數控車床加工精度的影響因素及其優化策略分析

董 劍

（寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721000）

0 前言

在機械裝備行業快速發展的同時，相關行業對于機械零部件的精度有了越來越高的需求，作為一種重要的現代機械加工方式，數控車床加工方式安全、可靠、高效；但其加工精度受到多種因素的影響，會在很大程度上影響機械設備的整體質量。本文對當前影響數控車床加工精度的主要因素進行分析，并結合企業對設備的實際使用情況，提出了提高數控車床加工精度的具體措施，進而為機械制造行業的高品質發展提供保障。

1 數控車床概述

1.1 工作原理

數控車床集自動控制技術、電子技術、計算機技術、機械制造、傳感測量于一體，是典型的機電一體化產品。運用數控車床有利于提升產品質量，縮短加工時間，縮短產品開發周期。

數控機床由測量裝置、機床本體、輔助裝置、電氣控制裝置、可編程控制器、驅動裝置、數控裝置、輸出裝置組成，具體硬件構成如圖1所示。

圖1 數控車床硬件組成

數控車床在普通車床的基礎上引進了數控技術，借助數字信號對機床加工及運動過程進行控制，利用數字化代碼于程序介質上記錄刀具移動軌跡等信息，之后輸入數控系統，經過運算、譯碼后，發出指令自動控制工件與刀具的運動，最后得到符合要求的零件。

1.2 數控車床特點

與傳統數控車床相比，現代數控車床具有以下5個方面的特點：一是加工精度高，現代數控車床引入精度控制系統，與傳統車床相比，具備更高的加工穩定性與加工精度。二是多坐標軸數控車床能夠完成多軸聯動加工，數控車床能夠依據預先設置的指令對結構較復雜的零件進行多軸聯動加工，有效提升了工作效率。三是縮短加工時間，在對零件的規格或尺寸進行臨時修改時不需要畫圖紙，可直接用于對數控車床的參數調整，減少了修改圖紙的時間。四是具備較高自動化程度，能夠進行機械化自動操作，降低了工作人員的操作強度。五是對操作人員技術水平要求高，現代數控車床引進了大量先進技術，操作過程具有較高的專業性，同時其維護保養人員也應具備相應的技術水平。

2 數控車床加工精度的主要影響因素分析

2.1 切削車刀規格及幾何參數誤差

在進行工件加工的過程中，數控車床的車刀依據預先設置的程序規劃走刀路徑，完成車削加工。在車削加工過程中，最重要的是進行圓弧半徑與車刀偏角參數的設置，一旦出現誤差，將直接影響工件精度。但是，數控車床在運行時往往會因軸線尺寸誤差而降低加工精度，導致車刀圓弧半徑隨之變化，進而影響軸向尺寸誤差。

車床的車刀位移長度與軸向尺寸相互影響，車刀幾何參數與規格會引發潛在的軸向尺寸誤差，車刀移動軌跡直接影響位移長度，在對于數控車床進行調整時，應充分考慮刀尖距、車刀圓弧半徑等細節參數。

2.2 電氣伺服系統傳動誤差

在具體進行加工過程中，利用滾珠絲杠和電氣伺服系統能夠實現對車刀平面移動的控制。在對滾珠絲杠進行驅動的過程中，伺服電機能夠對工件和車刀之間的相對位置進行實時調整，所以在運行時，絲杠滑臺的傳動誤差也會隨之被伺服系統傳輸給工件與刀具之間的相對位置，致使無法完全依照程序規劃的軌跡進行刀尖的移動，最終導致數控車床加工精度被降低。

2.3 逼近誤差與圓整誤差影響

編程零件輪廓利用逼近誤差表示時，利用擬合或近似理念算法，可以在控制精確值的基礎上實現向零件基礎誤差的逼近。當精確值較低時，零部件加工精度將會出現誤差。在進行零部件制作過程中，數控車床的加工應用需要預先進行編程作業，利用數學理論對外形不規則的零部件的加工作業進行處理，如針對非圓線性，利用近似原理進行處理，借助直線輪廓取代零部件曲線輪廓。在具體使用過程中，該措施具有較強的實用性，但是完成的零部件的形狀輪廓非常容易出現不能夠與待加工目標形狀輪廓重合的情況，出現加工誤差，例如在進行具體加工過程中，圓整誤差即在加工圓弧運動或圓軌跡時，實際數值與車床預設的運動軌跡之間存在的較大誤差[1]。一些數控車床的刀具的具體運行軌跡是由電機控制的，刀具最小運動距離由步進電機脈沖決定，當處于運作狀態時，如其作業達到圓整脈沖當量值，不可避免地會出現圓整誤差，進而影響部件規格與尺寸。

