(zhì)檢中心，山東 濟(jì)南250101）

數(shù)控銑床就是按照加工要求預(yù)先編制程序，由數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)出數(shù)字量作為指令信息對工件進(jìn)行自動加工的銑床。在整個數(shù)字控制系統(tǒng)中，將主軸起停、主軸變速、進(jìn)退刀、刀具與工件相對位移等操作都用數(shù)字化來表示，大大的提高了整個加工過程中的穩(wěn)定性，從而提高了數(shù)控銑削的加工精度，減小了加工誤差。但是，由于存在數(shù)控銑床本身的精度和加工過程中的控制誤差，所以，提高加工精度和降低加工誤差仍是反映數(shù)控銑床加工能力的重要方面。

1 數(shù)控銑的基本工作原理

銑床的加工表面形狀一般是由直線、圓弧或其他曲線所組成。普通銑床操作者根據(jù)圖樣的要求，不斷改變刀具與工件之間的相對位置，再與選定的銑刀轉(zhuǎn)速相配合，使刀具對工件進(jìn)行銑削加工，便可加工出各種不同形狀的工件。數(shù)控機(jī)床加工是把刀具與工件的運(yùn)動坐標(biāo)分割成最小的單位量，即最小位移量，由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)工件程序的要求，使各坐標(biāo)移動若干個最小位移量，從而實現(xiàn)刀具與工件的相對運(yùn)動，以完成零件的加工。如圖1所示的凸輪曲線L，要求刀具T沿工件的曲線軌跡運(yùn)動進(jìn)行銑削加工。

圖1 數(shù)控機(jī)床加工曲線的原理

在數(shù)控銑床加工時，根據(jù)工件圖樣工藝要求，將銑床各運(yùn)動部件的移動量、速度及動作先后程序、主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及冷卻等要求，以規(guī)定的數(shù)控代碼形式編制程序單，并輸入到機(jī)床專用計算機(jī)中。然后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的指令，由機(jī)床專用計算機(jī)進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令，控制機(jī)床各個部分進(jìn)行規(guī)定的位移和有序的動作。由數(shù)控系統(tǒng)送出的指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和放大后，使伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪副(或直接)經(jīng)滾珠絲杠，驅(qū)動銑床K、Y(頭架滑板)和Z方向的工作臺。再與選定的主軸轉(zhuǎn)速相配合，便可加工出各種不同形狀的工件。

圖2 伺服電動機(jī)傳動原理

2 數(shù)控銑床系統(tǒng)誤差對加工誤差和加工精度的影響及補(bǔ)償

2.1 數(shù)銑工藝系統(tǒng)的幾何誤差

由于數(shù)控銑床系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的實際幾何參數(shù)和位置相對于理想幾何參數(shù)和位置也會發(fā)生偏離而引起誤差，所以也會存在幾何誤差。

例如螺距誤差，在數(shù)控銑床的定位精度主要取決于絲杠，目前使用的高精密滾珠絲杠也會存在一定的螺距誤差。為了減小這種影響，一般采用螺距誤差補(bǔ)償，主要是將某軸的實際運(yùn)動位置和高精度測量系統(tǒng)測量結(jié)果進(jìn)行對比，并記錄對比誤差，這樣數(shù)控系統(tǒng)可在該軸運(yùn)動到該位置時自動進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

又例如數(shù)控銑床關(guān)鍵部位加工精度決定了數(shù)銑工件的加工精度等級。目前簡易型數(shù)銑其最小運(yùn)動分辨率為0.01 mm，運(yùn)動精度和加工精度都在0.03 mm以下，超精密型用于特殊加工其精度可達(dá)0.001 mm以下。

由表1可以看出，定位精度和重復(fù)定位精度綜合反映了該軸在加工過程中是否穩(wěn)定可靠的工作。

表1 數(shù)控銑床精度特征

2.2 數(shù)銑工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差

數(shù)銑工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力、重力和慣性力等作用下會產(chǎn)生變形，從而破壞工藝系統(tǒng)各組成部分的相互位置關(guān)系，產(chǎn)生加工誤差并影響加工過程的穩(wěn)定性。其補(bǔ)償措施有：

