數控車床加工缺陷分析與誤差補償技術

馬智敏

(定西中醫藥科技中等專業學校，甘肅 定西 748100)

0 引言

在現代化的機械加工領域廣泛應用了數控加工技術，使傳統的機械加工效率和質量得到了更好的保證，并有效降低了人工操作的勞動強度。車削加工是傳統的機械加工手段，適用于回轉體零件的加工制造，在機械加工過程中應用廣泛。隨著機械產品向精細化和可控化發展，對于數控車床加工質量的要求也明顯提升。在數控加工過程中，常因刀具技術、編程技術、機床誤差、生產環境、加工材料等因素影響造成加工質量的降低，若數控車削加工質量不能得到有效控制，可能造成批量加工零件的廢品率增加，造成加工工期的延長和材料浪費。因此，通過分析數控車床加工缺陷的產生原因并有針對性地進行改善，有利于進一步提升數控車床加工的整體質量。

1 數控車床的技術特征

數控車床是在傳統車床技術上發展的數字化控制產品，具有顯著的自動化特征，能夠替代人工操作完成數控加工的全部工作任務。在數控車床的加工過程中，主要利用數控程序控制伺服系統進行運轉，并按照步驟完成加工過程。數控加工的優勢是自動化程度高、加工品質統一、加工效率高，但與人工操作機床加工相比，也存在不能隨時檢測加工量、加工的主觀能動性不足等問題。數控車床加工的零件具有明顯的技術特征，如圖1所示，數控車床相對于人工加工更適合以下場合：1)大批量生產制造的回轉體零件；2)輪廓形狀復雜的回轉體零件；3)非標準螺紋零件；4)表面光潔度有特殊要求的回轉零件。

圖1 數控車床加工的典型零件

2 加工缺陷的典型表現

2.1 幾何尺寸不合格

在進行數控車削加工的過程中，最常見的加工缺陷就是加工完成的零部件幾何尺寸不符合標準要求，表現為圖紙中嚴格約束的直徑、長度、坡度、圓角、倒角等尺寸在加工完成的零件上達不到圖紙要求的標準，出現實際加工零件的局部尺寸偏大或偏小的問題，影響零部件之間的配合精度，造成零部件的報廢或需重新加工處理[1]。

2.2 表面光潔度不合格

很多零件需要在良好的表面光潔度條件下進行傳動、配合，但在數控車削的過程中，常因為刀具選擇不合理、轉速設計不合理、走刀速度不合理等因素導致加工后零件的表面光潔度不合格，過于粗糙的表面可能導致零件裝配難度增加，在運轉或傳動過程出現嚴重磨損等問題。實際生產中出現表面光潔度不合格常導致返工，需要二次精加工，導致制造成本增加，工期延長。

2.3 幾何形狀不標準

對于部分特殊的零件，設計有局部非標準結構，如非標螺紋、回旋凹槽等，當刀具選擇不合理或刀具出現磨損等原因時，可能導致螺紋、凹槽等出現形狀偏差，導致其不能與其他零件良好配合，易產生廢品，造成原材料浪費和工期延誤。

3 導致加工缺陷的因素

3.1 刀具選材不當

在數控車削加工的過程中，刀具的合理選擇十分重要，尤其對于大批量生產而言，刀具的選擇必須充分考慮刀具的剛性、強度、耐熱程度、硬度等關鍵參數，部分特殊工廠要求刀具具備一定的抗沖擊能力。但在實際生產過程中，常出現刀具選材不當的問題，這主要表現在兩方面，一是由于人工選擇刀具時對于加工過程考慮不周全，最典型的就是選擇的刀具硬度不足；二是由于刀具生產企業的產品質量不合格，在刀具硬度、韌性、耐變形能力等方面達不到應有品質。刀具選材不當導致其在加工硬度較高的原材料時易出現刀具嚴重磨損問題，出現被加工零件幾何尺寸、表面光潔度等不合格，甚至出現表面劃傷、刮痕等，造成加工品質降低甚至零部件報廢[2]。

3.2 傳動控制產生誤差

現階段應用的數控車床，刀具的走位和驅動主要依靠伺服電機控制系統進行控制，這一控制的過程主要依靠刀具架體與滾珠絲桿之間的配合實現刀具位置的改變，通過滾珠絲桿的旋轉來控制刀具與待加工零件之間的相對位置，這一控制方式簡單且易實現。但在傳動控制的過程中，由于絲桿轉動誤差、電機轉動誤差、傳動打滑等原因造成刀具與待加工零件之間的接觸位置出現偏差，導致數控車削加工的精度下降，嚴重時導致零件廢品率增加。

3.3 機床的結構性誤差

在數控車床生產制造、裝配的過程中，可能造成機床本身的零部件配合精度存在誤差，裝配精度的不足或零部件制造的誤差導致機床在使用中存在結構性誤差問題。例如，機床導軌存在安裝偏差，則會對數控車床的加工精度產生顯著影響。在數控車床使用之初，可通過程序修正部分機床的結構性誤差問題，進而提高制造精度。但隨著機床使用時間的增加，機床自身的結構性誤差會呈現“放大”趨勢，若不能及時對其進行修正，則會因誤差的存在而嚴重影響車削質量，導致出現明顯的加工偏差。