2.4 車床熱變形誤差影響

作業狀態下的車床會受到不同類型熱源的影響，在車床出現發熱的狀況時，相關元件將會受到熱脹冷縮的作用，表現出嚴重的變形，對于程序的有序性產生嚴重阻礙，最終對車床加工精度造成影響。不僅如此，在車床進行切削作業的過程中，會出現摩擦熱，在同時出現外部溫度變化的情況時，車床元件會出現部位受熱不均的情況，影響機械運轉狀態，同時溫度的變化也會影響到元件的體積大小，進而嚴重影響高精度設備的生產與制定。除此之外，在元件的體積達不到具體的要求時，有可能出現車刀切削角度偏移、絲杠軸心線傾斜等故障，不能保證后續待加工零件的精度[2]。

2.5 數控車床導軌偏移誤差

數控車床運行時始終存在導軌相對位置偏移誤差，嚴重影響數控車床加工精度，在進行車削加工操作時，車床導軌會出現無規則磨損，致使刀尖位置后續會出現微量偏移，降低最終加工工件的精度。

2.6 程序運行

操作人員在進行作業過程中如果存在不按規范操作的情況，也會導致數控車床導軌偏移誤差，對車削加工質量產生影響。現代數控車床引進了先進的控制系統，具有較高的規范性與順序性。在進行操作的過程中，如操作人員的操作順序不合規、數據處理有誤差、程序設定不科學等，都會對程序運行的正當性造成影響，致使加工精度出現誤差。

3 提高數控車床加工精度的有效策略

3.1 優化數控車床總體設計方案

對數控車床的設計方案進行優化，工程人員與設計人員應該不斷創新數控車床主機結構，進行精度高、剛度高的零部件的引入，在進行設計與加工制造時，站在全局的角度對車床進行全面優化。優化處理數控車床主軸形變故障，合理控制數控車床主軸箱系統熱態性能，適當調整數控車床重心位置，盡可能地提升數控車床關鍵部件的幾何精度與整體結構形態，使數控加工的質量與精度得到改善。

3.2 改進電氣伺服系統

電氣伺服系統是數控車床的關鍵組成部分，能夠對車床運行的有序性與穩定性起決定性作用，同時直接影響車床加工精度，影響零部件的加工質量。因此，在對于數控車床加工精度進行改善的過程中，應該進行電氣伺服系統準確性的優化，合理提升伺服系統設備的性能指標，具體可對伺服控制單元、伺服進給單元、伺服電機進行改良，同時要關注伺服控制系統的可持續發展。在借助伺服系統進行圓弧、圓環等零件的加工時，需要對進給軸進行精確設計，具體可進行開環增益的設計，提升加工零部件輪廓的精度。除此之外，在具體進行作業的過程中應該保持45°的進給軸位置，根據相關實踐數據可知，該角度可提升零部件精度與質量，確保零件符合需求[1]。

3.3 車床導軌影響的改進策略

在實際運行數控車床過程中，為了盡可能防止由車身導致的精度誤差，在最初設計階段應該對底座和導軌進行優化。對于功能需求多的控車床，在進行床身設計過程中，可將其設置為斜床身，借助合適的筒型結構，合理控制車床重量，同時對制造工藝進行改進。在保證確切的切削載荷的基礎上，借助筒形結構進一步保障數控車床的穩定性，避免車床在運行過程當中出現幾何誤差。在安裝滑動導軌的過程中，不僅要對于零件的加工精度進行明確，還要按照規范流程進行具體安裝，保障潤滑油填充完善，降低運行過程中的摩擦系數，提高數控車床的精度。在選擇導軌時，應該注重其實用性，保證導軌的載荷能夠滿足實際生產需求，防止后續發生因載荷問題而導致的精度降低[3]。

