數控車床工作精度穩定性探究

劉義

摘 要：文章探討了Cp值的計算方法及如何獲得較高的尺寸精度穩定性，為今后提高機床工作精度，達到客戶滿意提供改進依據。

關鍵詞：工作精度穩定性；工序能力指數；機床精度；剛度；熱變形

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）21-0011-02

隨著機床的不斷發展，用戶對機床的生產效率、精度、加工靈活性等要求越來越高。除了要求機床具備加工所需的基本功能和一定的節拍外，特別強調加工零件尺寸精度的穩定性。機床在完成各項獨立的精度指標檢驗后，并不能充分體現出機床整體在實際加工條件下的綜合性能，還需要完成機床尺寸分散度檢驗，這是用戶非常關心的綜合性能指標。大多數用戶要求試加工一批零件，并以工序能力指數Cp值達到1.33作為驗收機床的指標，有些廠家甚至要求Cp值達到1.67。因此，本文探討Cp值的計算方法及如何獲得較高的尺寸精度穩定性，具有重要的現實意義。

1 工序能力指數Cp

工序能力指數Cp是指工序在一定時間里，處于控制狀態（穩定狀態）下的實際加工能力，是工序固有的能力，或者說它是工序保證質量的能力。它表示了工序能力滿足工序質量標準要求程度的量值，反映了機床及其工藝系統穩定生產合格品的能力。

1.1 Cp值的計算

有些用戶要求機床驗收時批量加工零件（一般N≥30），測量計算Cp值。

在實際生產過程中，當影響精度的因素只有偶然誤差時，工序能力指數Cp可表示為零件尺寸公差T與6倍的標準偏差S之比，即：

Cp=T/6S（1）

式中，T是質量標準，即零件的尺寸公差范圍。S是處于穩定狀態下的工序的標準偏差，6S則指工序能力。

1.2 Cpk值的計算

Cpk是有偏移的工序能力系數，Cp值是反映在質量標準中心和質量特性值分布中心重合時，即公差帶中心M與分布中心？滋一致時的工序能力。但在實際加工過程中，既包含偶然誤差，同時又存在系統誤差。因此，二者有偏移，如圖1所示。ε為偏移量。由于M與？滋偏移使工序能力受到影響，不合格品率也不一樣。所以在估算工序能力系數時應把ε考慮進去，這時求出的工序能力系數記為Cpk。

由圖1可知ε=？滋-M，把ε對工件直徑公差范圍T的一半的比值K稱為“偏移系數”，其含義是反映M與？滋的偏移程度。

1.3 極差和標準偏差S的估算

測試件數達不到統計要求，可用極差估算S，極差R為一批試件中最大最小之差。

1.4 Cp值的評價

對Cp值的評價，一般是：Cp<1，滿足不了質量要求；1.33≥Cp>1，工序能力基本滿足要求但不充分，接近1時有出現不合格品的可能，需要嚴格控制，檢驗不可放寬；1.67≥Cp>1.33時，不合格品率為十萬分之一以下，質量上可以放心，允許有影響質量因素的一些小波動，若不是主要工序也可適當放寬檢驗和控制的標準；Cp≥1.67，即使影響質量諸因素有一定波動也不必擔心超差，甚至可以免檢，但達到這一數值是極不經濟的。所以一般要求Cp≥1.33是合理的。

應該強調指出的是，按Cp值驗收機床是通過試加工一批零件的方法進行，所以對毛坯的質量，如加工余量、形狀以及硬度等亦應給予必要的限制。

2 加工誤差分析

在實際加工過程中，偶然誤差與系統誤差乃至于過失誤差都是交織在一起的，因此，分清各種誤差對精度的影響將非常有利于達到預期的精度目標。

2.1 機床精度

前述工序能力與隨機誤差有關，數控車床加工圓柱表面時隨機誤差的主要構成是X軸的重復定位精度與刀架的重復定位精度，它們直接影響機床的工作精度。以我廠數控車床執行精度檢驗標準看，數控車床（如HTC 4 554系列）執行GB/T 16 462.1-2007和GB/T 16 462.4-2007標準，其X軸重復定位精度允差為6 μm，刀架回轉重復定位精度允差為10 μm。簡式數控（如CAK 5 061系列）執行GB/T 25 659.1-2010標準，其X軸重復定位精度允差為9 μm，刀架回轉重復定位精度允差為10 μm。

