數(shù)控機(jī)床切削控制能力對(duì)機(jī)械加工精度的影響分析

賈清娟 賀明彬

（江蘇省射陽(yáng)中等專業(yè)學(xué)校，鹽城 224300）

機(jī)械加工精度即數(shù)控機(jī)床在加工過程中所能達(dá)到的精確程度，通常表現(xiàn)為工件尺寸的誤差或者形狀的偏差。機(jī)械加工精度的高低直接影響著加工零件的質(zhì)量、裝配的精度以及整體生產(chǎn)效率?；诖耍钊敕治鰯?shù)控機(jī)床的切削控制對(duì)機(jī)械加工精度的影響，提出優(yōu)化切削過程參數(shù)、改進(jìn)加工工藝以提高機(jī)械加工精度的策略，對(duì)于進(jìn)一步提升數(shù)控機(jī)床的加工精度和整體性能，推進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)高質(zhì)高效發(fā)展具有重要意義。

1 機(jī)械加工精度的影響因素

1.1 切削速度

數(shù)控機(jī)床切削速度指材料在與切削工具接觸時(shí)相對(duì)于切削工具的速度。加快切削速度可以一定程度上提高生產(chǎn)效率，但也會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生一定影響，主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面。第一，熱變形。當(dāng)切削速度過快時(shí)，刀具與工件之間會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，過高的熱量導(dǎo)致工件出現(xiàn)熱膨脹和刀具磨損，進(jìn)而造成加工精度下降[1]。第二，切削力。切削速度的加快會(huì)提高切削力，而切削力對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)和刀具穩(wěn)定性有一定的要求。若切削力超過機(jī)床或刀具的承載能力，會(huì)導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)變形、刀具振動(dòng)，從而降低加工精度。第三，加工表面質(zhì)量。切削速度過快易引發(fā)切削過程中的振動(dòng)和共振現(xiàn)象，影響加工表面的光潔度和粗糙度。高速切削還會(huì)加快刀具磨損，進(jìn)一步影響加工表面質(zhì)量[2]。

1.2 走刀量

切削走刀量指在加工過程中刀具沿著工件表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑，其在一定程度上影響著機(jī)械加工精度。若切削走刀量過大，會(huì)導(dǎo)致加工件的尺寸偏大或者尺寸不均勻，造成加工件與設(shè)計(jì)要求不符；若切削走刀量過小，會(huì)因?yàn)闊o法將材料完全切削而造成加工件尺寸偏小。當(dāng)切削走刀量較大時(shí)，切削力和熱量集中在較小的區(qū)域，可能引起加工件表面出現(xiàn)燒傷、劃痕等問題，導(dǎo)致表面粗糙度增加[3]。在數(shù)控加工中，切削走刀量的大小與工具路徑有關(guān)，若切削走刀量不合適，工具路徑可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)要求的輪廓，導(dǎo)致加工件形狀精度降低。

1.3 吃刀深度

切削吃刀深度指每次刀具接觸工件表面時(shí)切除的材料層厚度，其主要通過3 個(gè)方面影響機(jī)械加工精度。第一，切削吃刀深度過小，每次切削只能切除較薄的材料，需要進(jìn)行多次切削才能完成工件的加工。在此工況下，不僅增加加工時(shí)間，還容易產(chǎn)生累積誤差，降低加工精度[4]。第二，切削吃刀深度過大會(huì)導(dǎo)致切削力增加。切削力是切削過程中作用在刀具上的力，過大的切削力容易引起振動(dòng)和變形，導(dǎo)致工件表面質(zhì)量下降，甚至造成刀具破損。第三，切削吃刀深度過大會(huì)增加切削過程中的熱量積累，使切削溫度升高，從而增加材料變形的可能性[5]。同時(shí)，較大的切削吃刀深度會(huì)影響切削液的供給和排出，降低切削液的冷卻效果和潤(rùn)滑效果，進(jìn)一步影響加工精度。

2 加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床切削控制提高機(jī)械加工精度的措施

2.1 控制數(shù)控機(jī)床切削速度

切削速度過快或者過慢均會(huì)給機(jī)械加工精度帶來一定的不利影響，合理控制數(shù)控機(jī)床切削速度可以從5 個(gè)方面著手。

2.1.1 閉環(huán)控制

使用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)切削過程中的反饋信號(hào)，然后與設(shè)定值進(jìn)行比較并調(diào)整切削速度，從而控制切削精度。例如，監(jiān)測(cè)切削力或切削溫度，根據(jù)不同加工條件和材料性質(zhì)自動(dòng)調(diào)整切削速度，以保持切削精度穩(wěn)定。

2.1.2 智能切削

數(shù)控機(jī)床加工時(shí)相關(guān)感知數(shù)據(jù)如圖1 所示。使用先進(jìn)的算法和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)建立智能切削策略，根據(jù)工件材料、形狀、刀具性能等因素優(yōu)化切削參數(shù)，包括切削速度，使得加工過程更加高效和精確[6]。例如，采用自適應(yīng)切削速度策略，根據(jù)切削力變化實(shí)時(shí)調(diào)整切削速度，以保持精確加工。

