数控铣床加工精度影响因素及解决对策研究
2023-11-24 来源： 苏州工业园区职业技术学院 作者：杨 潇
摘要：数控铣床是一种常用的加工设备，其加工精度受多种因素的影响，若不能对其进行适当的处理，就会使被加工的零件尺寸和形状无法达到设计的要求，从而对成品的质量产生不利的影响。为了克服上述问题，数控铣床操作人员必须全面认识影响数控铣床加工精度的各种因素，本文基于大量实际加工后，对影响数控铣床精度的各种因素进行分析，采取适当的措施以减少或消除这些影响，以达到提高铣削工件精度的目标。
关键词：数控铣床；加工精度；影响因素；解决对策
一、引言
在数控铣床加工时，如果工件在加工过程中发生了精度问题，将会使工件的尺寸产生各种各样的问题。比如，如果生产出来的产品与设计图所规定的尺寸有很大偏差，产品的粗糙度没有达到设计的标准，从而影响了产品的后续使用。如果是生产厂家，生产出的产品数量庞大，将对公司的信誉和效益造成很大的影响。所以，制造厂商要不断地注意各种影响产品精度的因素，分析造成这些因素的原因，并进行不断地改善，排除上述影响因素，如果影响到多个因素，则应采用控制变量的方法。而对于数控铣床操作人员在操作过程中遇到的人为干扰，则需要进行分析，并给出相应的解决办法，以减少对加工造成的不利影响，提高产品的加工质量和效率。
二、数控铣床相关概述
（一）数控铣的基本工作原理
铣床的加工表面通常由直线、圆弧或其他曲线构成。一般铣床操作人员按照图纸上的要求，不断地调整刀具与工件的相对位置，并与所选择的铣刀速度匹配，从而实现对工件的铣削，可以根据需要，加工成各种形状的零件。数控铣床加工是将刀具和工件之间的运动坐标分解为最小的单元，也就是最小的位移量，然后通过 数控系统对各个坐标进行多个最小位移，这样就可以使刀具和工件之间的相对移动来完成加工。如在图 1 中所示的 L 型凸轮曲线，刀具 T 需要沿着所述工件的曲线轨迹来铣削。
图 1 数控铣床加工曲线原理
在数控铣床上，按制件图纸工艺要求，对铣床各个动作零件的移动量、速度、动作顺序、主轴转速进行分析；根据所需的转向、冷却等，编写相应的编程指令，并将其录入专用铣床上。然后，数控系统在计算机上对输入的指令进行编译、运算、逻辑运算，并输出各种信号和指令，并对机床各部件进行预定的位移和有序运动。数控系统输出指令，经过驱动电路控制和放大，使伺服电机旋转，并经由滚珠螺杆，带动铣床 K、Y 及 Z 方向的工作台。然后根据所选择的主轴转速，进行各种形状的工件的加工。
（二）数控铣床构成和加工特征
数控铣床也叫 CNC 铣床，是一种以传统手工铣床为基础，经过优化而产生的一种新型数控加工设备。数控铣床在机械设计上和常规手工铣床具有相似构造。数控铣床分为有刀库和无刀库。数控铣床配有刀库，称为数控铣床加工中心。数控铣床通常包括：床身、铣头、工作台、横向进给、升降台分、冷却、润滑等部分。数控铣床具有适应性强、尺寸大、精度高的特点，其工作台宽度不超过 400 mm，适合于小型、中型、复杂曲面的铣削。
三、数控铣床加工精度影响因素
（一）刀具补偿和刀具路径设置不当
由于铣床自身尺寸的局限性，在数控铣床上需要设定刀具补偿值，以便系统能根据机床的大小，调节各个坐标的位移，从而达到程序尺寸的要求。若不正确地设定刀具的补偿，将导致加工误差。另外，在设定刀具轨迹时，要充分考虑刀具的大小，以避免过切。根据刀具半径补偿在工件的拐角上的加工方法，通常将其分为 B 型刀补和 C 型刀补两类。
从图 2（a）可以看出，B 型刀补在加工工件的边角时，使用了圆弧过渡，使刀具沿着 AB 圆弧进行切割，使其在外转角时，刀片一直与工件接触，刀片总是处于切割状态，这样会造成工件的锐角磨损，也会加速刀具的磨损。C 型刀补采用了刀偏计算，该方法可以自动求出角度的交叉。D，如图2（b）中所示，在数控系统的控制下，采用直线切割加工，不会出现过切，这样就可以很好地解决 B 型刀补的缺点。C型刀补是目前许多数控系统中常用类型。
图 2 刀具补偿拐角的过渡方式
（二）工件装夹误差
在加工之前，必须保证工件的夹装稳定，以保证在加工时，不会因为受到外力作用而产生位移和震动，从而影响到加工的准确性。然而，在实际生产中，由于夹持位置、重力和支撑物等因素，导致实际位置无法达到预期位置。图 3 中的工件因夹紧不当而造成的错位，应尽可能地避免。在实际安装时，为了防止与图 4 相似的夹紧误差，应该将夹紧位置设置在由定位元件组成的极限支持平面之内，并且尽量接近工件加工位置和硬度高的位置，从而降低加工震动对工件
