影响数控车削加工精度的原因及对策
摘 要：在机械制造基础课程中，对影响机械加工精度的原因分析较为透彻，但针对影响数控车削加工精度的原因分析较少，文章结合实践经验，对影响数控车削加工精度的原因作了较为详细的分析和阐述，并对如何提高加工精度提出了一些切实可行的对策，以供相关工作者的参考和借鉴。
关键词：数控车削；加工精度；原因；对策
随着数控加工技术的不断发展，高速度、高精度、高效率的数控机床不断出现，极大地提高了生产效率和产品的质量，缩短了产品生产周期，提高了市场竞争能力。但无论技术如何发展，加工过程中的各种因素尤其是人的因素对加工质量的影响都是不可忽视的，本文针对数控车削加工过程中产生加工误差的原因进行了分析和阐述，对于如何提高加工精度，提出自己的一些做法和对策，以供广大同行参考和借鉴。
1 机械加工精度概述
所谓加工精度是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的符合程度。零件的机械加工精度包含三方面的内容：尺寸精度、形状精度和位置精度。其中，尺寸精度获得的方法有试切法、调整法、定尺寸刀具法、自动控制法等；形状精度的获得方法有机床运动轨迹法、成形法、仿形法、展成法等；位置精度的获得方法有一次安装获得法、多次安装获得法等。而加工误差是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的偏差程度。在机械加工中，加工精度的高低是以加工误差的大小来评价的。加工误差越大，表明零件的加工精度越低；反之，加工误差越小，则表明零件的加工精度越高。任何一种加工方法，不论采用多么精密的机床，都不可能把零件制造得绝对精确，总会有加工误差的存在，只要将其控制在不影响机器使用性能的范围内就可以。
2 影响数控车削加工精度的原因及对策
影响数控车削加工精度的原因包括数控车床误差、夹具误差、刀具误差、工艺系统受力变形、工艺系统热变形、刀具磨损、编程方法、操作方法等几个方面。本文针对其中的几个典型原因进行分析，找出具体对策，以提高零件的加工精度。
2.1 数控车床误差对加工精度的影响及对策
数控车床误差主要包括数控车床主轴回转运动误差、数控车床导轨误差、数控车床主轴轴线与导轨的平行度误差、尾架中心与主轴轴线的同轴度误差、进给系统的传动链制造误差等因素。
①尾架套筒中心线与主轴轴线同轴度对加工精度的影响及对策。该误差使工件的回转轴线与导轨之间不平行，影响所车工件的圆柱度，在实际加工之前，通常采用试切法精确调整其同轴度或用芯棒调整其同轴度。
②进给系统传动误差对加工精度的影响及对策。数控车床进给系统一般采用滚珠丝杠螺母传动，由于滚珠丝杠与螺母之间存在间隙，工作台反向运动时，间隙容易造成电动机空走而工作台不运动现象。在半闭环控制系统中将直接影响工件直径尺寸及过象限圆弧的光滑程度。具体对策：采用预紧和调整的方法，减小间隙；对于剩余间隙，在半闭环系统中可将其参数测出，作为参数输入数控系统。每当数控车床反向运动时，数控系统会控制电动机多走一段距离，这段距离等于间隙值，从而补偿了间隙误差。因此，在实际使用中，每隔一段时间要测量一下换向间隙，并将该换向间隙值输入数控系统，以保证补偿正确。对全闭环系统，传动间隙会使进给系统产生颤振，影响加工精度，但对全闭环系统不能采用以上补偿方法，一般只能从机械上减小或消除间隙。因此，在实际使用中，每隔一定时期要预紧一下滚珠丝杠螺母副。
2.2 工艺系统受力变形对加工精度的影响及对策
工艺系统的受力变形是指系统在夹紧力、切削力、惯性力等外力作用下所发生的变形，破坏了刀刃与工件间已调整好的相对位置，从而产生加工误差。夹紧力引起的变形对加工精度的影响及对策。