圖1 數(shù)控機(jī)床加工時(shí)相關(guān)感知數(shù)據(jù)

2.1.3 動(dòng)態(tài)切削速度控制

在機(jī)械加工過程中，不同位置和角度的工件表面狀況可能會(huì)不同，因此可根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的工件表面質(zhì)量信息來動(dòng)態(tài)調(diào)整切削速度。例如，使用傳感器或成像技術(shù)檢測(cè)工件表面的光潔度、粗糙度等指標(biāo)，將信息反饋給數(shù)控系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)整切削速度，提高加工精度。

2.1.4 優(yōu)化切削參數(shù)

根據(jù)不同材料和加工要求分析材料的硬度、切削力等特性，確定合適的切削速度范圍。例如：加工硬質(zhì)合金材料時(shí)，將切削速度控制在100 m·min-1以上；對(duì)于高速鋼材料，優(yōu)化速度為70 m·min-1，以提高加工效率和精度[7]。

2.1.5 數(shù)控編程

借助合理的數(shù)控編程控制切削速度的變化，避免因速度突然改變導(dǎo)致出現(xiàn)振動(dòng)和共振問題。例如，在曲線切削或復(fù)雜輪廓加工時(shí)，編寫平滑過渡的切削路徑和合理的進(jìn)給速度曲線，避免加工過程中速度急劇變化，以提高加工精度和表面質(zhì)量。

2.2 控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)給量

過大的進(jìn)給量會(huì)導(dǎo)致切削力集中在刀具的特定區(qū)域，從而引起振動(dòng)和工件變形，造成切削不穩(wěn)定，降低加工質(zhì)量；過小的進(jìn)給量會(huì)因?yàn)闊o法充分利用切削速度而降低加工效率。因此，在選擇進(jìn)給量時(shí)，需要平衡加工效率和切削穩(wěn)定性之間的關(guān)系。首先，控制進(jìn)給量為0.15～0.30 mm·r-1，使切削力均勻分布在刀具上，減少振動(dòng)和工件變形的風(fēng)險(xiǎn)[8]。其次，對(duì)偏心工件進(jìn)行加工作業(yè)時(shí)，由于偏心工件的不均勻性會(huì)導(dǎo)致切削力不平衡，可能引起切削過程的不穩(wěn)定，可適當(dāng)降低切削速度和進(jìn)給率，以提升加工的穩(wěn)定性。當(dāng)工件變得圓整后，根據(jù)具體情況和切削工藝逐步調(diào)整進(jìn)給量，使加工效率最大化。最后，若加工的工件表面存在缺陷，則可在切削結(jié)束后反向移動(dòng)刀具，在工件表面再次切削，以較大的背吃刀量盡可能消除或修整工件表面的缺陷。當(dāng)表面質(zhì)量得到改善后，逐漸減小背吃刀量，使加工過程更加平穩(wěn)，保證加工精度。

2.3 控制數(shù)控機(jī)床單擺振動(dòng)問題

在數(shù)控機(jī)床切削控制中，將機(jī)床的單擺共振作為重點(diǎn)，對(duì)于降低對(duì)加工精度的影響具有重要意義。第一，減小主軸電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速或調(diào)整切削過程中的進(jìn)給速度來降低數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制切削力的作用和振動(dòng)幅度。第二，優(yōu)化刀具的選擇和切削參數(shù)的設(shè)定，適量減小切削深度并確保合適的幾何形狀，從而減少切削力，降低振動(dòng)幅度。第三，采用增加切削液的流量和壓力、提高切削液的冷卻效率等方式，有效降低切削溫度，減少切屑的黏附，避免切削力和振動(dòng)的產(chǎn)生。第四，檢查數(shù)控機(jī)床的各部件剛度，包括床身、主軸、進(jìn)給系統(tǒng)等，并及時(shí)修復(fù)和調(diào)整松動(dòng)或磨損的部件，以保證機(jī)床的穩(wěn)定性和剛性。第五，在數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)或工作臺(tái)上設(shè)置減振工具，如減振墊等，有效吸收和減少振動(dòng)的傳遞。同時(shí)，可以采用彈性補(bǔ)償裝置或減振設(shè)計(jì)來降低振動(dòng)對(duì)機(jī)床和工件的影響。第六，在數(shù)控機(jī)床常規(guī)加工過程中，結(jié)合機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性與加工要求設(shè)定靜態(tài)刀具路徑，如果加工件的外觀和型腔比較復(fù)雜，靜態(tài)加工路徑將會(huì)產(chǎn)生比較明顯的工件與刀具間的振動(dòng)，影響加工精度[9]。因此，在切削控制過程中可設(shè)置動(dòng)態(tài)刀具路徑。首先，利用傳感器等設(shè)備對(duì)刀具的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，結(jié)合信號(hào)處理和頻譜分析等方法獲取刀具振動(dòng)的頻率和幅值等參數(shù)。其次，提取和識(shí)別待加工工件表面的幾何特征，獲取工件的幾何形狀、表面曲率和紋理等信息。再次，根據(jù)刀具振動(dòng)數(shù)據(jù)和工件表面特征，結(jié)合切削力模型和機(jī)床動(dòng)態(tài)模型等，使用自適應(yīng)控制算法、模型預(yù)測(cè)控制等方法，調(diào)整刀具運(yùn)動(dòng)參數(shù)，使其盡量接近理想的穩(wěn)定狀態(tài)。最后，使用遺傳算法、粒子群算法等優(yōu)化算法優(yōu)化切削路徑，減少刀具與工件之間的振動(dòng)或共振，使刀具運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)和穩(wěn)定，提高機(jī)械加工的精度。第七，使用非標(biāo)刀具，如不等分銑刀和不等距銑刀，可以改變切削過程中刀具的幾何形狀和結(jié)構(gòu)，從而改變切削力分布，進(jìn)而改變機(jī)床-工件-刀具系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，減小切削過程的振動(dòng)，提高機(jī)械加工精度。對(duì)于非標(biāo)刀具，可以根據(jù)具體加工要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，在不等分銑刀中，可以優(yōu)化刀齒的形狀、角度和間距來調(diào)整刀具的切削性能，降低切削力波動(dòng)。在不等距銑刀中，可合理設(shè)計(jì)刀片的分布和排列方式，以減少切削過程中可能產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。對(duì)于特殊形狀的非標(biāo)刀具，需要改進(jìn)其在機(jī)床上的固定方式，使用更穩(wěn)定的夾具或定位裝置來確保刀具的穩(wěn)定性和精確定位，減少振動(dòng)的產(chǎn)生。根據(jù)加工要求，采用合適的加工策略。例如，在不等分銑刀中，合理選擇進(jìn)給路徑和切削路徑，避免切削過程中產(chǎn)生劇烈的載荷變化，減小振動(dòng)的可能性。