3.4 細化誤差補償措施

在具體實施誤差補償過程中，需要加強對圓整誤差和逼近誤差的重視。在針對圓整誤差進行控制時，可以借助硬件處理進行防控，同時可以借助軟件處理，提升數據處理的精度，盡最大可能防止在實際運行過程中出現不確定因素引發誤差風險。針對逼近誤差的補償，要提升近似算法、擬合思想應用的精準性，通過對零件外輪廓的精確運算，實現零件外輪廓的精準勾勒，防止出現控制系統的補償誤差。針對需要重復定位的工藝和工件，在具體數控加工之前，就應該加強誤差測算，提升測算的精確性，防止后續加工出現誤差。針對于不可避免的誤差，要及時對其進行控制，將誤差在合理范圍內，保障加工產品的質量。

3.5 嚴格控制溫度

分析上述影響因素可知，數控車床在加工運行過程中可能會出現溫度的變化，當外部環境也同時發生變化時，會對數控車床加工精度產生影響，因此相關人員也要加強對車間溫度因素的重視，嚴格把控車間溫度，對車床運行環境進行整體改善，避免在加工過程中出現溫度過高或過低的狀況，防止設備在運行過程當中因熱脹冷縮作用出現設備變形。針對無法防止的溫度升高狀況，如摩擦生熱等，可借助冷卻回路加強對溫度差的控制，降低熱量的形成，保障數控車床的運行環境溫度。

3.6 合理減少刀具偏差

刀具是數控車床在具體進行零件加工過程中經常會使用到的部件，刀具通常具有刀尖圓弧或偏圓角的特性，在進行加工作業時極易出現誤差。因此，在進行零件加工時，應該合理優化刀具，降低因刀具問題引發的零件不合格情況。首先，需要對于刀具的結構進行調整優化，工作人員應該根據以往工作經驗全面了解刀具存在的缺陷，有針對性地對于刀具進行調整。其次，由于數控車床具備較高的自動化水平，因此在進行具體刀具優化的過程中，應該依據統一標準對全部道具進行規劃設計，對車床使用的刀具庫的全部刀具進行結構性調整，防止在加工過程中出現刀具加工誤差[3]。此外，需要精確計算在作業過程中因刀具問題而導致的誤差，依據實際計算結果進行刀具的調整，在具體作業過程中根據實際運轉情況進行修正，保障數控車床加工零件的精度。

3.7 提高人員操作技術水平

現代數控車床具備較高的技術水平，操作較為復雜，對于操作人員具有較高的專業技術水平要求，一旦在閱讀圖紙或編程時出現不恰當的操作，將會嚴重影響數控車床加工精度。在對相關操作人員的專業技術水平和實際操作能力進行提升時，可以聘請專業人才采用培訓方式，提升數控車床管理者和操作者的能力。在進行車床操作時需要操作人員編程和了解圖紙，所以相關人員必須具備較高的數控機床編程能力和機械圖紙閱讀能力。除此之外，管理人員應具備較高的管理能力、良好的協調及溝通能力，確保在后續操作過程中面對突發狀況時能夠及時進行協調解決。此外，企業不能忽視對于內部原有員工的培養，加強對現有操作人員和技術人員的考核與培訓，制定明確的賞罰制度，獎勵操作能力強的員工，激勵其不斷學習，對于操作不合格且不改正的員工給予處罰，提升操作人員對數控車床專業技術的重視程度，激發員工自覺學習。

數控車床具備較高的自動化水平，其操作依賴于預先編寫的程序，加工精度受數據編程的影響。員工在進行編程的過程中，應該精確定位原點位置，在進行程序編制時要嚴格遵循工藝基準、設計基準、編程基準原則，依據圖紙基準進行編程原點的設置。在對數據進行運算時，必須保證數據的精準性，合理安排具體工序，防止加工過程中出現誤差。在進行工序編制過程中，全面分析毛坯變形、剛性、零件加工需求等要素，確定粗加工和精加工的比例與順序。

4 結論

隨著數控車床技術的提升，其在機械行業中發揮著越來越重要的作用，與傳統車床相比，數控車床具備加工精度高、自動化程度高、多軸聯動等優勢，但在進行零件加工中依舊存在誤差，相關企業應加強對數控車床加工精度影響因素的分析，提高良品率，降低廢品率。在數控車床技術快速發展的同時，應加大技術投入，使企業在同行業中具有競爭優勢。