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數(shù)控銑床加工精度影響因素及解決對(duì)策研究

2023-11-24 來(lái)源：蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院作者：楊瀟

摘要：數(shù)控銑床是一種常用的加工設(shè)備，其加工精度受多種因素的影響，若不能對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，就?huì)使被加工的零件尺寸和形狀無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，從而對(duì)成品的質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。為了克服上述問(wèn)題，數(shù)控銑床操作人員必須全面認(rèn)識(shí)影響數(shù)控銑床加工精度的各種因素，本文基于大量實(shí)際加工后，對(duì)影響數(shù)控銑床精度的各種因素進(jìn)行分析，采取適當(dāng)?shù)拇胧┮詼p少或消除這些影響，以達(dá)到提高銑削工件精度的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；加工精度；影響因素；解決對(duì)策

一、引言

在數(shù)控銑床加工時(shí)，如果工件在加工過(guò)程中發(fā)生了精度問(wèn)題，將會(huì)使工件的尺寸產(chǎn)生各種各樣的問(wèn)題。比如，如果生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)圖所規(guī)定的尺寸有很大偏差，產(chǎn)品的粗糙度沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，從而影響了產(chǎn)品的后續(xù)使用。如果是生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)出的產(chǎn)品數(shù)量龐大，將對(duì)公司的信譽(yù)和效益造成很大的影響。所以，制造廠商要不斷地注意各種影響產(chǎn)品精度的因素，分析造成這些因素的原因，并進(jìn)行不斷地改善，排除上述影響因素，如果影響到多個(gè)因素，則應(yīng)采用控制變量的方法。而對(duì)于數(shù)控銑床操作人員在操作過(guò)程中遇到的人為干擾，則需要進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的解決辦法，以減少對(duì)加工造成的不利影響，提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量和效率。

二、數(shù)控銑床相關(guān)概述

（一）數(shù)控銑的基本工作原理

銑床的加工表面通常由直線、圓弧或其他曲線構(gòu)成。一般銑床操作人員按照?qǐng)D紙上的要求，不斷地調(diào)整刀具與工件的相對(duì)位置，并與所選擇的銑刀速度匹配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的銑削，可以根據(jù)需要，加工成各種形狀的零件。數(shù)控銑床加工是將刀具和工件之間的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)分解為最小的單元，也就是最小的位移量，然后通過(guò) 數(shù)控系統(tǒng)對(duì)各個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行多個(gè)最小位移，這樣就可以使刀具和工件之間的相對(duì)移動(dòng)來(lái)完成加工。如在圖 1 中所示的 L 型凸輪曲線，刀具 T 需要沿著所述工件的曲線軌跡來(lái)銑削。

圖 1 數(shù)控銑床加工曲線原理

在數(shù)控銑床上，按制件圖紙工藝要求，對(duì)銑床各個(gè)動(dòng)作零件的移動(dòng)量、速度、動(dòng)作順序、主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析；根據(jù)所需的轉(zhuǎn)向、冷卻等，編寫相應(yīng)的編程指令，并將其錄入專用銑床上。然后，數(shù)控系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上對(duì)輸入的指令進(jìn)行編譯、運(yùn)算、邏輯運(yùn)算，并輸出各種信號(hào)和指令，并對(duì)機(jī)床各部件進(jìn)行預(yù)定的位移和有序運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)輸出指令，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制和放大，使伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)由滾珠螺桿，帶動(dòng)銑床 K、Y 及 Z 方向的工作臺(tái)。然后根據(jù)所選擇的主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)行各種形狀的工件的加工。

（二）數(shù)控銑床構(gòu)成和加工特征

數(shù)控銑床也叫 CNC 銑床，是一種以傳統(tǒng)手工銑床為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化而產(chǎn)生的一種新型數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控銑床在機(jī)械設(shè)計(jì)上和常規(guī)手工銑床具有相似構(gòu)造。數(shù)控銑床分為有刀庫(kù)和無(wú)刀庫(kù)。數(shù)控銑床配有刀庫(kù)，稱為數(shù)控銑床加工中心。數(shù)控銑床通常包括：床身、銑頭、工作臺(tái)、橫向進(jìn)給、升降臺(tái)分、冷卻、潤(rùn)滑等部分。數(shù)控銑床具有適應(yīng)性強(qiáng)、尺寸大、精度高的特點(diǎn)，其工作臺(tái)寬度不超過(guò) 400 mm，適合于小型、中型、復(fù)雜曲面的銑削。

