數控加工精度的影響因素和改進對策

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摘要：加工精度是衡量零件加工質量的重要指標，隨著數控機床的廣泛應用和各種先進制造技術不斷出現，零件生產質量和生產效率得到極大提高。但是機械加工過程中不可避免地存在著誤差，使零件的精度受到影響。筆者通過分析數控機床加工精度的影響因素，發揮現代機械加工技術的優勢，提出了合理消除系統誤差、優化數控加工工藝、加強設備管理與員工培訓等針對性很強的技術改進策略，有效提高了數控機床的加工精度。

關鍵詞：數控機床；加工精度；加工工藝；誤差補償

隨著汽車、高鐵、航空航天等行業的高速發展，各種先進的現代機械制造技術不斷涌現，其中數控機床以自動化程度高、生產效率高、加工精度高等優勢，得到了廣泛的應用。傳統的機械加工技術中，零件的加工質量和工人的技術水平有直接關系，加工精度易受人為因素影響。而數控機床的加工方式具有智能化、虛擬化和信息化等特點，加工精度更多是和檢測裝置的測量精度、數控機床的自動化控制性能以及數控編程技術等息息相關[1-2]。機械加工技術的進步，使得加工精度的影響因素也發生了變化，提高機械加工精度的對策也有所不同。

1  影響數控加工精度的因素分析

1.1機床系統誤差

1）機床性能直接影響加工精度。數控機床集智能制造技術、自動檢測技術和信息控制技術于一體，機床的性能直接影響到零件的加工精度。數控機床在設計過程中的缺陷、伺服控制系統的傳動誤差、測量反饋系統的精度誤差、機床制造裝配和調試的幾何精度誤差以及機床的制造成本等，都會影響數控機床的性能及加工精度。另外，廠家生產的數控機床通常會依據客戶需求，匹配不同的數控系統，數控機床使用的 CAD/CAM 軟件和數控系統、機床硬件之間的匹配水平，也會間接地影響加工精度和產品質量。

2）設備磨損降低機床運行精度。在數控機床工作過程中，機床零部件必然會產生磨損，而且隨著機床長時間高強度的生產加工，關鍵零部件的磨損程度會不斷加深，例如導軌、主軸、夾具等，在數控加工過程中要求有極高的精度，其磨損直接導致數控機床的定位精度、傳動精度降低[3]。主軸組件、導軌等零部件的磨損及熱變形會導致數控機床加工中出現系統誤差和隨機誤差，這是零件加工精度降低的重要原因。

3）誤差難以及時修正。在傳統普通機床加工過程中，機床自身熱變形或者零部件磨損等因素引起的加工誤差，可以通過多次測量和工人自身技術水平在機械加工過程中隨時進行校正。而數控機床的自動化程度極高，加工中出現的各種誤差難以及時進行修正，往往是發現零件加工精度降低后，對機床進行維護檢修，通過精度檢測和傳動間隙調校，或者更換磨損的零部件，才能減小機床的綜合加工誤差。數控機床的檢修對技術技能要求極高，通常企業技術人員很難勝任此工作，數控機床的生產廠家又缺乏大量的人力去長期維護其所有產品，等發現零件出現質量問題時，數控機床的加工精度已經受到嚴重影響。

1.2溫度因素的影響

1）機床熱變形對加工精度的影響。在傳統普通機床加工過程中，零件的非加工輔助時間比數控加工的時間要長，機床傳動系統有較長的冷卻時間，機床工作時因溫升產生的熱變形容易恢復，其熱變形對零件的加工精度影響相對較小。而數控機床尤其是加工中心，加工前刀具的安裝、對刀及定位等輔助環節都是提前完成的，生產加工過程中無需再重復此類輔助工作，加之數控機床的換刀、定位和傳動速度極快，大大縮短了非加工時間，生產效率和自動化程度較高，導致數控機床長期處于高強度、大批量的生產狀態，機床本體的溫升會比普通機床更高，機床零部件的熱變形對數控加工精度的影響更加明顯[4]。研究數據表明，因熱變形所產生的誤差占數控機床綜合加工誤差的40%~70%。

