數控機床切削控制能力對機械加工精度的影響分析

賈清娟 賀明彬

（江蘇省射陽中等專業學校，鹽城 224300）

機械加工精度即數控機床在加工過程中所能達到的精確程度，通常表現為工件尺寸的誤差或者形狀的偏差。機械加工精度的高低直接影響著加工零件的質量、裝配的精度以及整體生產效率。基于此，深入分析數控機床的切削控制對機械加工精度的影響，提出優化切削過程參數、改進加工工藝以提高機械加工精度的策略，對于進一步提升數控機床的加工精度和整體性能，推進制造產業高質高效發展具有重要意義。

1 機械加工精度的影響因素

1.1 切削速度

數控機床切削速度指材料在與切削工具接觸時相對于切削工具的速度。加快切削速度可以一定程度上提高生產效率，但也會對加工精度產生一定影響，主要體現在3 個方面。第一，熱變形。當切削速度過快時，刀具與工件之間會產生摩擦熱，過高的熱量導致工件出現熱膨脹和刀具磨損，進而造成加工精度下降[1]。第二，切削力。切削速度的加快會提高切削力，而切削力對機床結構和刀具穩定性有一定的要求。若切削力超過機床或刀具的承載能力，會導致機床結構變形、刀具振動，從而降低加工精度。第三，加工表面質量。切削速度過快易引發切削過程中的振動和共振現象，影響加工表面的光潔度和粗糙度。高速切削還會加快刀具磨損，進一步影響加工表面質量[2]。

1.2 走刀量

切削走刀量指在加工過程中刀具沿著工件表面的相對運動路徑，其在一定程度上影響著機械加工精度。若切削走刀量過大，會導致加工件的尺寸偏大或者尺寸不均勻，造成加工件與設計要求不符；若切削走刀量過小，會因為無法將材料完全切削而造成加工件尺寸偏小。當切削走刀量較大時，切削力和熱量集中在較小的區域，可能引起加工件表面出現燒傷、劃痕等問題，導致表面粗糙度增加[3]。在數控加工中，切削走刀量的大小與工具路徑有關，若切削走刀量不合適，工具路徑可能會偏離設計要求的輪廓，導致加工件形狀精度降低。

1.3 吃刀深度

切削吃刀深度指每次刀具接觸工件表面時切除的材料層厚度，其主要通過3 個方面影響機械加工精度。第一，切削吃刀深度過小，每次切削只能切除較薄的材料，需要進行多次切削才能完成工件的加工。在此工況下，不僅增加加工時間，還容易產生累積誤差，降低加工精度[4]。第二，切削吃刀深度過大會導致切削力增加。切削力是切削過程中作用在刀具上的力，過大的切削力容易引起振動和變形，導致工件表面質量下降，甚至造成刀具破損。第三，切削吃刀深度過大會增加切削過程中的熱量積累，使切削溫度升高，從而增加材料變形的可能性[5]。同時，較大的切削吃刀深度會影響切削液的供給和排出，降低切削液的冷卻效果和潤滑效果，進一步影響加工精度。

2 加強數控機床切削控制提高機械加工精度的措施

2.1 控制數控機床切削速度

切削速度過快或者過慢均會給機械加工精度帶來一定的不利影響，合理控制數控機床切削速度可以從5 個方面著手。

2.1.1 閉環控制

使用傳感器實時監測切削過程中的反饋信號，然后與設定值進行比較并調整切削速度，從而控制切削精度。例如，監測切削力或切削溫度，根據不同加工條件和材料性質自動調整切削速度，以保持切削精度穩定。

2.1.2 智能切削

數控機床加工時相關感知數據如圖1 所示。使用先進的算法和機器學習技術建立智能切削策略，根據工件材料、形狀、刀具性能等因素優化切削參數，包括切削速度，使得加工過程更加高效和精確[6]。例如，采用自適應切削速度策略，根據切削力變化實時調整切削速度，以保持精確加工。

圖1 數控機床加工時相關感知數據

2.1.3 動態切削速度控制

在機械加工過程中，不同位置和角度的工件表面狀況可能會不同，因此可根據實時檢測的工件表面質量信息來動態調整切削速度。例如，使用傳感器或成像技術檢測工件表面的光潔度、粗糙度等指標，將信息反饋給數控系統，自動調整切削速度，提高加工精度。

2.1.4 優化切削參數

根據不同材料和加工要求分析材料的硬度、切削力等特性，確定合適的切削速度范圍。例如：加工硬質合金材料時，將切削速度控制在100 m·min-1以上；對于高速鋼材料，優化速度為70 m·min-1，以提高加工效率和精度[7]。

2.1.5 數控編程

借助合理的數控編程控制切削速度的變化，避免因速度突然改變導致出現振動和共振問題。例如，在曲線切削或復雜輪廓加工時，編寫平滑過渡的切削路徑和合理的進給速度曲線，避免加工過程中速度急劇變化，以提高加工精度和表面質量。

2.2 控制數控機床進給量

過大的進給量會導致切削力集中在刀具的特定區域，從而引起振動和工件變形，造成切削不穩定，降低加工質量；過小的進給量會因為無法充分利用切削速度而降低加工效率。因此，在選擇進給量時，需要平衡加工效率和切削穩定性之間的關系。首先，控制進給量為0.15～0.30 mm·r-1，使切削力均勻分布在刀具上，減少振動和工件變形的風險[8]。其次，對偏心工件進行加工作業時，由于偏心工件的不均勻性會導致切削力不平衡，可能引起切削過程的不穩定，可適當降低切削速度和進給率，以提升加工的穩定性。當工件變得圓整后，根據具體情況和切削工藝逐步調整進給量，使加工效率最大化。最后，若加工的工件表面存在缺陷，則可在切削結束后反向移動刀具，在工件表面再次切削，以較大的背吃刀量盡可能消除或修整工件表面的缺陷。當表面質量得到改善后，逐漸減小背吃刀量，使加工過程更加平穩，保證加工精度。