三、數(shù)控銑床加工精度影響因素

（一）刀具補(bǔ)償和刀具路徑設(shè)置不當(dāng)

由于銑床自身尺寸的局限性，在數(shù)控銑床上需要設(shè)定刀具補(bǔ)償值，以便系統(tǒng)能根據(jù)機(jī)床的大小，調(diào)節(jié)各個(gè)坐標(biāo)的位移，從而達(dá)到程序尺寸的要求。若不正確地設(shè)定刀具的補(bǔ)償，將導(dǎo)致加工誤差。另外，在設(shè)定刀具軌跡時(shí)，要充分考慮刀具的大小，以避免過(guò)切。根據(jù)刀具半徑補(bǔ)償在工件的拐角上的加工方法，通常將其分為 B 型刀補(bǔ)和 C 型刀補(bǔ)兩類。

從圖 2（a）可以看出，B 型刀補(bǔ)在加工工件的邊角時(shí)，使用了圓弧過(guò)渡，使刀具沿著 AB 圓弧進(jìn)行切割，使其在外轉(zhuǎn)角時(shí)，刀片一直與工件接觸，刀片總是處于切割狀態(tài)，這樣會(huì)造成工件的銳角磨損，也會(huì)加速刀具的磨損。C 型刀補(bǔ)采用了刀偏計(jì)算，該方法可以自動(dòng)求出角度的交叉。D，如圖2（b）中所示，在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，采用直線切割加工，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)切，這樣就可以很好地解決 B 型刀補(bǔ)的缺點(diǎn)。C型刀補(bǔ)是目前許多數(shù)控系統(tǒng)中常用類型。

圖 2 刀具補(bǔ)償拐角的過(guò)渡方式

（二）工件裝夾誤差

在加工之前，必須保證工件的夾裝穩(wěn)定，以保證在加工時(shí)，不會(huì)因?yàn)槭艿酵饬ψ饔枚a(chǎn)生位移和震動(dòng)，從而影響到加工的準(zhǔn)確性。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，由于夾持位置、重力和支撐物等因素，導(dǎo)致實(shí)際位置無(wú)法達(dá)到預(yù)期位置。圖 3 中的工件因夾緊不當(dāng)而造成的錯(cuò)位，應(yīng)盡可能地避免。在實(shí)際安裝時(shí)，為了防止與圖 4 相似的夾緊誤差，應(yīng)該將夾緊位置設(shè)置在由定位元件組成的極限支持平面之內(nèi)，并且盡量接近工件加工位置和硬度高的位置，從而降低加工震動(dòng)對(duì)工件

的定位。

圖 3 工件裝夾不當(dāng)

（三）溫度影響

現(xiàn)代銑床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，主軸是機(jī)床的核心部分，是影響加工精度的主要影響因素。機(jī)床主軸所產(chǎn)生的熱量會(huì)直接影響到主軸旋轉(zhuǎn)和工件的加工精度，特別是在主軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，更易導(dǎo)致工件的加工誤差。系統(tǒng)的發(fā)熱會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生一定的影響，包括切削發(fā)熱和摩擦發(fā)熱。在銑削加工中，刀具切割工件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，特別是在高速加工時(shí)，熱量較大。這種熱能主要通過(guò)切削液和切屑來(lái)吸收，少量積累到刀具和工件上，從而產(chǎn)生熱量，對(duì)加工精度的影響不大。在主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于主軸的摩擦，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，從而導(dǎo)致主軸溫度不均勻，結(jié)果表明，機(jī)床的主軸軸線升高、傾斜，嚴(yán)重地影響了機(jī)床的加工精度。

（四）擬合誤差

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于工藝條件、銑削方法、刀具等因素的限制，某些輪廓、曲面在精加工過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)以零件圖樣為基礎(chǔ)，但最終的加工效果并不理想的情形。目前，大部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)都不具備非圓曲線的插補(bǔ)功能，因此一般都是采用直線擬合法或圓弧擬合來(lái)實(shí)現(xiàn)。等距擬合法是目前應(yīng)用最廣泛的一種非圓曲線擬合方法。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值的計(jì)算采用數(shù)控銑床對(duì)三軸曲面零件進(jìn)行精加工，一般采用球銑刀具。一般而言，無(wú)論刀具路徑如何設(shè)定，只要將球銑刀的中心點(diǎn)定位在被加工的曲面等距表面，就可以得到滿足所需的零件；然而，由于擬合誤差，使得所有精加工零件都不能完全準(zhǔn)確。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以采用增大擬合結(jié)點(diǎn)數(shù)目、減少擬合線段長(zhǎng)等措施來(lái)提高加工精度，但這會(huì)使程序編制和加工時(shí)間大大延長(zhǎng)。