在夹紧力作用下，工件将产生变形，如图1所示，车削薄壁套时，若采用三爪卡盘直接夹持工件，在夹紧力的作用下，工件的夹持部位产生变形，直径将缩小，车削后松开卡盘，变形回复，夹持部位直径扩大，工件横截面变成三棱形（如图2），具体对策有：采用轴向开槽的环形套夹紧工件或轴向夹紧工件。
切削力引起的变形对加工精度会产生较大影响，需要加以关注，切削力可以使刀具、工件等产生变形，例如，车削内孔或内螺纹时，刀具在切削力的作用下将产生明显的径向变形（见图3），即产生让刀现象，使所车出孔的直径或内螺纹的大径小于编程值。具体对策是：根据让刀量的大小在相应刀具的磨耗中输入一个相应的数值，假定车削后的实际直径比理论值小0.1 mm，则应在磨耗中输入0.1 mm。
又如，采用三爪卡盘直接夹持。车削圆柱面时，由于工件在切削力作用下的变形，使所加工工件直径右大左小，形成倒锥形。为解决这个问题，可根据实际倒锥量的大小在编程时改变加工起点径向尺寸，笔者在加工如图4所示工件时，因其直径较小，不便于采用两顶尖装夹，按普通轴类零件编程，其主要指令如下（编程原点在工件右端面中心）：
G00 X10 Z2
G01 Z-80 F0.15 X16
G00 X100 Z100
加工后，产生约0.12 mm的圆柱度误差，将程序改成如下内容，则圆柱度误差可以基本消除。
G00 X9.88 Z1
G01 X10 Z-80 F0.15 X16
G00 X100 Z100
再如，车削加工余量不均匀的铸件毛坯时，由于余量不均匀导致切削力变化，使加工后的尺寸误差和形状误差产生了与毛坯误差相似的现象，此现象称为误差复映。解决办法是：采用粗车、半精车、精车的顺序进行加工，以减小误差复映。如图5所示，轮廓A为毛坯形状，轮廓B为粗车后形状，轮廓C为半精车后形状，轮廓D为精车后形状，经过粗车、半精车、精车的顺序加工后，误差复映基本消除。2.3 工艺系统热变形对加工精度的影响及对策
工艺系统在各种热源的作用下，会产生相应的热变形，从而破坏了工件和刀具之间正确的相对位置，造成加工误差。
针对热变形采用的对策有：
①减少热量的产生并增强散热能力。如加注适当的冷却液，冷却工件与刀具。
②减少受热变形对数控车床精度的影响。如在加工前预热数控车床，待车床达到热平衡后再开始加工。
③减少受热变形对工件的影响。如一夹一顶装夹时，采用弹性后顶尖，给工件自由膨胀的空间，减少工件弯曲变形，从而提高加工精度。
④减少受热变形对测量结果的影响。如精加工时，待工件冷却后再测量其尺寸，以提高测量精度，减少测量误差。
2.4 刀具磨损对加工精度的影响及对策
随着切削的不断进行，刀具的尺寸逐渐减少，特别是多件或走刀长度比较长的切削，刀具磨损严重。而刀具的过量磨损将使加工条件恶化，给继续正常加工带来困难。刀具磨损将使工件的直径增大（车外圆时）或减小（车内孔时）。采用的具体对策为：在实际加工时根据直径变化量，在相应刀具的磨耗中输入相反的值。例如在车外圆时，如果原来的直径尺寸正确，因刀具的磨损，工件直径比原来增大0.03 mm，则在相应刀具的磨耗中输入-0.03 mm即可解决问题。
2.5 刀尖圆弧半径对加工精度的影响及对策
在不进行刀尖半径补偿时，是控制假想刀尖A沿编程轨迹运动，如图6所示，在车圆柱或台阶面时，假想刀尖轨迹与实际切削轨迹重合，不产生加工误差。
在加工锥面、圆弧面时，假想刀尖轨迹与实际切削轨迹不重合，产生欠切削或过切削，从而影响尺寸精度和形状精度。如图7中，点A为假想刀尖，直线b为图形外圆锥面，也是编程轨迹。不进行刀尖半径补偿时，假想刀尖沿直线b移动，而刀尖圆弧所形成的实际表面为直线c，加工后的实际表面与编程轨迹不重合。因此，在实际加工锥面、圆弧面时，如果加工精度要求较高，则应根据刀尖圆弧半径大小引入相应的半径补偿。补偿时的编程与操作方法请查阅相关资料。