2）溫度補償難以精確控制。技術人員在編程過程中，補償參數可以通過高精度的儀器測量后得出，比如間隙補償參數等；也可以通過統計數據進行計算分析后得到，比如刀具補償等。而機床熱變形對加工精度的影響很難精確測量，數控程序中的溫度補償參數也難以準確設置，加工精度勢必會受到溫度變化的影響。

3）刀具和工件的熱變形。對工件進行加工過程中，刀具和工件之間會因為切削摩擦產生大量熱能，從而使刀具和工件均產生熱變形，如果散熱不足，會導致工件產生尺寸誤差和幾何形狀誤差。

1.3零件加工工藝的影響

1）定位誤差。在數控加工過程中會出現定位誤差，其包括兩個方面，一個是基準不重合誤差。在零件圖中用來確定某一表面尺寸、位置所依據的基準稱為設計基準；在加工程序中用來確定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依據的基準稱為工序基準；在數控機床上對工件進行加工時，選擇工件上若干幾何要素作為加工時的定位基準。如果數控程序所選用的定位基準與設計基準、工序基準不重合，就會產生基準不重合誤差[5]。另一個是基準位置誤差，由于工件的定位基準面的實際加工尺寸存在誤差，夾具本身存在制造誤差及磨損等情況，會導致零件出現定位基準不重合誤差。

2）受力變形。在零件加工過程中，刀具對被加工表面進行切削會產生巨大的熱能，導致零件內部出現熱變形及熱應力；刀具的切削擠壓會導致零件表面產生塑性變形和切削應力，這兩個原因都會導致零件加工時產生應力變形，剛加工完的零件內部仍然有殘余應力存在，放置一段時間后零件內部的殘余應力消失，零件的尺寸和形狀因此發生變形，零件的加工精度受到嚴重影響。此外，工藝路線的選擇不同，如定位基準的選擇、機加工設備的選擇、刀具的選擇、切削方式的選擇、加工路徑的選擇等不同，導致工件受力變形的程度不同，加工過程中產生的殘余應力大小不相同，對加工精度的影響也不同。

3）編程質量。零件的加工工藝方案不同，其加工精度和質量也不同，數控加工程序是根據零件加工工藝方案編制的自動加工程序。技術人員通過數控軟件輔助編制數控加工程序，而數控軟件對工藝參數的設定值，往往和零件實際加工工藝的要求有出入；如果數控程序中相關補償參數設置不合理，如伺服傳動系統的螺距誤差補償、反向間隙補償等，會直接影響到數控機床的傳動精度，進而影響零件的加工精度。此外，數控程序也會因為編程原點的選擇、計算偏差、逼近誤差、插補誤差和圓整誤差等因素，導致零件的加工精度受到影響。

1.4其他因素

數控機床大量使用了傳感檢測技術，并依托檢測系統的測量數據反饋數控系統，進而提升零件的加工精度。在零件加工過程中，傳感器的性能、環境溫度的變化、電磁信號的干擾、測量裝置的污染等因素，都會影響到檢測系統的測量精度；數控機床床身的振動、主軸和導軌的剛度、機床的散熱、傳動系統的潤滑等因素，都會干擾設備的傳動精度；刀具的磨損程度對加工精度的影響也不容忽視；企業生產管理的規范程度、數控機床的運行及保養、維護檢修的技術水平、數控操作人員的專業素養等因素，都會影響到數控機床的加工精度[6]。

2  提高數控機床加工精度的策略

2.1合理消除系統誤差

1）優化工藝參數。提高數控機床的加工精度，可以通過調整優化工藝參數實現。如可以根據零件的精度要求選擇相應規格的刀具；調整背吃刀量，控制切削深度，減小切削力和機床振動對精度的影響；合理規劃切削路線，減小因切削加工零件應力變形的程度；優化主軸轉速、切削速度和進給速度，降低表面粗糙度，提高零件尺寸精度；通過補償矯正、誤差抵消、間隙補償、反向偏差補償等技術措施，根據零件加工的實際情況，科學調整加工程序中的工藝參數，減小機床系統因素引起的誤差，提高零件的加工精度[7]。