若以數控車床HTC系列尺寸精度達到IT6，簡式數控車床CAK系列達到IT7為目標要求，現驗算能否達到該目標。

根據GB/T 1 7421.2-2000標準規定，X軸重復定位精度的1/4為該項標準偏差SX；刀架重復定位精度（極差）按式（5）或表1算出該項標準偏差SD。

以機床最大回轉直徑的1/8為試件直徑，我們取D=70。

試件公差的1/2（半徑公差）為質量標準T；TCAK=15，THTC=9.5。

按式（1）計算Cp值，結果如表2所示。

結果表明僅僅達到精度檢驗標準的機床，加工工件分散度Cp<1，質量穩定性沒有保證。

我廠實際制造水平遠比精度檢驗標準高，自制的刀架重復定位精度通常可達2.5 μ左右。X軸重復定位精度也常做到允差值的一半以下。故適當控制這兩項精度，HTC和CAK系列機床可以分別在IT6和IT7的精度達到Cp≥1.33。控制值和計算結果如表3所示。

由上可知使一批工件達到Cp≥1.33，比一批工件達到合格品要困難的多。有的用戶要求Cp≥1.67，相當于不合格品率為千萬分之六以下，屬苛刻要求。粗略計算HTC只能在加工IT8，CAK只能在加工IT9級精度時才能達到。

以某用戶訂購機床時提出要求為例：生產節拍T≤7.5 min，連續加工30件，尺寸變動量△≤0.025 mm，加工零件材料為20 CrMnTi。訂購的機床HTC系列數控車床，按機床精度標準計算的標準偏差為3.98（見表2），相應產生的工作精度，以加工內孔計算并將上述半徑方向誤差轉化為直徑方向，則工作分散度AS為：

As=12 S=12×3.98≈47 μm

這個數值遠遠超出用戶對機床尺寸變動量的要求。為此，我們多次調整刀架、機床導軌副和絲杠副，大幅度的壓縮Sx和SD值。修正后的機床經過7次測量，其工作精度達到了18～22 μm（連續加工30件，包括刀具磨損、熱變形等在內工件尺寸的極差值），滿足了用戶要求。

2.2 系統剛度

機床的剛度越大，動態精度越高。由機床、卡具、刀具組成的機床工藝系統的剛度是加工過程中產生偶然誤差的一個很大的因素。毛坯余量、材料硬度的不同以及工件的安裝誤差等也會通過系統的剛度（彈性變形）而構成加工精度的誤差。

2.3 機床熱變形產生系統誤差

在零件加工過程中，由于機床各運動部件之間的摩擦、切削熱以及其他熱源的存在，會使機床的溫度發生變化，導致刀尖與主軸軸線相對位置的變化。其中X軸滾珠絲杠的熱伸長是主要因素。

2.4 刀具因素

刀具及切削用量直接影響加工的精度，而刀具磨損是產生尺寸分散度的重要因素。

3 結 語

為滿足用戶要求，控制企業的生產成本。今后在和用戶簽訂合同時必須明確規定驗收指標，如果用工序能力指數來考核，要制定好X軸重復定位精度和刀架的重復定位精度內控要求，切不可直接采用標準的指標。要認真分析用戶提出的尺寸分散度要求，在沒有把握的情況下，應首先進行工藝性試驗，確定合理的切削參數和刀具磨損要求，然后再同用戶簽訂合同。此外應提高裝配質量，控制絲杠與螺母之間間隙，保證移動部件平穩運動，減少機床的熱變形。

參考文獻：

[1] 徐灝.機床設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1986.

[2] JB/T 3736.7-1994，質量管理中常用的統計工具[S].