超精密零件加工技术控制探讨

冯洪华，曾增权，郑启贵

（珠海格力精密模具有限公司，广东珠海 519070）

1 引言

超精密加工体现了工业的实力，对于工业加工精度和稳定性的研究一直是世界加工领域的难题。在这个问题上，现阶段的加工控制方式已经取得了一定的进展，但是在影响因素和评价方法上，依然有很多应用需要改进和完善[1]。

2 测试环境温度对机床加工精度的影响

测试环境温度对机床加工精度的影响，在同一时间内，从复测试定位精度，如图1所示。

（1）现象分析：要实现精度要在±0.005mm的加工精度，加工环境必需控制在恒温22℃。

图1 定位精度测试

（2）解决方法：作以下操作，消除冷机与热机时的精度误差，如图2所示。

注意事项：①坐标的建立在工作台中间；②根据机床行程进行更改XY的范围。

图2 消除冷热机时精度误差

3 测试主轴加工发热后，加工精度的变化

经测试，主轴在停机启动后预热10s对刀后进行加工，与预热180s后进行对刀进行加工，分别要同一平面上进行加工，检测出预热180s后进行对刀加工的，两台阶相差0.005mm 左右。当预热180s 后，再曾加预热250s，加工出来的结果不变，在0.001mm的范围内。

现象分析：精加工前先预热主轴，确保加工过程中不会因主轴因温度变化，而导致到加工过程中Z方向的精度发生变化。

解决方法：采取图3所示的方法进行补正。

图3 补正方法

注意：后处理出来的NC 程式默认为10s，所以编程员需要在NC程式中手动更改。

4 消除过数误差

用探头分中过数后，在四周加工基准，分别检测各台阶的值，检测实际加工与过数的误差。

实际的加工过程中发现，分中加工四周，分别检测四周台阶，如果过数与加工一致的，台阶的检测数应该是一样的。但是，如图4所示，台阶有误差，分中过数的误差达0.002～0.014mm。

图4 台阶误差

解决方法：测试台阶修正。对正和台阶的相对值，然后按相差值进行补偿：

（1）当-0.05mm 余量加工出台阶后，利用机床的在机检测功能，用光电探头检测四周分中的数值。

（2）再用千分表检测四周台阶差的对称程度。

（3）结合在机检测与千分表测数来判断本工序是否存过数误差。当发生偏中时，把偏中数在机床上偏置回来后，再-0.10mm 加工基准。加工完后，从新按上述方法进行检验。

（4）如果检验结果还是偏位，继续在原负量的基础上，再-0.05mm加工，直至检验合格为止。

5 消除检测误差

校正探头，在机检测过程中探头起到了关系性的作用，所以探头精度必须控制，每一次从刀库里取出来都需要检测同心度，利用千分表进行检测，同心度需要效正到0.002mm的范围内。

加工前先检测探头分中偏差：

（1）先用千分表校验探头同轴度，精度要求在2μm 内。

（2）再用探头分中校正规外圆，得出圆心位置坐标值（记录此时探头角度位置）。

（3）然后机头归圆心点，用千分表手动拉表外圆，观察圆度跳动。

（4）手动调整机头位置点，校正圆度跳动在3μm 内。

（5）记录误差值，探头分中后进行坐标值补偿。

6 消除刀具误差

用6R0.5mm 的刀具加工平面时，如图5 所示，正常参数会产生振刀纹。试验更改参数后发现，当刀具长度大于4 倍，且余量少于0.04mm 加工时，就会产生这和现象。

图5 振刀纹

现象分析与解决方法：为了避免零件在加工过程中变形，使用6R0.5mm的刀具加工，刀具较小，刚性不足，所以将刀具长度按制在4倍以下，尽可能装短，并调整加工参数。效果如下：

（1）一方面，购买的刀具存在一定加工误差，所以当加工精密零件时，要求现场挑选和使用精度在±0.005mm公差范围内的刀具。

（2）另一方面，采用左补偿的方法，通过机床的对刀仪进行刀具的检测，测出来的误差值，再通过机床的左补偿功能，进行对刀路轨迹的补正，从而现实对小于5°的陡峭面精度控制在±0.005mm的加工技术。

左补偿的功能是新多机床都具备的，指令是G43。但是，以往使用时只局限于人工手动输入相对应的值进行补偿再进行加工，使用不方便也不够智能，所以在模具加工行业基本上不用。

所以提出在加工时，进行刀具直径的检测后，机床按照检测出来的数据进行与理论值进行求差，得出误差值自动输入到机床的相应的IP地址，调用程序时自动执行左补偿的功能，从而现实精度控制在±0.005mm的加工技术。

经过罗德斯机床的工程师和编程软件的工程师的共同努力下，终于实现罗德斯机床的左补偿功能，可以现实自动检测刀具直径的误差值，实现左补偿自动补正功能。因左补偿是以2D 的方式进行的，所以只对小于5°的陡峭面效果较好。

数控加工刀具直径有误差，要加工出超高精零件必须要半径左补偿，但在NC 里半径左补偿有很多限制，不然很容易出错。

以下是左补偿使用规范：

（1）限制只有等高策略（不能用螺旋下刀）才能使用半径左补偿。

（2）只能用于顺铣加工。

（3）只能用于纯直身和5°以下的斜顶（不能有R角）。

（4）在NC里刀具补偿的半径选“左”。

（5）所有用了左补偿的刀路，都要把编程公差设为0.001mm。

7 结语

通过以上分析可以得知，数控超精密加工过程中，机床自身加工精度、刀具切削力、刀具摆动、磨损量、程序参数等因素都会对超精密加工最终结果产生一定影响。因此，提升数控加工精度应该从多个角度入手，通过选用合理控制方法，根据加工需求与数控机床特点，进行合理编程，从系统上提升加工精确度。此外，实际加工路线对于数控加工机床的加工效果也有着重要影响，刀具进退以及具体加工方式如果不得当，都会导致加工零件达不到预期超精密加工效果。本文提出的其中几点要素及解决方案，希望能对同行有所帮助，共同推进我国机加工行业健康发展。