（1）提高接觸剛度，改善機(jī)床主要零件接觸面的配合品質(zhì)，如機(jī)床導(dǎo)軌及裝配面進(jìn)行刮研。

（2）設(shè)輔助支承，提高局部剛度，如細(xì)長軸加工時采用跟刀架，提高切削時的剛度。

（3）采用補(bǔ)償或轉(zhuǎn)移變形的方法。

2.3 數(shù)銑工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差

在加工過程中，由于受切削熱、摩擦熱及工作場地周圍熱源的影響，工藝系統(tǒng)的溫度會產(chǎn)生復(fù)雜的變化。在各種熱源的作用下，工藝系統(tǒng)會發(fā)生變形，導(dǎo)致改變系統(tǒng)中各組成部分的正確相對位置，使工件與刀具的相對位置和相對運(yùn)動產(chǎn)生誤差。補(bǔ)償措施有：

（1）機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計采用對稱式結(jié)構(gòu)。

（2）采用主動控制方式均衡關(guān)鍵件的溫度。

（3）采用切削液進(jìn)行冷卻。

（4）加工前先讓機(jī)床空轉(zhuǎn)一段時間，使之達(dá)到熱平衡狀態(tài)后再加工。

（5）改變刀具及切削參數(shù)。

（6）大型或長工件，在夾緊狀態(tài)下應(yīng)使其末端能自由伸縮。

（7）熱變形補(bǔ)償，例如通過測量機(jī)床主要部件的溫度變化和熱變形量，建立熱變形量與溫度的函數(shù)式并輸入系統(tǒng)，在加工過程中通過溫度測量進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

3 數(shù)控編程工藝對加工誤差和加工精度的影響及補(bǔ)償措施

3.1 加工路線因素

（1）進(jìn)退刀方式對工件輪廓加工精度影響較大，由于存在刀具直徑、機(jī)床進(jìn)給速度突變等原因，所以盡可能采取圓弧切入切出。

（2）數(shù)銑加工盡量采用順銑，這樣有利于提高加工表面品質(zhì)，同時也可以提高刀具壽命。但有些情況下卻應(yīng)該采用逆銑的方式，例如工件表面有硬化或夾砂時，需要采用逆銑，這樣可以防止刀具損傷；加工非金屬材料特別是含纖維材料時，采用逆銑才可完全切斷纖維，獲得較高的加工精度，如圖3所示。

圖3 順銑和逆銑

（3）如圖4所示，在數(shù)銑孔的路線選擇中，如果對位置精度要求不高的話，應(yīng)選擇4（a）圖中所示的，雖然采用了最短加工路線，但會產(chǎn)生Y向誤差；如果對位置精度要求較高，則應(yīng)選擇4（b）圖中所示加工路線，雖然加工路線較長，但避免了Y向誤差。

圖4 數(shù)銑孔加工路線選擇

3.2 編程原點(diǎn)的確定

編程原點(diǎn)存在尺寸公差換算所引起的誤差，所以編程原點(diǎn)的選擇直接影響零件加工誤差和精度。補(bǔ)償措施有：

（1）為避免尺寸鏈換算，應(yīng)選取數(shù)值計算簡單的點(diǎn)。

（2）盡量選擇精度較高的表面。

（3）盡可能選擇設(shè)計基準(zhǔn)或工藝基準(zhǔn)。

4 工件本身和人為因素對數(shù)銑加工精度和加工誤差的影響和補(bǔ)償

4.1 工件內(nèi)應(yīng)力引起的加工誤差

內(nèi)應(yīng)力是工件自身的誤差因素。工件經(jīng)過冷熱加工后會產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力。通常情況下，內(nèi)應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，但對具有內(nèi)應(yīng)力的工件進(jìn)行加工時，工件原有的內(nèi)應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，從而使工件產(chǎn)生變形。補(bǔ)償措施有：

（1）合理設(shè)計零件結(jié)構(gòu)，設(shè)計零件時盡量簡化零件結(jié)構(gòu)。

（2）合理安排工藝過程，如粗精加工分開，使粗加工后有充足的時間讓內(nèi)應(yīng)力重新分布，保證工件充分變形，再經(jīng)精加工后，就可減少變形誤差。

（3）對工件進(jìn)行熱處理和時效處理。

4.2 測量誤差

在工序調(diào)整及加工過程中測量工件時，由于測量方法、量具精度及工件和環(huán)境溫度等因素對測量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響而產(chǎn)生的誤差，都統(tǒng)稱為測量誤差。

5 結(jié)束語

除了上述數(shù)銑機(jī)床本身系統(tǒng)誤差和編程工藝誤差和人為誤差外，還有其他一些因素，在實際的加工過程中都要考慮進(jìn)去，這就需要在進(jìn)行加工過程中，能夠了解并有效地限制這些因素，才能減小加工誤差，提高加工精度。

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