2.4 選用減振刀具

刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于減振效果起著關(guān)鍵作用，例如，采用中空結(jié)構(gòu)可以減輕刀具自身質(zhì)量，降低振動(dòng)產(chǎn)生的能量，調(diào)整刀具刃面和刀柄的幾何參數(shù)可以進(jìn)一步改善減振效果。因此，可從3 點(diǎn)優(yōu)化刀具設(shè)計(jì)，增強(qiáng)切削控制能力，降低對(duì)加工精度的影響。第一，將刀刃分為多個(gè)相鄰的片段，使每個(gè)片段的螺旋角度都不同。例如，將刀片劃分為奇數(shù)個(gè)片段，其中每?jī)蓚€(gè)相鄰片段的螺旋角度不同，保證每個(gè)刀片在切入材料時(shí)受到的力更加均勻，從而減小切削時(shí)的沖擊和振動(dòng)。根據(jù)切削材料的性質(zhì)和加工要求選擇不同的螺旋角度，較大的螺旋角度用于高速切削和硬質(zhì)材料，較小的螺旋角度用于較低切削速度和軟性材料。另外，對(duì)刀刃進(jìn)行表面處理，如采用特殊涂層或噴鍍膜等，提供更好的耐磨性和摩擦性能，從而減少切削時(shí)的波動(dòng)并減小摩擦力。還可以設(shè)計(jì)使用不等螺旋角、呈軸對(duì)稱分布的刀刃，使切削過程更加穩(wěn)定，減少切削力的波動(dòng)，并降低振動(dòng)對(duì)加工質(zhì)量的影響[10]。第二，在刀具內(nèi)部設(shè)計(jì)彈性體，有效降低切削過程中的振動(dòng)，并提高切削精度。彈性體作為一種能夠吸收和減少振動(dòng)傳遞的材料，當(dāng)?shù)毒呤艿酵饬ψ饔脮r(shí)，彈性體能夠通過其自身的柔軟性和彈性來吸收和分散振動(dòng)的能量，從而降低振動(dòng)對(duì)刀具的影響。第三，在切削過程中，由于摩擦等原因，刀具會(huì)產(chǎn)生熱量，熱量如果不能被及時(shí)帶走，會(huì)導(dǎo)致刀具溫度升高，降低刀具的切削性能。在減振刀頭的位置設(shè)計(jì)小孔，用于噴射切削液，保持刀具溫度在可控范圍內(nèi)，增強(qiáng)切削控制能力。同時(shí)，切削液具有潤(rùn)滑性能，有利于切屑的排出，減少切削力的消耗，提升加工精度和表面質(zhì)量。

3 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床的切削控制能力直接決定機(jī)械加工的形狀、尺寸、位置和表面質(zhì)量等方面的精度，良好的切削控制能力可以保證機(jī)械零件在加工過程中的各項(xiàng)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，從而提高工件的加工精度。為降低切削速度、走刀量、吃刀深度等切削控制參數(shù)對(duì)加工精度的影響，在生產(chǎn)加工過程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際調(diào)控切削速度，合理選取進(jìn)給量，并加強(qiáng)機(jī)床和刀具的振動(dòng)控制，提升數(shù)控機(jī)床切削控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。