2）應用誤差補償技術。數控機床因設計、制造、裝配技術及生產成本等原因，機床系統各構件間的幾何精度難以精確，許多數控系統提供了各種先進的誤差補償功能來消除機床系統誤差。①螺距誤差補償，可以通過測量機床實際傳動時產生的位置誤差，合理設置補償參數，實現對伺服系統傳動產生的誤差進行補償，提高傳動精度；②空間誤差補償，借助高精度的專業檢測儀器，如激光干涉儀、高精度編碼器等，對數控機床各運動軸之間的垂直度、直線度、傾斜度、水平度等方面因制造裝配產生的空間幾何誤差進行測量，根據測量出的機床各項實際幾何位置參數，利用空間補償指令進行空間誤差補償；③垂直誤差補償，可以補償由于某一軸位置發生變化后，導致其他軸的位置變化所產生的垂直度誤差；④反向偏差補償，可以抵消數控機床加工過程中產生的總誤差，類似的指令還有刀具補償、熱誤差補償等。采用誤差軟補償技術，可以最大限度地減小機床系統因素對加工精度的影響，對減少加工誤差、提高數控機床整體加工精度有較好的效果。

3）保障數控機床的運行精度。在數控機床投入使用前和維護檢修時，專業技術人員要通過專業測量設備，檢測和調整機床伺服控制系統，通過預緊以消除滾珠絲桿的軸向間隙，緊固松動的聯軸器，調整軸承的間隙，更換磨損的零部件，減小傳動誤差；通過檢測發現主軸的徑向和軸向出現偏差、導軌磨損等情況，要及時進行維修和調整，確保機床的位置精度、幾何精度；檢測到自動換刀裝置的重復定位精度降低時，必須對其中磨損的部件進行及時修復，減小定位誤差；對檢測系統進行定期的檢測、精度校準與維修保養，結合產品質量的變化及時校核調整傳感檢測裝置，采取相應的糾偏措施，保證測量精度，減小數控機床的系統誤差。

2.2控制溫度

1）控制數控機床的工作溫度。在數控加工過程中，過高的機床工作溫度會對零件加工精度產生負面影響。可以通過風冷或者循環油冷卻等措施進行散熱，也可以在機床上裝設恒溫油箱，合理地控制設備的工作溫度，避免設備出現超溫現象[8]；控制環境溫度，避免環境溫度升高對加工精度的影響；同時要控制數控機床液壓油箱的溫度，避免溫度過高影響機床液壓系統的穩定性和傳動精度。

2）控制零件加工溫度。零件加工過程中會產生熱變形，熱變形會導致加工誤差。因此，要通過切削液降低零件的加工溫度，既要避免溫度變化影響零件的表面加工質量，也要避免因溫度急劇變化導致零件內部出現裂紋等現象。在具體加工生產過程中，要采取措施逐步調整和控制零件的加工溫度，必要時要提前對零件進行粗加工和半精加工，對半成品采取消除應力的技術措施，使之滿足零件的加工工藝要求，提高零件的加工精度。

3）降低刀具切削溫度。在機械加工時刀具會因為高溫變形、變軟和磨損，影響加工精度。通常用切削液對刀具及工件進行沖洗冷卻降溫，提高刀具的硬度和強度，減少刀具的磨損，延長刀具的壽命；同時降低零件的加工溫度，提高零件的表面加工精度。在數控程序中，要選擇合適的切削形式，選擇耐磨耐熱性能好的切削刀具，降低刀具切削溫度，減少刀具因素對加工精度的影響。

2.3優化數控加工工藝

1）優化工藝參數，提高編程質量。零件加工精度會受到數控編程質量的影響，這就要求編程人員要有豐富的數控加工經驗，能根據經驗修正數控程序中的加工參數和加工路徑，如進給量、轉速、切入點等。數控程序的工藝流程要合理規范，對影響加工精度的相關因素，可以通過改進工藝流程予以避免。在零件加工過程中，及時修改影響加工精度的工藝參數，確保零件加工工藝的合理性，從而提高編程的質量。

