超精密零件加工技術(shù)控制探討

馮洪華，曾增權(quán)，鄭啟貴

（珠海格力精密模具有限公司，廣東珠海 519070）

1 引言

超精密加工體現(xiàn)了工業(yè)的實(shí)力，對(duì)于工業(yè)加工精度和穩(wěn)定性的研究一直是世界加工領(lǐng)域的難題。在這個(gè)問(wèn)題上，現(xiàn)階段的加工控制方式已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是在影響因素和評(píng)價(jià)方法上，依然有很多應(yīng)用需要改進(jìn)和完善[1]。

2 測(cè)試環(huán)境溫度對(duì)機(jī)床加工精度的影響

測(cè)試環(huán)境溫度對(duì)機(jī)床加工精度的影響，在同一時(shí)間內(nèi)，從復(fù)測(cè)試定位精度，如圖1所示。

（1）現(xiàn)象分析：要實(shí)現(xiàn)精度要在±0.005mm的加工精度，加工環(huán)境必需控制在恒溫22℃。

圖1 定位精度測(cè)試

（2）解決方法：作以下操作，消除冷機(jī)與熱機(jī)時(shí)的精度誤差，如圖2所示。

注意事項(xiàng)：①坐標(biāo)的建立在工作臺(tái)中間；②根據(jù)機(jī)床行程進(jìn)行更改XY的范圍。

圖2 消除冷熱機(jī)時(shí)精度誤差

3 測(cè)試主軸加工發(fā)熱后，加工精度的變化

經(jīng)測(cè)試，主軸在停機(jī)啟動(dòng)后預(yù)熱10s對(duì)刀后進(jìn)行加工，與預(yù)熱180s后進(jìn)行對(duì)刀進(jìn)行加工，分別要同一平面上進(jìn)行加工，檢測(cè)出預(yù)熱180s后進(jìn)行對(duì)刀加工的，兩臺(tái)階相差0.005mm 左右。當(dāng)預(yù)熱180s 后，再曾加預(yù)熱250s，加工出來(lái)的結(jié)果不變，在0.001mm的范圍內(nèi)。

現(xiàn)象分析：精加工前先預(yù)熱主軸，確保加工過(guò)程中不會(huì)因主軸因溫度變化，而導(dǎo)致到加工過(guò)程中Z方向的精度發(fā)生變化。

解決方法：采取圖3所示的方法進(jìn)行補(bǔ)正。

圖3 補(bǔ)正方法

注意：后處理出來(lái)的NC 程式默認(rèn)為10s，所以編程員需要在NC程式中手動(dòng)更改。

4 消除過(guò)數(shù)誤差

用探頭分中過(guò)數(shù)后，在四周加工基準(zhǔn)，分別檢測(cè)各臺(tái)階的值，檢測(cè)實(shí)際加工與過(guò)數(shù)的誤差。

實(shí)際的加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，分中加工四周，分別檢測(cè)四周臺(tái)階，如果過(guò)數(shù)與加工一致的，臺(tái)階的檢測(cè)數(shù)應(yīng)該是一樣的。但是，如圖4所示，臺(tái)階有誤差，分中過(guò)數(shù)的誤差達(dá)0.002～0.014mm。

圖4 臺(tái)階誤差

解決方法：測(cè)試臺(tái)階修正。對(duì)正和臺(tái)階的相對(duì)值，然后按相差值進(jìn)行補(bǔ)償：

（1）當(dāng)-0.05mm 余量加工出臺(tái)階后，利用機(jī)床的在機(jī)檢測(cè)功能，用光電探頭檢測(cè)四周分中的數(shù)值。

（2）再用千分表檢測(cè)四周臺(tái)階差的對(duì)稱程度。

（3）結(jié)合在機(jī)檢測(cè)與千分表測(cè)數(shù)來(lái)判斷本工序是否存過(guò)數(shù)誤差。當(dāng)發(fā)生偏中時(shí)，把偏中數(shù)在機(jī)床上偏置回來(lái)后，再-0.10mm 加工基準(zhǔn)。加工完后，從新按上述方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

（4）如果檢驗(yàn)結(jié)果還是偏位，繼續(xù)在原負(fù)量的基礎(chǔ)上，再-0.05mm加工，直至檢驗(yàn)合格為止。

5 消除檢測(cè)誤差

校正探頭，在機(jī)檢測(cè)過(guò)程中探頭起到了關(guān)系性的作用，所以探頭精度必須控制，每一次從刀庫(kù)里取出來(lái)都需要檢測(cè)同心度，利用千分表進(jìn)行檢測(cè)，同心度需要效正到0.002mm的范圍內(nèi)。

