數控銑床加工精度影響因素及解決對策研究
2023-11-24 來源： 蘇州工業園區職業技術學院 作者：楊 瀟
摘要：數控銑床是一種常用的加工設備，其加工精度受多種因素的影響，若不能對其進行適當的處理，就會使被加工的零件尺寸和形狀無法達到設計的要求，從而對成品的質量產生不利的影響。為了克服上述問題，數控銑床操作人員必須全面認識影響數控銑床加工精度的各種因素，本文基于大量實際加工后，對影響數控銑床精度的各種因素進行分析，采取適當的措施以減少或消除這些影響，以達到提高銑削工件精度的目標。
關鍵詞：數控銑床；加工精度；影響因素；解決對策
一、引言
在數控銑床加工時，如果工件在加工過程中發生了精度問題，將會使工件的尺寸產生各種各樣的問題。比如，如果生產出來的產品與設計圖所規定的尺寸有很大偏差，產品的粗糙度沒有達到設計的標準，從而影響了產品的后續使用。如果是生產廠家，生產出的產品數量龐大，將對公司的信譽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品精度的因素，分析造成這些因素的原因，并進行不斷地改善，排除上述影響因素，如果影響到多個因素，則應采用控制變量的方法。而對于數控銑床操作人員在操作過程中遇到的人為干擾，則需要進行分析，并給出相應的解決辦法，以減少對加工造成的不利影響，提高產品的加工質量和效率。
二、數控銑床相關概述
（一）數控銑的基本工作原理
銑床的加工表面通常由直線、圓弧或其他曲線構成。一般銑床操作人員按照圖紙上的要求，不斷地調整刀具與工件的相對位置，并與所選擇的銑刀速度匹配，從而實現對工件的銑削，可以根據需要，加工成各種形狀的零件。數控銑床加工是將刀具和工件之間的運動坐標分解為最小的單元，也就是最小的位移量，然后通過 數控系統對各個坐標進行多個最小位移，這樣就可以使刀具和工件之間的相對移動來完成加工。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銑削。
圖 1 數控銑床加工曲線原理
在數控銑床上，按制件圖紙工藝要求，對銑床各個動作零件的移動量、速度、動作順序、主軸轉速進行分析；根據所需的轉向、冷卻等，編寫相應的編程指令，并將其錄入專用銑床上。然后，數控系統在計算機上對輸入的指令進行編譯、運算、邏輯運算，并輸出各種信號和指令，并對機床各部件進行預定的位移和有序運動。數控系統輸出指令，經過驅動電路控制和放大，使伺服電機旋轉，并經由滾珠螺桿，帶動銑床 K、Y 及 Z 方向的工作臺。然后根據所選擇的主軸轉速，進行各種形狀的工件的加工。
（二）數控銑床構成和加工特征
數控銑床也叫 CNC 銑床，是一種以傳統手工銑床為基礎，經過優化而產生的一種新型數控加工設備。數控銑床在機械設計上和常規手工銑床具有相似構造。數控銑床分為有刀庫和無刀庫。數控銑床配有刀庫，稱為數控銑床加工中心。數控銑床通常包括：床身、銑頭、工作臺、橫向進給、升降臺分、冷卻、潤滑等部分。數控銑床具有適應性強、尺寸大、精度高的特點，其工作臺寬度不超過 400 mm，適合于小型、中型、復雜曲面的銑削。
三、數控銑床加工精度影響因素
（一）刀具補償和刀具路徑設置不當
由于銑床自身尺寸的局限性，在數控銑床上需要設定刀具補償值，以便系統能根據機床的大小，調節各個坐標的位移，從而達到程序尺寸的要求。若不正確地設定刀具的補償，將導致加工誤差。另外，在設定刀具軌跡時，要充分考慮刀具的大小，以避免過切。根據刀具半徑補償在工件的拐角上的加工方法，通常將其分為 B 型刀補和 C 型刀補兩類。
從圖 2（a）可以看出，B 型刀補在加工工件的邊角時，使用了圓弧過渡，使刀具沿著 AB 圓弧進行切割，使其在外轉角時，刀片一直與工件接觸，刀片總是處于切割狀態，這樣會造成工件的銳角磨損，也會加速刀具的磨損。C 型刀補采用了刀偏計算，該方法可以自動求出角度的交叉。D，如圖2（b）中所示，在數控系統的控制下，采用直線切割加工，不會出現過切，這樣就可以很好地解決 B 型刀補的缺點。C型刀補是目前許多數控系統中常用類型。
圖 2 刀具補償拐角的過渡方式
（二）工件裝夾誤差
在加工之前，必須保證工件的夾裝穩定，以保證在加工時，不會因為受到外力作用而產生位移和震動，從而影響到加工的準確性。然而，在實際生產中，由于夾持位置、重力和支撐物等因素，導致實際位置無法達到預期位置。圖 3 中的工件因夾緊不當而造成的錯位，應盡可能地避免。在實際安裝時，為了防止與圖 4 相似的夾緊誤差，應該將夾緊位置設置在由定位元件組成的極限支持平面之內，并且盡量接近工件加工位置和硬度高的位置，從而降低加工震動對工件