四、數(shù)控銑床加工零件精度問(wèn)題解決方法

（一）毛坯夾裝基準(zhǔn)面定位

為了提高機(jī)床的加工精度，可以通過(guò)準(zhǔn)確定位基準(zhǔn)面來(lái)減少工件誤差。采用這種方法來(lái)減小測(cè)量誤差時(shí)，必須準(zhǔn)確地確定基準(zhǔn)面，并將已加工的表面用作參考面，以減少加工誤差，改善數(shù)控銑削加工的精確度。由于數(shù)控銑床在加工工件時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到各種形狀的工件，如圓柱、方形、球面等。由于其自身的誤差比較大，加工時(shí)的精度也會(huì)下降。機(jī)床操作人員只需確定基準(zhǔn)面的位置，就能解決加工精度問(wèn)題，同時(shí)也能使操作人員對(duì)工件的尺寸進(jìn)行測(cè)量，提高加工精度。

（二）采取措施控制設(shè)備的溫度

當(dāng)前，許多數(shù)控機(jī)床的主體缺少配套散熱措施。在數(shù)控銑削零件時(shí)，各支座之間存在著一定的摩擦，從而產(chǎn)生大量熱量。機(jī)床主體發(fā)熱和銑削時(shí)工件與工件間摩擦所產(chǎn)生的熱是相互影響的。在此情況下，若不能及時(shí)將熱能排出，則被加工的工件將會(huì)發(fā)生變形。在高溫下，零件的外形會(huì)發(fā)生不規(guī)則的變化，引起零件內(nèi)部不穩(wěn)定，從而引起銑床各個(gè)零件產(chǎn)生故障，降低銑床的加工精度。因此，必須在數(shù)控銑床上加裝適當(dāng)?shù)纳崞鳎黾悠渖崦娣e。數(shù)控銑床在工作時(shí)，可以自動(dòng)散熱，減少銑床工作溫度和工件變形，減少加工誤差，提高加工部件的精確度。

（三）在零件加工過(guò)程中做誤差補(bǔ)償

利用數(shù)控銑床進(jìn)行銑削時(shí)，存在著零件精度問(wèn)題，從而對(duì)零件的加工質(zhì)量造成一定的影響。若要降低加工過(guò)程中的誤差，提高加工精度，可以采用誤差補(bǔ)償方法。零件設(shè)計(jì)者和機(jī)床操作人員應(yīng)根據(jù)工件和機(jī)床的具體條件，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償函數(shù)參數(shù)的設(shè)定，對(duì)加工過(guò)程中 X、Y、Z 軸上的誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償。必須依據(jù)數(shù)控銑床的實(shí)際條件，對(duì)不同的補(bǔ)償方法進(jìn)行科學(xué)、合理地用。如果有條件，可以采用相應(yīng)的軟件和硬件，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，從而改善加工質(zhì)量，減少誤差。下面兩種方法可以用于進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

1. 當(dāng)數(shù)控銑床的操作系統(tǒng)出現(xiàn)逆向偏差時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行誤差補(bǔ)償，數(shù)控銑床在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生逆向偏差，從而降低了加工的精度。為解決此問(wèn)題，在加工初期，利用數(shù)控程序?qū)Σ糠至慵M(jìn)行定位，以達(dá)到誤差補(bǔ)償和消除逆向偏差的目的，從而保證了數(shù)控銑床的精確性。

2. 利用數(shù)控程序，可以在銑削過(guò)程中精確地進(jìn)行定位，也可以在不影響銑床的基礎(chǔ)上完成對(duì)數(shù)控銑床的插補(bǔ)。為了減少加工誤差，提高加工精度，對(duì)銑床的加工精度起到了很好的補(bǔ)充作用。同時(shí)，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)編程，可以不斷增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)性能，當(dāng)輸入調(diào)節(jié)指令后，數(shù)控系統(tǒng)可以讀取和識(shí)別反向間隙相關(guān)的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)持續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精確定位，提高銑床的加工精度。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著數(shù)控銑床在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用日益增多，數(shù)控技術(shù)人員必須在實(shí)際工作中不斷地反思、總結(jié)，不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，把所學(xué)的知識(shí)與技能結(jié)合起來(lái)，只有這樣，才能真正地掌握數(shù)控加工的實(shí)際操作技巧，才能使其實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高難度的加工，從而真正地發(fā)揮數(shù)控銑床的優(yōu)越性。

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