的定位。
图 3 工件装夹不当
（三）温度影响
现代铣床的传动机构大大简化，主轴是机床的核心部分，是影响加工精度的主要影响因素。机床主轴所产生的热量会直接影响到主轴旋转和工件的加工精度，特别是在主轴转速较高时，更易导致工件的加工误差。系统的发热会对加工精度产生一定的影响，包括切削发热和摩擦发热。在铣削加工中，刀具切割工件时，会产生大量热量，特别是在高速加工时，热量较大。这种热能主要通过切削液和切屑来吸收，少量积累到刀具和工件上，从而产生热量，对加工精度的影响不大。在主轴高速转动时，由于主轴的摩擦，会产生大量的热，从而导致主轴温度不均匀，结果表明，机床的主轴轴线升高、倾斜，严重地影响了机床的加工精度。
（四）拟合误差
在实际生产中，由于工艺条件、铣削方法、刀具等因素的限制，某些轮廓、曲面在精加工过程中往往会出现以零件图样为基础，但最终的加工效果并不理想的情形。目前，大部分数控系统都不具备非圆曲线的插补功能，因此一般都是采用直线拟合法或圆弧拟合来实现。等距拟合法是目前应用最广泛的一种非圆曲线拟合方法。节点坐标值的计算采用数控铣床对三轴曲面零件进行精加工，一般采用球铣刀具。一般而言，无论刀具路径如何设定，只要将球铣刀的中心点定位在被加工的曲面等距表面，就可以得到满足所需的零件；然而，由于拟合误差，使得所有精加工零件都不能完全准确。在实际生产中，可以采用增大拟合结点数目、减少拟合线段长等措施来提高加工精度，但这会使程序编制和加工时间大大延长。
四、数控铣床加工零件精度问题解决方法
（一）毛坯夹装基准面定位
为了提高机床的加工精度，可以通过准确定位基准面来减少工件误差。采用这种方法来减小测量误差时，必须准确地确定基准面，并将已加工的表面用作参考面，以减少加工误差，改善数控铣削加工的精确度。由于数控铣床在加工工件时，经常会遇到各种形状的工件，如圆柱、方形、球面等。由于其自身的误差比较大，加工时的精度也会下降。机床操作人员只需确定基准面的位置，就能解决加工精度问题，同时也能使操作人员对工件的尺寸进行测量，提高加工精度。
（二）采取措施控制设备的温度
当前，许多数控机床的主体缺少配套散热措施。在数控铣削零件时，各支座之间存在着一定的摩擦，从而产生大量热量。机床主体发热和铣削时工件与工件间摩擦所产生的热是相互影响的。在此情况下，若不能及时将热能排出，则被加工的工件将会发生变形。在高温下，零件的外形会发生不规则的变化，引起零件内部不稳定，从而引起铣床各个零件产生故障，降低铣床的加工精度。因此，必须在数控铣床上加装适当的散热器，增加其散热面积。数控铣床在工作时，可以自动散热，减少铣床工作温度和工件变形，减少加工误差，提高加工部件的精确度。
（三）在零件加工过程中做误差补偿
利用数控铣床进行铣削时，存在着零件精度问题，从而对零件的加工质量造成一定的影响。若要降低加工过程中的误差，提高加工精度，可以采用误差补偿方法。零件设计者和机床操作人员应根据工件和机床的具体条件，对数控系统进行相应的补偿函数参数的设定，对加工过程中 X、Y、Z 轴上的误差进行有效补偿。必须依据数控铣床的实际条件，对不同的补偿方法进行科学、合理地用。如果有条件，可以采用相应的软件和硬件，对其进行测量，从而改善加工质量，减少误差。下面两种方法可以用于进行误差补偿。
1. 当数控铣床的操作系统出现逆向偏差时，必须对其进行误差补偿，数控铣床在加工过程中会产生逆向偏差，从而降低了加工的精度。为解决此问题，在加工初期，利用数控程序对部分零件进行定位，以达到误差补偿和消除逆向偏差的目的，从而保证了数控铣床的精确性。
2. 利用数控程序，可以在铣削过程中精确地进行定位，也可以在不影响铣床的基础上完成对数控铣床的插补。为了减少加工误差，提高加工精度，对铣床的加工精度起到了很好的补充作用。同时，通过数控系统编程，可以不断增强数控系统性能，当输入调节指令后，数控系统可以读取和识别反向间隙相关的参数，在此基础上，通过持续动态调整，实现精确定位，提高铣床的加工精度。
五、结语
随着数控铣床在实际生产中的应用日益增多，数控技术人员必须在实际工作中不断地反思、总结，不断地积累经验，把所学的知识与技能结合起来，只有这样，才能真正地掌握数控加工的实际操作技巧，才能使其实现高精度、高效率、高难度的加工，从而真正地发挥数控铣床的优越性。
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