數控機床加工零件質量異常處理研究

凌思慶

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

1 數控機床加工零件相關概述

1.1 加工原理與零件質量

數控機床主要分為2 部分：一是外觀設計機床；二是計算機數控裝置。其內部結構包括主軸驅動系統、伺服驅動系統、輔助設備等，由于數控機床的內部結構極其復雜，因此在內外因素的共同作用下，很容易造成加工零件的質量異常。數控機床作為企業實現自動化生產加工零件的關鍵設備，其重要性不言而喻。數控機床的零件加工合格率與效率都與加工精度和影響因素有關，只有在滿足加工零件精度的基礎上，才能保證數控機床加工零件的質量。有效的零件加工診斷和維護措施可以明顯降低數控機床發生安全事故的風險，降低出現零件質量異常概率。由于我國數控機床的起步較晚，在加工診斷和零件異常處理方面的經驗不足，因此制造加工企業更應該加大資源投入。通過研究數控機床加工零件異常的處理方式，可以在一定程度上加深技術人員對數控機床結構的理解，并在此基礎上保障零件加工的精度，保障數控機床的安全運行。同時，數控機床通過手動設置加工參數，使用集成數控系統和機床結構完成零件加工，能夠使加工過程無須手動操作，數控零件加工的質量和效率也都得到了顯著的提升。此外，如果能夠充分利用數控機床的抗變形、自發熱和抗震性的特點，零件加工就可以安全高效地進行。

1.2 影響數控機床零件加工質量的因素

基于對數控機床的使用現狀分析，大多數情況下，數控機床的零件加工需要使用半封閉控制的伺服系統進給控制器，因此，在數控機床正常的工作狀態下，由于伺服系統中螺紋的反向運動，會一定程度上導致軸和底座出現兩個方向的間隙偏移，加之外部驅動力的影響，共同作用下會導致數控機床的工作發生一些變化，影響數控機床的加工質量。

（1）人為因素。由于數控機床操作人員專業技能匱乏，安全規范意識不強，而導致出現零件加工異常的問題。盡管現在的數控機床利用大數據技術，基本實現了自動化生產和故障智能處理，但具體的處理過程仍然離不開操作人員的參與，人工的不恰當操作必然會造成數控加工的異常率增加。隨著數控技術的提高，數控機床的加工過程變得更加復雜，目前我國從事數控機床加工的操作人員大多與只進行過簡單的職業培訓，多數工作人員沒有熟練掌握數控機床的系統知識，難以掌握設備操作。此外，由于數控機床操作人員不了解安全標準，因此，數控機床的定期維護也只是表面工作，并未落到實處。數控機床是精密的加工設備，不僅要求操作人員嚴格按照規范工作，而且要做好日常維護工作，但由于數控機床操作人員對質量控制意識薄弱，忽視日常維護，因此導致零件加工的異常率不斷增加。

（2）系統與刀具因素。設備與系統因素可大致分為3 類：一是伺服系統；二是刀具參數；三是編程數據。首先，從數控機床工作原理來看，伺服系統是控制數控機床整個工作的最基本系統，在使用現代數控機床生產機械零件的過程中，為準確了解機械零件的加工信息，生產廠家必須使用伺服電機裝置來驅動數控機床的滾動螺絲，如果表圈的螺釘有傳動偏差，會直接對機械零件的制造和加工精度產生巨大的負面影響，以上問題也是數控機床定位精度偏差的一個重要因素。其次，數控機床在加工過程是在旋轉工作下對零件進行削切。在切割過程中刀具主赤緯刃圓弧要在0.5 范圍內，當切割棒零件時，機床的主軸線會有輕微偏差，如果不考慮偏差，則其將在主赤緯持續消退后繼續擴大。因此，在數控系統的加工維護中，刀具參數也對零件生產精度造成一定的影響，所以在對加工編程時，有必要根據加工特性，分析其引起的零件加工誤差和加工異常的原因，合理調整刀具的剪切長度，此外數控機床上工作時，刀具末端弧的半徑、主要偏差角度、邊緣和零件中心位置的誤差都會降低數控機床的制造精度，需要在編程中加以研究。最后，在數控編程中，如果數據不夠準確，就會導致整個加工過程出現很大的偏差，這對零件加工產生明顯的負面影響。特別是在轉換計算機程序尺寸和程序節點公差的過程中，如果不充分考慮尺寸與各個零件的形狀和裝配之間的關系，就會產生零件規格偏差，導致零件報廢。一些數控機床控制系統可根據已知的回路形狀的幾何圖形手動計算節點位置，但仍有一些數控機床需要手動計算來實現操作，因此不可避免地會出現偏差。如果數控機床零件的長度公差不相同，則必須使用手動計算來完成長度設置，如果使用相同的加工工具，更會增加計算過程，造成計算負載巨大，從而發生數據錯誤的概率大幅提升。