3.4 刀具熱變形誤差

在進行數控車削加工的過程中，刀具與待加工零件之間的摩擦會不可避免地產生大量的熱，盡管數控車床配套有冷卻系統，但溫度仍會明顯升高，尤其在大型零件的車削加工過程中，單一刀具的加工時間較長，持續受摩擦力造成熱量累積，易造成刀具受熱出現變形，該變形對于加工要求不高的零件影響不大，但對于精密零件卻存在一定影響，可能造成加工質量的不合格。

3.5 程序編制與執行誤差

數控程序是數控車床加工運轉的核心，車削加工的所有動作都依照數控程序指令執行，在實際生產加工的過程中，數控程序只能在理論上模擬車刀刀尖或刀具的運動軌跡，而實際加工時刀具的位置與程序設定的理論位置常存在一定的偏差。這種偏差表現在程序對于切削量的圓整，對讓刀量的設計，以及伺服驅動的修訂值等，但程序中的圓整與修訂仍不可避免地引起一定程度的執行誤差，導致實際加工生產出的零件與理想值存在偏差，甚至可能由于程序設計的不合理出現零件加工缺陷及報廢問題[3]。

4 數控車床的誤差補償

4.1 常規技術

數控車床的誤差補償常采用人工對程序進行合理化修訂的方式實現，由于現階段的自動編程仍可能存在一定程度的不合理，因此，人工修正是降低制造誤差、減少生產缺陷的有效手段。人工修正程序進行誤差補償的優點是可有效利用工人的經驗，使加工過程更為合理，并對行程路線、切削進給路線等進行優化，有利于實現最短路徑下的高效車削加工。但人工進行程序修正和誤差補償也存在一定的弊端，一是人的思維局限性可能導致誤差修正、誤差補償的不全面及不合理；二是人工修正對于復雜結構的零件不適用，冗長的加工程序可能耗費大量的人力和時間進行誤差補償修正，且仍可能達不到預期效果。

4.2 軟件修正

針對傳統人工開展的誤差調整存在的諸多不便和問題，數控技術的誤差補償逐漸向軟件修正方向轉變，軟件系統對數控車床常存在的誤差位置進行統計，將數控車床的典型誤差歸類為約30項，其中包括了直線度誤差、定位誤差、平移誤差、扭擺角誤差、垂直度誤差等，可通過軟件系統開展專項的參數修正。現階段應用較多的數控車床誤差補償技術具有統一性特點，該技術的組成主要包括數控機床誤差檢測與數控機床空間誤差補償兩大體系。

4.2.1 數控車床誤差檢測

傳統的數控車床誤差檢測采用人工比對制造零件缺陷，并測量數控車床關鍵位置數值進行分析，過程十分復雜，隨著軟件技術的升級，自動化的誤差檢測技術得到廣泛應用。現階段常用的誤差檢測技術包括平面正交光柵法(GGET)和激光干涉儀(Laser Interferometer)測量技術等。平面正交光柵法主要利用安裝于車床工作臺上的精密平面正交柵紋光柵作為基準，利用主軸一端安裝的讀數裝置作為測量與顯示器，能夠精確測量車刀的運行軌跡，檢測的精度可達5～10 nm。激光干涉儀是利用激光測量技術研制的新型誤差監測裝置，數控機床上應用的激光干涉儀以雙頻激光干涉儀為主，其能夠適應大范圍的測量要求，測量精度可達納米級，且對于角度、直線度、振動幅度等參數均能實現精確測量[4]。

4.2.2 數控車床空間誤差補償

利用軟件技術結合誤差檢測結果進行空間誤差補償已經經歷了多年的研究和應用，技術理論的早期研發者為法蘭克公司(FANUC)和西門子公司(SIEMENS)，主要是利用誤差檢測的數據開展資料分析，并利用分析結果控制機床進行刀具位置的調整，再利用誤差檢測技術進行刀具位置調整后的驗證[5]。在傳統的數控車削加工過程中，主要采用直接修改程序代碼的方式進行修正，這種方法簡單便捷，但是對生產過程中出現的新的誤差問題適應能力不足，基于這一問題，現階段的數控車床誤差補償多采用以下兩種適應性更好的新技術。1)原點平移誤差補償是一種實時補償誤差的新技術，其特征是在完成誤差補償的同時不改變源程序代碼，只通過分析誤差因素對系統的原點位置進行調整，使原點向誤差的反方向平移，達到修正的目的，具有簡單、對控制過程干擾小、效果顯著的特點[6]。2)反饋截斷式誤差補償是利用編碼器的反饋信號增加或減少反饋脈沖實現誤差補償，利用機床綜合誤差相等的脈沖信號與編碼器反饋信號進行相加或相減，實現快速修改反饋信號，從而實時調節機床運動軸的位置，該技術應用過程相對復雜[7]。

5 結語

隨著現代制造業的快速發展，數控車床的技術和工作性能得到了快速提升，但數控車床的應用過程仍不可避免地出現加工缺陷問題，通過誤差補償技術的應用，結合生產經驗進行車床技術的升級，能夠有效提升車床的制造精度和生產質量，使其更符合現代化生產的發展需求。