加工前先檢測(cè)探頭分中偏差：

（1）先用千分表校驗(yàn)探頭同軸度，精度要求在2μm 內(nèi)。

（2）再用探頭分中校正規(guī)外圓，得出圓心位置坐標(biāo)值（記錄此時(shí)探頭角度位置）。

（3）然后機(jī)頭歸圓心點(diǎn)，用千分表手動(dòng)拉表外圓，觀察圓度跳動(dòng)。

（4）手動(dòng)調(diào)整機(jī)頭位置點(diǎn)，校正圓度跳動(dòng)在3μm 內(nèi)。

（5）記錄誤差值，探頭分中后進(jìn)行坐標(biāo)值補(bǔ)償。

6 消除刀具誤差

用6R0.5mm 的刀具加工平面時(shí)，如圖5 所示，正常參數(shù)會(huì)產(chǎn)生振刀紋。試驗(yàn)更改參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)毒唛L(zhǎng)度大于4 倍，且余量少于0.04mm 加工時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這和現(xiàn)象。

圖5 振刀紋

現(xiàn)象分析與解決方法：為了避免零件在加工過(guò)程中變形，使用6R0.5mm的刀具加工，刀具較小，剛性不足，所以將刀具長(zhǎng)度按制在4倍以下，盡可能裝短，并調(diào)整加工參數(shù)。效果如下：

（1）一方面，購(gòu)買(mǎi)的刀具存在一定加工誤差，所以當(dāng)加工精密零件時(shí)，要求現(xiàn)場(chǎng)挑選和使用精度在±0.005mm公差范圍內(nèi)的刀具。

（2）另一方面，采用左補(bǔ)償?shù)姆椒ǎㄟ^(guò)機(jī)床的對(duì)刀儀進(jìn)行刀具的檢測(cè)，測(cè)出來(lái)的誤差值，再通過(guò)機(jī)床的左補(bǔ)償功能，進(jìn)行對(duì)刀路軌跡的補(bǔ)正，從而現(xiàn)實(shí)對(duì)小于5°的陡峭面精度控制在±0.005mm的加工技術(shù)。

左補(bǔ)償?shù)墓δ苁切露鄼C(jī)床都具備的，指令是G43。但是，以往使用時(shí)只局限于人工手動(dòng)輸入相對(duì)應(yīng)的值進(jìn)行補(bǔ)償再進(jìn)行加工，使用不方便也不夠智能，所以在模具加工行業(yè)基本上不用。

所以提出在加工時(shí)，進(jìn)行刀具直徑的檢測(cè)后，機(jī)床按照檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行與理論值進(jìn)行求差，得出誤差值自動(dòng)輸入到機(jī)床的相應(yīng)的IP地址，調(diào)用程序時(shí)自動(dòng)執(zhí)行左補(bǔ)償?shù)墓δ?，從而現(xiàn)實(shí)精度控制在±0.005mm的加工技術(shù)。

經(jīng)過(guò)羅德斯機(jī)床的工程師和編程軟件的工程師的共同努力下，終于實(shí)現(xiàn)羅德斯機(jī)床的左補(bǔ)償功能，可以現(xiàn)實(shí)自動(dòng)檢測(cè)刀具直徑的誤差值，實(shí)現(xiàn)左補(bǔ)償自動(dòng)補(bǔ)正功能。因左補(bǔ)償是以2D 的方式進(jìn)行的，所以只對(duì)小于5°的陡峭面效果較好。

數(shù)控加工刀具直徑有誤差，要加工出超高精零件必須要半徑左補(bǔ)償，但在NC 里半徑左補(bǔ)償有很多限制，不然很容易出錯(cuò)。

以下是左補(bǔ)償使用規(guī)范：

（1）限制只有等高策略（不能用螺旋下刀）才能使用半徑左補(bǔ)償。

（2）只能用于順銑加工。

（3）只能用于純直身和5°以下的斜頂（不能有R角）。

（4）在NC里刀具補(bǔ)償?shù)陌霃竭x“左”。

（5）所有用了左補(bǔ)償?shù)牡堵?，都要把編程公差設(shè)為0.001mm。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以得知，數(shù)控超精密加工過(guò)程中，機(jī)床自身加工精度、刀具切削力、刀具擺動(dòng)、磨損量、程序參數(shù)等因素都會(huì)對(duì)超精密加工最終結(jié)果產(chǎn)生一定影響。因此，提升數(shù)控加工精度應(yīng)該從多個(gè)角度入手，通過(guò)選用合理控制方法，根據(jù)加工需求與數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)，進(jìn)行合理編程，從系統(tǒng)上提升加工精確度。此外，實(shí)際加工路線對(duì)于數(shù)控加工機(jī)床的加工效果也有著重要影響，刀具進(jìn)退以及具體加工方式如果不得當(dāng)，都會(huì)導(dǎo)致加工零件達(dá)不到預(yù)期超精密加工效果。本文提出的其中幾點(diǎn)要素及解決方案，希望能對(duì)同行有所幫助，共同推進(jìn)我國(guó)機(jī)加工行業(yè)健康發(fā)展。