2.6 编程技巧对加工精度的影响及对策
2.6.1 坐标表达方式的影响及对策
数控编程时，刀具运动坐标值通常有两种方式，绝对坐标和相对坐标。刀具运动坐标值是相对于坐标原点给出的，则称为绝对坐标，相应的编程方式称为绝对编程；若刀具运动坐标值是相对于前一点给出的，则称为相对坐标，相应的编程方式称为相对编程。相对编程的原点在不断变换，连续移动时必然产生累积误差。绝对编程时，由于有统一的基准点，累积误差比相对编程要少得多。数控加工时，径向精度一般比轴向精度要求高，因此，编程时径向尺寸一般应采用绝对编程，轴向尺寸可根据编程方便，采用绝对编程或相对编程。
2.6.2 零件公差带的影响及对策
编程时，一般采用零件的基本尺寸编程，在磨耗中输入补偿值即可满足加工精度要求。但有些情况下，编程尺寸不能采用图纸的基本尺寸，如图8中所示，若采用基本尺寸编程很难满足加工精度要求。
此时可采用平均尺寸编程，主要程序段如下：
G00 X29.96 Z2
G01 Z-44.97 F0.2 X40
Z-76.04 X46
G00 X100 Z100
2.6.3 刀具运动轨迹对加工精度的影响及对策
加工如图9台阶轴，若采用图中ABCDE的轨迹编程，则从A至B时，刀具径向切入，从C至D时，刀具径向退出，中间存在换向过程，必然影响台阶的直径尺寸，从而影响加工精度。
若采用图10的轨迹编程，实际切削时不存在换向过程，从而消除换向对加工精度的影响，提高加工精度。
2.6.4 拟合误差对加工精度的影响及对策
在非圆曲线的加工时，一般采用直线拟合曲线，若拟合误差过大，则可能影响加工精度，若拟合误差过小，则拟合线段过多，使程序过长，影响加工效率。
例如，加工图11所示椭圆时，一般采用等间距分割，在分割点用直线拟合曲线，由图可知，在曲率越大的地方，拟合误差越大，因此，在等分时，应保证曲率最大处的拟合误差不超过允许值。
2.7 操作因素的影响及对策
①工件装夹对加工精度的影响及对策。若工件装夹不当，将严重影响加工精度，甚至使加工不能正常进行。例如：常用的一夹一顶装夹，看似简单，若夹持过长，则容易产生过定位，后顶尖不能自如地顶入中心孔，工件易跳动；若顶得太紧，则工件容易产生弯曲，若顶得太松，则工件容易产生振动，因此夹持长度要适中，顶紧力的大小也要适中才能保证加工精度。
②对刀精度对加工精度的影响及对策。精车刀的对刀精度直接影响零件的加工精度，对刀时应按对刀要求仔细对刀。为消除对刀影响，具体对策是：可在精车前留1 mm加工余量，分两次精加工，第一次在精车刀的X方向磨耗中输入0.5，第一次精车后，实际测量剩余的加工余量，第二次精车时作相应的修正。
3 结 语
综上所述，影响数控车削加工精度的原因比较多，针对产生误差的不同原因选择行之有效的对策来减少加工误差，提高加工精度是每一位数控车削加工操作者孜孜追求、力争达到的目标。
参考文献：
[1] 高枫，肖卫宁.数控车削编程与操作实训[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2] 崔虹雯.机械制造基础[M].北京：广播电视大学出版社，2006.
[3] 眭润舟.数控编程与加工技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4] 夏端武，李茂才.FANUC数控车编程加工技术[M].北京：化学工业出版社，2009.