2.3 控制數控機床單擺振動問題

在數控機床切削控制中，將機床的單擺共振作為重點，對于降低對加工精度的影響具有重要意義。第一，減小主軸電機的輸出轉速或調整切削過程中的進給速度來降低數控機床的轉速，進而控制切削力的作用和振動幅度。第二，優化刀具的選擇和切削參數的設定，適量減小切削深度并確保合適的幾何形狀，從而減少切削力，降低振動幅度。第三，采用增加切削液的流量和壓力、提高切削液的冷卻效率等方式，有效降低切削溫度，減少切屑的黏附，避免切削力和振動的產生。第四，檢查數控機床的各部件剛度，包括床身、主軸、進給系統等，并及時修復和調整松動或磨損的部件，以保證機床的穩定性和剛性。第五，在數控機床的結構或工作臺上設置減振工具，如減振墊等，有效吸收和減少振動的傳遞。同時，可以采用彈性補償裝置或減振設計來降低振動對機床和工件的影響。第六，在數控機床常規加工過程中，結合機床的運動特性與加工要求設定靜態刀具路徑，如果加工件的外觀和型腔比較復雜，靜態加工路徑將會產生比較明顯的工件與刀具間的振動，影響加工精度[9]。因此，在切削控制過程中可設置動態刀具路徑。首先，利用傳感器等設備對刀具的振動進行實時監測和分析，結合信號處理和頻譜分析等方法獲取刀具振動的頻率和幅值等參數。其次，提取和識別待加工工件表面的幾何特征，獲取工件的幾何形狀、表面曲率和紋理等信息。再次，根據刀具振動數據和工件表面特征，結合切削力模型和機床動態模型等，使用自適應控制算法、模型預測控制等方法，調整刀具運動參數，使其盡量接近理想的穩定狀態。最后，使用遺傳算法、粒子群算法等優化算法優化切削路徑，減少刀具與工件之間的振動或共振，使刀具運動更加平穩和穩定，提高機械加工的精度。第七，使用非標刀具，如不等分銑刀和不等距銑刀，可以改變切削過程中刀具的幾何形狀和結構，從而改變切削力分布，進而改變機床-工件-刀具系統的動力學特性，減小切削過程的振動，提高機械加工精度。對于非標刀具，可以根據具體加工要求進行優化設計。例如，在不等分銑刀中，可以優化刀齒的形狀、角度和間距來調整刀具的切削性能，降低切削力波動。在不等距銑刀中，可合理設計刀片的分布和排列方式，以減少切削過程中可能產生的共振現象。對于特殊形狀的非標刀具，需要改進其在機床上的固定方式，使用更穩定的夾具或定位裝置來確保刀具的穩定性和精確定位，減少振動的產生。根據加工要求，采用合適的加工策略。例如，在不等分銑刀中，合理選擇進給路徑和切削路徑，避免切削過程中產生劇烈的載荷變化，減小振動的可能性。

2.4 選用減振刀具

刀具的結構設計對于減振效果起著關鍵作用，例如，采用中空結構可以減輕刀具自身質量，降低振動產生的能量，調整刀具刃面和刀柄的幾何參數可以進一步改善減振效果。因此，可從3 點優化刀具設計，增強切削控制能力，降低對加工精度的影響。第一，將刀刃分為多個相鄰的片段，使每個片段的螺旋角度都不同。例如，將刀片劃分為奇數個片段，其中每兩個相鄰片段的螺旋角度不同，保證每個刀片在切入材料時受到的力更加均勻，從而減小切削時的沖擊和振動。根據切削材料的性質和加工要求選擇不同的螺旋角度，較大的螺旋角度用于高速切削和硬質材料，較小的螺旋角度用于較低切削速度和軟性材料。另外，對刀刃進行表面處理，如采用特殊涂層或噴鍍膜等，提供更好的耐磨性和摩擦性能，從而減少切削時的波動并減小摩擦力。還可以設計使用不等螺旋角、呈軸對稱分布的刀刃，使切削過程更加穩定，減少切削力的波動，并降低振動對加工質量的影響[10]。第二，在刀具內部設計彈性體，有效降低切削過程中的振動，并提高切削精度。彈性體作為一種能夠吸收和減少振動傳遞的材料，當刀具受到外力作用時，彈性體能夠通過其自身的柔軟性和彈性來吸收和分散振動的能量，從而降低振動對刀具的影響。第三，在切削過程中，由于摩擦等原因，刀具會產生熱量，熱量如果不能被及時帶走，會導致刀具溫度升高，降低刀具的切削性能。在減振刀頭的位置設計小孔，用于噴射切削液，保持刀具溫度在可控范圍內，增強切削控制能力。同時，切削液具有潤滑性能，有利于切屑的排出，減少切削力的消耗，提升加工精度和表面質量。

3 結語

數控機床的切削控制能力直接決定機械加工的形狀、尺寸、位置和表面質量等方面的精度，良好的切削控制能力可以保證機械零件在加工過程中的各項參數符合設計要求，從而提高工件的加工精度。為降低切削速度、走刀量、吃刀深度等切削控制參數對加工精度的影響，在生產加工過程中應結合實際調控切削速度，合理選取進給量，并加強機床和刀具的振動控制，提升數控機床切削控制系統的穩定性。