（3）逼近誤差與圓整誤差的影響。當編程零件的輪廓呈現近似誤差時，通過擬合或近似思維算法，基于精確值控制，可以達到零誤差。但當精度值低時，加工零件的精度和質量會有誤差。在零件制造過程中，數控機床加工需要事先進行編程，運用數學理論對形狀不規則的零件進行加工，如非圓形線性、逼近原理、用直線輪廓替代零件輪廓曲線等。在具體使用過程中，這些措施具有很高的實用性，但它們很容易將加工零件的形狀輪廓與加工對象的形狀輪廓重疊，而導致加工誤差。例如，在一個特定的加工過程中，舍入誤差是指在加工圓弧運動或圓弧軌跡時，實際值與機床的默認運動軌跡之間存在較大誤差。

（4）車床熱變形誤差與車床軌道偏差。當機床加熱時，相關零件會受到熱膨脹和冷卻的影響，出現嚴重變形，影響機床的加工精度。此外，在切割機床過程中會產生熱摩擦，當外部溫度發生變化時，機床的所有部件都會受到不均勻的加熱，影響設備工作狀態。同時，當零件體積不能滿足要求時，可能會出現機床切割角度偏差、螺旋軸傾斜等問題，無法保證后續加工零件的準確性。而在運行過程中，如果導軌相對位置若總是存在誤差，也將嚴重影響數控機床的加工精度。

2 零件質量異常的處理方案

2.1 超差異常處理方案

使用數控機床對合金零件進行加工后，若零件截面的測量值在Y 軸與x 軸方向出現偏差，造成零件質量異?，F象，操作人員應將主軸的液壓板與四爪對稱夾緊，定位并進行尾座頂尖工作固定工件，通過材料取樣，并附加四爪手動進行加工和測試，檢查異常原因，若發現主軸與刀具設備間存在較大的間隙誤差，則應從主軸軸承精度檢查、卡盤異物檢查、液壓系統穩定與壓力檢查、刀桿縱向運動方向與側向運動方向的螺母磨損檢查、傾斜間距檢查等方向進行。針對上述可能因素，逐步研究故障原因，通過檢查主軸精度，以此保證精度指標滿足，拆卸、清潔和安裝主軸上的卡盤，消除軸承的精度和卡盤內部問題。由于主軸板為多跨液壓對稱連接板，預設液壓應設為2MPa，檢查夾具和工件的液壓張力，使用0.02mm 的針，檢查夾具和工件是否牢固連接，使用千分表檢測刀片張力前后工件的變形情況，該方法還用于檢查子通道是否在對稱方向上是平衡的。檢查刀桿的X 與Z 軸、主軸與母軸之間是否存在反向間隙，螺桿的預應力值是否在允許范圍內，通過由于軌道松動，消除刀架X 軸和Z 軸的不穩。檢查刀塔的主軸與Z 軸之間的平行度，若出現不平衡的情況，則應調整主軸的幾何精度，使主軸與Z 軸的平行度在0.01mm 以內，以滿足工廠的要求。