2）嚴格工藝基準，減小加工誤差。數控編程時，應根據零件特性及具體用途，合理確定編程原點，嚴格遵循編程基準、設計基準以及工藝基準相統一的原則。如在工藝流程中，盡可能避免多次安裝造成的定位誤差，確保數控編程原點與零件設計圖紙高度匹配。在大批量加工零件前，可以通過計算機仿真加工、零件試加工等技術，檢驗定位精度和加工精度，從而有效地減小數控機床的加工誤差[9]。

3）應用在機檢測技術，實時監控加工精度。高度自動化的數控加工過程中，如果出現誤差難以及時修正，對此可以通過在機檢測技術，對加工過程進行實時監測。一旦監測到加工過程中零件有誤差或者錯誤，即自動中斷加工過程，并及時根據誤差修改加工參數，避免零件加工完畢后進行質檢時才發現加工誤差、零件報廢的情況，這提高了數控加工的合格率，有效地解決了數控加工過程中誤差難以及時修正的問題。

4）利用大數據進行質量控制。現代機械制造技術和產品銷售、維修保養、市場反饋等內容息息相關，企業可以通過物聯網技術，把產品質量、成本、利潤、銷售和售后維護維修等數據作為參照因子，建立產品質量控制大數據平臺。數控技術人員通過大數據分析制定完善的機械加工工藝評價策略，跟蹤研究機械加工工藝對機械零部件加工精度的影響，根據分析結果及時調整機床數控加工程序，優化加工參數，持續地完善零件的加工工藝，提高零件加工的精度。

5）充分發揮現代制造技術的優勢。引入現代化產品設計和精度控制技術，如計算機精度輔助設計、可靠性設計、軟件校正技術及虛擬仿真技術等，對數控機床的加工精度實施智能控制，提高數控機床的運行精度和加工精度，做到數控機床與現代制造技術的高度融合，優化加工工藝，提高生產效率和產品質量。

2.4加強設備管理與員工培訓

1）改善數控機床的運行環境。在零件加工過程中，數控機床所處的環境也是影響零件精度的重要因素。在建設車間廠房時，要注意數控機床對環境通風散熱、清潔除塵、干燥除濕、遠離振源及避免陽光直射等要求，對溫度、濕度、振動等環境數據進行監測，減輕環境因素對數控機床的物理化學影響，創建良好的工作環境，保障設備的正常運行。

2）規范維護保養檢修制度。建立數控機床檢修維護制度，如定期對測量檢測裝置、伺服系統、定位精度、傳動精度等進行測量和校準；定期對數控機床進行清潔和潤滑保養，減少摩擦力對傳動系統的影響；定期檢查潤滑系統和冷卻系統，清理過濾裝置，避免因機床潤滑不足而導致摩擦阻力增加、磨損加劇和溫升異常等問題。通過定期的維護保養，保障數控機床運行的穩定性，提高數控機床的整體加工質量

3）提升員工專業素養。數控機床是高度自動化的機電一體化設備，機床的檢修涉及自動控制技術、傳感檢測技術、機械維修及電氣檢修技術等，對維修人員的專業知識技能要求極高。如果數控機床出現故障，如機械故障、數控系統故障、檢測系統故障、伺服控制系統故障等，機床的加工精度就會受到嚴重影響。因此，必須對數控機床技術人員進行系統的專業培訓，強化其安全責任意識、質量意識，避免人為因素影響數控加工精度；定期對員工進行職業素養培訓，培養創新意識和工匠精神，逐步提高數控技術人員的專業素養[10]。

3  結語

數控機床在現代化機械制造生產線上得到了廣泛的應用，具有極高的加工精度和生產效率。在數控加工過程中，誤差是無法避免的，但是加工誤差是可以通過技術措施減小的。通過分析影響數控機床加工精度的各種因素，對可能產生誤差的原因進行探究，充分發揮現代機械加工新技術的優勢，提出有針對性的技術改進策略，可以有效地提高數控機床的整體加工精度和產品質量，提升企業的綜合效益。

作者：張旭霞 李立冰 單位：新疆兵團興新職業技術學院