浅析影响数控车床加工精度的因素

引言

　　随着现代制造技术的发展，数控车床越来越普及。与普通车床相比，其在控制系统、伺服驱动、机械结构等方面发生了具大变化。数控车床采用数控系统控制，两轴采用伺服电机直接驱动，大大缩短了原来普车的机械传动链，在消隙、减磨等方面有了很多改进。同时采用闭环或半闭环的系统，使加工工件具有生产效率高、产品质量稳定、加工过程柔性好、加工性能强等特点。但想要在实际生产中实现高精度加工，就必须对影响数控加工精度的因素进行比较全面的了解，进而找出切实可行的误差控制方法。

1 机床精度误差

　　根据被加工工件的加工精度要求，机床按绝对分级法分为六个绝对精度等级，分别用罗马数字Ⅴ、Ⅵ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ表示，Ⅵ级精度最低，Ⅰ级精度最高。车床的加工精度一般为IT6～IT7，对应绝对精度为Ⅴ级。根据误差产生原因，机床的精度误差大致可分为系统误差和随机误差两类，一般影响机床精度的因素大致都可归在上述两类误差中，如图１所示。

图1

2 机床系统误差

　　机床的系统误差是机床自身产生的，在制造过程中形成的。它可分为：定位精度误差、几何精度误差、机床部件刚性误差等。

　　2.1 定位精度误差

　　由于机床在装配过程中要受到主轴精度、导轨精度及丝杠等定位精度的影响，因此要对以上精度误差进行控制。下面详细介绍以上三种误差：

　　a) 主轴回转误差，机床主轴是装夹工件或刀具的基准，并将运动和动力传给工件或刀具，主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度；

　　b) 导轨误差，导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准，也是机床运动的基准。其误差主要分为两方面：一方面是导轨在水平面内和垂直面内的直线度误差；另一方面是前后导轨在垂直面内的平行度误差。前者直接决定刀具是否能均匀而平稳地直线进给，从而影响被加工零件的几何精度。此外，机床床身导轨还承受刀架等部件的重力及工作载荷，当机床工作时，功能部件在导轨上往复移动，这要求导轨副良好的低阻尼性。否则，势必会使运动部件产生爬行现象，不能精确定位。后者直接降低机床导轨的精度和使用寿命。导轨的不均匀磨损和安装质量，也是造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。

　　c) 传动链误差，传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。

　　2.2 几何精度误差

　　a) 刀具的几何误差：刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。采用成形刀具、展成刀具加工时，刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度，例如加工油套管螺纹时使用的螺纹梳刀，它的精度直接影响到管螺纹的精。但对一般刀具，其制造误差对工件加工精度无直接影响。

　　b) 夹具的几何误差：夹具的作用是使工件相当于刀具和机床具有正确的位置，因此夹具的制造误差对工件的加工精度有很大影响。

　　c) 基准不重合误差：定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差，只有在采用调整法加工时才会产生，在试切法加工中不会产生。

　　d) 定位副制造不准确误差：工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。定位误差在基准不重合误差和定位副制造误差的方向不同时，取两者的矢量和。

　　2.3 机床部件刚度误差

　　机床由很多部件组成，它决定了机床的整体刚度。就车床而言，对机床精度影响较大的有：床身刚度、导轨刚度、丝杠刚度以及床鞍刚度等。上述因素，均会导致在工件中产生较大变形，甚至出现振动，从而使工件的出现振纹，表面光洁度和几何精度达不到要求。但到目前为止，尚无简易的刚度计算方法，这些部件的刚度主要还是通过实验方法来测定。因此在设计机床部件结构时，应选择刚度较大的结构，选用刚性好的材质，合理选择吃刀量和进给速度，尽量减小部件刚度对工件加工精度的影响。

3 随机误差分类

　　机床的随机误差是由外部条件引起的，受外界条件影响较大。它可分为：定位精度误差、几何精度误差、热变形误差等。

　　3.1工艺系统受载变形引起的误差

　　工件在车削时，常会受到切削力、夹紧力、惯性力、重力等的作用，从而产生相应的变形，最终破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，降低了工件的加工精度。例如，当工件刚度远小于刀具及夹具的刚度时，在切削力的作用下，工件就会由于刚度不足而导致变形，从而降低了加工精度。反之，当工件的刚度远大于刀具及夹具的刚度时，在加工工件过程中刀具及夹具就会出现变形，也会降低工件的精度。

　　因此，要合理地选择刀具材料，增大刀具的前角和主偏角，对工件材料进行合理的热处理以改善其加工性能。同时，要提高工艺系统刚度，减少切削力并压缩它们的变动幅值。

　　3.2 内应力重新分布引起的误差

　　所谓内应力，即是在没有外力作用而存在于零件内部的应力。工件上一旦产生内应力，就会使工件处于一种高能位的不稳定状态，从而本能地向低能位的稳定状态转化，并伴随工件变形，最终使工件丧失原有的加工精度。例如，工件在热处理后，由于壁厚不均、冷却不均等原因，产生内应力，从而导致变形，最终降低加工精度。

　　因此，在设计零件时，要尽量做到壁厚均匀，结构对称，以减少内应力的产生。

　　3.3 热变形引起的误差

　　在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形对工件加工精度的影响较大，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%～70%。机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们向周围的物质和空间传递热量。从而使工件和整个工艺系统产生变形，当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。例如，在车削大件过程中，因切削力过大导致主轴轴承及Z轴丝杠温度提高，从而产生较大变形，最终影响工件的加工精度。

4 结束语

　　综上所述，除上述主要影响因素外，影响数控车床的加工精度因素是多方面的。工艺设计、工作环境以及操作人员的技能水平等，都有可能对工件的加工精度造成一定影响。所以加工工件时要结合具体情况及多种因素，从设计、制造、操做三个方面加以考虑。

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