2.2 零件出現波浪的處理方案

數控機床加工出現零件表面有明顯波浪，是不符合質量要求的。操作人員必須現場觀察，分析哪一軸承出現問題。例如，只有Y 軸出現震動，而在其他軸運行正常時，因此對待加工零件表面波浪的初步判斷是，Y 軸振蕩導致了零件加工質量的異常。若Y 軸抖動現象存在于加工前期，則可通過調整Y軸帶張力，補償機器的斜率，降低Y 軸增益，改善機床抖動現象。若機器出現Y 軸及相關驅動部件的機械磨損過大，而機械磨損不能通過電氣參數的調整和微調來補償，則需要更換機器的Y 軸雙絲及相關驅動部件。首先，將機器的Y 軸旋轉到一側，并將其關閉，從而方面移除機器兩側的鈑金；其次，拆下伺服電機的緊固螺釘和皮帶調節螺釘，并拆下Y 軸電機。拆下螺釘然后轉動卡盤并拆下母線。拆下主軸兩端的固定法蘭和電機主軸支架的固定螺釘，并將整個主軸取出。以相反的順序安裝新的螺釘和相關的備件。安裝好螺栓套后；再次，鎖住面板側螺釘的法蘭螺栓，大致調整螺釘的平行度。使用母線在末端找到主軸的位置，通過調整槽將機器的Y 軸移動到正極限，然后再次鎖定發動機主軸的法蘭螺栓；最后，進行并行調試。在螺絲旁邊放置一個水平比例尺，并放置一個百分比表，通過移動床身對齊水平比例。將百分比表放在水平比例尺上，檢查主軸和導軌在Z 軸上的平行度，通過調整電機主軸的固定法蘭，將平行度控制在規定范圍。安裝Y 軸伺服電機和皮帶，通過調整螺釘來調整皮帶張力，使用赫茲儀器來檢測皮帶的張力。用大理石方尺查機器的Y 軸與X 軸之間的垂直度，無異常后，用激光干涉儀補償機器的Y 軸間距，更換Y 軸螺釘和相關傳動部件后，對機器進行試驗處理，檢查機床在Y 軸上的運行，檢查零件是否消除了波紋痕跡。

3 減少數控機床加工零件質量異常的措施

3.1 選擇合適的機床刀

刀具是數控機床機關過程中的關鍵部件，直接決定了數控機床后續加工的水平。與傳統鋼刀相比，鋁合金和陶瓷刀具有更突出的耐磨性能，因此在機械加工過程中使產品質量更加穩定可靠。但并非所有數控機床都可以使用以上刀具，部分機床也無法匹配以上刀具。因此，工作人員應對各種刀具和加工方法進行研究和分類，以便更科學合理地調整刀具配置，例如，球頭可能比平頭刀具更容易切割，并且當使用球頭刀具時，產品的正確處理率會相應增加。為提高數控機床的生產效率和質量，相關企業必須根據不同類型的零件加工方案，選擇科學合理的刀具，以最大限度地發揮刀具對數控機床加工的積極作用。

3.2 積極引進先進的制造軟件

積極采用先進的制造軟件可以為后續的產品設計、加工制造和產品數字化生產奠定基礎。生產軟件應廣泛應用于數控機床加工的整個生命周期，包括零件建模、模具設計、機床加工、后處理編程、集成仿真系統等。在加工復雜零件的過程中，為了提高切削效率，提升工業機器人的工作精度，可以科學合理地應用自動刀具傾斜技術和防碰撞方法，進行五軸、三軸+2 軸等的加工。通過科學合理地使用數控技術，可以對加工行為進行動態建模，由此輸出程序會更加安全高效。此外，為使整個數控機床加工過程更加標準與穩定，需要應聘用具有豐富實踐經驗的工程師和軟件開發人員，共同創造一套適合數控機床加工的系統。

3.3 系統誤差控制與車刀幾何精度控制

在數控機床的設計過程中，為了將加工精度限制在合理范圍內，必須嚴格控制伺服驅動系統。因此，伺服驅動系統的加工誤差管理必須從提高驅動裝置的運動特性開始，逐步改變整個裝置的驅動設備，甚至改變驅動裝置的特性，以此保證在驅動過程中更好地控制數控機床。伺服驅動系統的偏差控制還應從提高設備的壓力水平和承載能力這兩方面入手，通過更合理地承載機械零件，提高加工零件的控制精度。組裝伺服設備時，應根據實際工藝條件對控制系統參數進行優化，從而提高誤差控制能力。旋轉刀具的幾何精度與數控機床的制造精度直接相關，因此，總設計師必須根據具體的生產條件，進一步改進數控車床的加工工藝，以提高其幾何精度，使整個導軌具有良好的定位功能，更有效地控制機床的加工生產。在車床制造過程中，為了更好地實現數控機床的各種特性，可采用傾斜床體的形狀來代替過去復雜鑄件結構，從而更有效地提高數控機床的韌性和承載能力。

4 結語

總而言之，數控機床加工零件質量異常的處理方案應從故障檢查入手，通過對現場進行檢查，觀測機床軸承的抖動情況，檢測刀具的磨損情況，通過更換部件、水平維穩、壓力檢測等方法對機床進行改造，從而減少加工異常的概率。此外，企業也應積極引進先進的制造軟件，在原有數控機床的基礎上提高加工精度。