的定位。
圖 3 工件裝夾不當
（三）溫度影響
現代銑床的傳動機構大大簡化，主軸是機床的核心部分，是影響加工精度的主要影響因素。機床主軸所產生的熱量會直接影響到主軸旋轉和工件的加工精度，特別是在主軸轉速較高時，更易導致工件的加工誤差。系統的發熱會對加工精度產生一定的影響，包括切削發熱和摩擦發熱。在銑削加工中，刀具切割工件時，會產生大量熱量，特別是在高速加工時，熱量較大。這種熱能主要通過切削液和切屑來吸收，少量積累到刀具和工件上，從而產生熱量，對加工精度的影響不大。在主軸高速轉動時，由于主軸的摩擦，會產生大量的熱，從而導致主軸溫度不均勻，結果表明，機床的主軸軸線升高、傾斜，嚴重地影響了機床的加工精度。
（四）擬合誤差
在實際生產中，由于工藝條件、銑削方法、刀具等因素的限制，某些輪廓、曲面在精加工過程中往往會出現以零件圖樣為基礎，但最終的加工效果并不理想的情形。目前，大部分數控系統都不具備非圓曲線的插補功能，因此一般都是采用直線擬合法或圓弧擬合來實現。等距擬合法是目前應用最廣泛的一種非圓曲線擬合方法。節點坐標值的計算采用數控銑床對三軸曲面零件進行精加工，一般采用球銑刀具。一般而言，無論刀具路徑如何設定，只要將球銑刀的中心點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確。在實際生產中，可以采用增大擬合結點數目、減少擬合線段長等措施來提高加工精度，但這會使程序編制和加工時間大大延長。
四、數控銑床加工零件精度問題解決方法
（一）毛坯夾裝基準面定位
為了提高機床的加工精度，可以通過準確定位基準面來減少工件誤差。采用這種方法來減小測量誤差時，必須準確地確定基準面，并將已加工的表面用作參考面，以減少加工誤差，改善數控銑削加工的精確度。由于數控銑床在加工工件時，經常會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，加工時的精度也會下降。機床操作人員只需確定基準面的位置，就能解決加工精度問題，同時也能使操作人員對工件的尺寸進行測量，提高加工精度。
（二）采取措施控制設備的溫度
當前，許多數控機床的主體缺少配套散熱措施。在數控銑削零件時，各支座之間存在著一定的摩擦，從而產生大量熱量。機床主體發熱和銑削時工件與工件間摩擦所產生的熱是相互影響的。在此情況下，若不能及時將熱能排出，則被加工的工件將會發生變形。在高溫下，零件的外形會發生不規則的變化，引起零件內部不穩定，從而引起銑床各個零件產生故障，降低銑床的加工精度。因此，必須在數控銑床上加裝適當的散熱器，增加其散熱面積。數控銑床在工作時，可以自動散熱，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）在零件加工過程中做誤差補償
利用數控銑床進行銑削時，存在著零件精度問題，從而對零件的加工質量造成一定的影響。若要降低加工過程中的誤差，提高加工精度，可以采用誤差補償方法。零件設計者和機床操作人員應根據工件和機床的具體條件，對數控系統進行相應的補償函數參數的設定，對加工過程中 X、Y、Z 軸上的誤差進行有效補償。必須依據數控銑床的實際條件，對不同的補償方法進行科學、合理地用。如果有條件，可以采用相應的軟件和硬件，對其進行測量，從而改善加工質量，減少誤差。下面兩種方法可以用于進行誤差補償。
1. 當數控銑床的操作系統出現逆向偏差時，必須對其進行誤差補償，數控銑床在加工過程中會產生逆向偏差，從而降低了加工的精度。為解決此問題，在加工初期，利用數控程序對部分零件進行定位，以達到誤差補償和消除逆向偏差的目的，從而保證了數控銑床的精確性。
2. 利用數控程序，可以在銑削過程中精確地進行定位，也可以在不影響銑床的基礎上完成對數控銑床的插補。為了減少加工誤差，提高加工精度，對銑床的加工精度起到了很好的補充作用。同時，通過數控系統編程，可以不斷增強數控系統性能，當輸入調節指令后，數控系統可以讀取和識別反向間隙相關的參數，在此基礎上，通過持續動態調整，實現精確定位，提高銑床的加工精度。
五、結語
隨著數控銑床在實際生產中的應用日益增多，數控技術人員必須在實際工作中不斷地反思、總結，不斷地積累經驗，把所學的知識與技能結合起來，只有這樣，才能真正地掌握數控加工的實際操作技巧，才能使其實現高精度、高效率、高難度的加工，從而真正地發揮數控銑床的優越性。
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