浅谈零件的数控加工误差产生的原因及避免方法

数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的,但也发生了明显的变化。用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法。它是解决零件品种多变、批量小、形状复杂、精度高等问题和实现高效化和自动化加工的有效途径。数控加工的特点之一就是具有较高的加工精度,因此对于数控加工的误差必须加以严格控制,以达到加工要求。由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统(简称工艺系统)会有各种各样的误差产生,工艺系统的原始误差主要有工艺系统的几何误差、定位误差、工艺系统的受力变形引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的加工误差、工件内应力重新分布引起的变形以及原理误差、调整误差、测量误差等。这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式(或扩大、或缩小)反映为工件的加工误差。

一、数控机床加工误差产生的原因

(1)机床的原始制造误差。是指由组成机床各部件工作表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差所引起的机床运动误差,是数控机床几何误差产生的主要原因。

(2)机床的控制系统误差。包括机床轴系的伺服误差(轮廓跟随误差),数控插补算法误差。

(3)热变形误差。由于机床的内部热源和环境热扰动导致机床的结构热变形而产生的误差。

(4)切削负荷造成工艺系统变形所导致的误差。包括机床、刀具、工件和夹具变形所导致的误差。这种误差又称为“让刀”,它造成加工零件的形状畸变,尤其当加工薄壁工件或使用细长刀具时,这一误差更为严重。

(5)机床的振动误差在切削加工时,数控机床由于工艺的柔性和工序的多变,其运行状态有更大的可能性落入不稳定区域,从而激起强烈的颤振。导致加工工件的表面质量恶化和几何形状误差。

(6)检测系统的测试误差。包括以下几个方面:①由于测量传感器的制造误差及其在机床上的安装误差引起的测量传感器反馈系统本身的误差;②由于机床零件和机构误差以及在使用中的变形导致测量传感器出现的误差。

(7)由于工艺系统刚度变化引起的误差。工艺系统的刚度随受力点位置的变化而变化。例如:用三爪卡盘夹紧工件车削外圆的加工, 随悬壁长度的增加,刚度将越来越小。因而,车出的外圆将呈锥形。

(8)由于切削力变化引起的误差。加工过程中,由于工件的加工余量发生变化、工件材质不均等因素引起的切削力变化,使工艺系统变形发生变化,从而产生加工误差。

(9)由于夹紧变形引起的误差。工件在装夹过程中,如果工件刚度较低或夹紧力的方向和施力点选择不当,将引起工件变形,造成相应的加工误差。

(10)测量误差。量具本身的制造误差,测量条件引起的误差。①冷却后测量与加工后马上测量尺寸有变化;②测量力的变化也引起测量尺寸的变化。

(11)其它误差。如编程和操作错误带来的误差。

二、避免数控加工误差的方法

(1)直接减少原始误差法。即在查明影响加工精度的主要原始误差因素之后,设法对其直接进行消除或减少。例如,车削细长轴时,采用跟刀架、中心架可消除或减少工件变形所引起的加工误差。采用大进给量反向切削法,基本上消除了轴向切削力引起的弯曲变形。若辅以弹簧顶尖,可进一步消除热变形所引起的加工误差。又如在加工薄壁套筒内孔时,采用过度圆环以使夹紧力均匀分布,避免夹紧变形所引起的加工误差。

(2)误差补偿法。误差补偿法时人为地制造一种误差,去抵消工艺系统固有的原始误差,或者利用一种原始误差去抵消另一种原始误差,从而达到提高加工精度的目的。例如提高工艺系统刚度:提高工件和刀具的刚度减小刀具、工件的悬伸长度:以提高工艺系统的刚度;减小机床间隙,提高机床刚度 ,采用预加载荷,使有关配合产生预紧力,而消除间隙。采用合理的装夹方式和加工方式:减小切削力及其变化,合理地选择刀具材料,增大前角和主偏角,对工件材料进行合理的热处理以改善材料地加工性能等,都可使切削力减小。

(3)误差转移法。误差转移法的实质是转移工艺系统的集合误差、受力变形和热变形等。例如,磨削主轴锥孔时,锥孔和轴径的同轴度不是靠机床主轴回转精度来保证的,而是靠夹具保证,当机床主轴与工件采用浮动连接以后,机床主轴的原始误差就不再影响加工精度,而转移到夹具来保证加工精度。

(4)误差分组法。在加工中,由于工序毛坯误差的存在,造成了本工序的加工误差。毛坯误差的变化,对本工序的影响主要有两种情况:复映误差和定位误差。如果上述误差太大,不能保证加工精度,而且要提高毛坯精度或上一道工序加工精度是不经济的。这时可采用误差分组法,即把毛坯或上工序尺寸按误差大小分为 n组,每组毛坯的误差就缩小为原来的 1/n,然后按各组分别调整刀具与工件的相对位置或调整定位元件,就可大大地缩小整批工件的尺寸分散范围。误差分组法的实质,是用提高测量精度的手段来弥补加工精度的不足 ,从而达到较高的精度要求。当然,测量、分组需要花费时间,故一般只是在配合精度很高,而加工精度不宜提高时采用。

(5)就地加工法。在加工和装配中,有些精度问题牵涉到很多零部件间的相互关系,相当复杂。如果单纯地提高零件精度来满足设计要求,有时不仅困难,甚至不可能达到。此时,若采用就地加工法,就可解决这种难题。

(6)误差平均法。误差平均法是利用有密切联系的表面之间的相互比较和相互修正,或者利用互为基准进行加工,以达到很高的加工精度。

(7)误差合成法。要求测出机床各轴的各项原始误差,比较成熟的测量方法是激光干涉仪,测量精度高。用双频激光干涉仪进行误差测量,需时间长,对操作人员调试水平要求高。更主要的是对误差测量环境要求高,常用于三坐标测量机的检测,不适宜生产现场操作。相对误差分解、合成补偿法,测量方法相对简单,一次测量可获得整个圆周的数据信息,同时可以满足机床精度的检测和机床评价。目前也有不少的误差分解的方法,由于机床情况各异,难以找到合适的通用数学模型进行误差分解,并且对测量结果影响相同的原始误差项不能进行分解,也难以推广应用。误差的直接补偿法,一般以标准件为对照获得空间矢量误差,进行直接补偿,少了中间环节,更接近机床的实用情况。但获得大量的信息量需要不同的标准件,难以实现,这样补偿精度就受到限制。

三、结束语

使用数控机床加工零件,产生误差的原因非常复杂,本文对常见误差进行分析并列出几种常用解决方法,通过了解这些有效途径,有助于提高在数控机床加工的零件的精度。

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