数控加工工艺与编程对零件质量控制的影响研究

2021-11-07刘学军

内燃机与配件 2021年21期

刘学军

摘要：数控加工零部件的质量，直接关系着机构以及机器生产过程的最终质量。在制定零部件加工的具体程序时，还应当充分考虑数控编程对零部件的加工质量的影响。数字控制零部件的加工质量指标主要有二个方面：一是数字控制的加工精度;另一个是在数字控制加工方面的品质。研究这二个参数，对于数控加工零部件的质量具有很大的现实意义。

Abstract： The quality of NC machining parts is directly related to the final quality of mechanism or machine products. When making the machining program of parts， the influence of NC program on the machining quality of parts must be fully considered. The machining quality index of digital control parts has two aspects： one is the machining accuracy of digital control; One is the quality of digital control processing. The study of these two parameters has important practical significance for the quality of NC machining parts.

关键词：零件质量;数控加工精度;表面质量

Key words： part quality;NC machining accuracy;surface quality

中图分类号：TG519.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）21-0071-03

0 引言

随着数控控制机器的普及，对于许多类型的产品，或多或少都采用数字控制的机械加工。数字控制机器的优势是它具有加工精确、生产效率高、产品质量平稳、加工操作流程灵活、加工速度快和性能更优良的特征。但是，在实际的加工中，为了更好地充分发挥数控车床的加工性能，为了更好地达到高精度零件加工的目标，只有正确地理解和利用各种可能会影响数控机床加工精度的因素，找到切实可行的测试误差抑制技术，才能更好地充分发挥数控机床的作用，可以提高零件加工时的品质。在实际的加工操作过程中，影响这种数字化的控制部位加工质量的主要因素可以是许多，如加工技能、编程、设备条件、运营商的技术能力等。本篇文章将从控制数控的加工精度、数控加工表面质量二个重点方面出发，简单地说明了数控加工表面误差的形成过程与成因，并给大家提供了一些相关的控制

措施。

1 数字控制编程与加工技术的关系

1.1 数字控制加工技术的内容

①能够基本上理解和把握现在加工零件的技术要求。例如，尺寸精度、加工材料、硬度、加工数量等，以上需要充分读懂加工图纸。

②能够对加工零部件图纸上提出的要求进行工艺分析，其中包括部件结构的工艺性、加工材料和设计精度的合理性、加工工艺及技术要求等。

③全面分析加工过程，在分析中获得目前零部件加工的所有技术信息，主要有加工路径、刀具的移动轨迹、切削量等。另外，在基于加工的实际情况下，将加工信息记入工程卡和流程卡，保证加工信息对实际加工指引作用。

④根据需要进行加工的零部件图和已经制定的技术内容，使用数字控制系统规定的命令代码、程序形式开展数字控制编程。

⑤通过传送接口连接已编写的程序设计，将其输出至数字控制器的数控装置中，在加工前调整机床，调用已编写的程序，根据图纸要求进行零部件加工。

1.2 數字控制加工技术参数

在数字控制加工的过程中，有影响加工品质的要素和加工工序的参数。工艺参数直接影响加工效率、刀具的寿命、零件的加工精度和零件的表面质量等。因此，初始切削量的选择应与以往丰富的加工经验和当前加工工件的设计中的切削量的推荐值一致进行，但最终决定的切削量参数为应该根据数字控制程序的调试结果和加工实际效果来决定。

①在粗加工阶段，对加工中使用的工件材料进行大体积切除处理。以数控车为例，在该阶段，工作表面的质量要求相对较低，一般对表面粗糙度Ra的要求为12.5μm～25μm;对轴向、径向切削深度要求通常是2mm～4mm、3mm～6mm。另外，为了后续加工的需要进行半精加工，留下一定的加工余量。一般是1mm～2mm之间，经过半精加工后准备进行精加工时，加工余量为0.2mm～0.5mm就可以了。

②关于半精加工部分，在粗加工的基础上继续进行精密化的加工，在光滑加工工件表面的同时，对存在工件突出脚的剩余材料进行切除处理，在切除的同时，为了下一次加工，预先留下一定的厚度和均匀的加工余量。半精加工后，要求工件表面粗糙度Ra达到3.2μm～12.5μm;轴方向、半径方向的切削深度为1.5mm～2mm就可以。另外，为了之后的加工质量，需要留下加工余量。一般是0.3mm～0.5mm。

③关于精加工部分，所谓的精加工，是指为了达到加工的尺寸精度和表面粗糙度基准的最后加工阶段。通常，加工部分的工作表面粗糙度Ra应该达到0.8μm～3.2μm，轴向、径向的切削深度分别为0.5mm～1mm、0.3mm～0.5mm。

④数字控制编程并非独立存在，系统特征明显，属于系统技术。工艺技术、数字控制加工模拟、CAM技术、CAD技术的联系非常紧密，工艺方法的运用对数控编程的效果有着决定性的作用。

2 数控加工精度的保证

2.1 确定合理的工艺流程

①对于控制零件加工精度，控制变形和误差的操作工序，我们可以选择多次运刀。例如，如果对于用？准12的毛坯车削？准10的细长轴，尺寸公差要求是±0.01，圆跳动度是0.02，那么该部件的加工剩余数量应该是2mm。粗车、精车两次切除情况下，对于易变形的细长轴加工剩余量偏大，则加工结果就会导致尺寸和圆跳动度超差，表面粗糙。用3次以上的粗车车削剪切去余量外的剩余数目，最后余量适中而精车，可以更好地确保工件的加工要求。因此，数控加工程序在制作时，活用子程序的功能，通过对主程序多次调用子程序，可以对同一个材料表面多次切削加工，即分层切削，这样才可以提高零部件的加工精度。

②位置精度不高的孔类加工遵循加工路径的最短原则。对于要求位置精度较高的孔系统，工具移动路径应考虑避免机床各轴的反向间隙的影响，即数控编程的退刀和进刀相互影响。

2.2 确定合理的编程数据

数控编程对加工精度的影响主要来自编程原点的确定、数据处理、切削的拟合、加工路径的选择等方面。

2.2.1 明确编程原点

程序中的坐标系通常由编程人员依照零件的加工性质及零件的图纸而确定。编程坐标系原点的正确选择直接决定了零部件的加工精度，编程中坐标系的基本性质原则在于程序设计的基准、设计基准、工艺基准之间的统一，能够尽量最大限度地降低因尺寸公差换算而产生的误差。

2.2.2 软件在编程过程中的数据处理

数值控制在进行编程过程中的数据处理直接影响到轮廓轨迹的设计和加工精确性。这里重要的技术性要素就是对于未知的编程节点进行了计算和程序大小的公差磁区带进行了换算。

①某一个数字控制系统能够根据节点所需要求的轮廓几何条件自动地计算出各个节点的坐标，而某一个数控控制系统则必须进行手动地计算。手动辅助在计算一个未知节点的坐标值时产生的最大困难和问题之一就是计算的准确性，经过大量的验证，发现了手动计算结果与电脑辅助在计算机上所得结果之间存在0.01到0.03mm的差。为了提高自动运算的精确度，建议1）使用自动运算中值的数据（其中包括角度值）保持四位数以上的小数点（以脉冲当量0.001mm的数控控制机床为例）。如果用电脑算的话，请尽量留下小数点以下的部分。2）编程尺寸通常是圆形，根据数控车床的脉冲当量。脉冲当量是数字控制机器的最小设计单元，也是数控控制机器的最小控制单元。因此，数字控制机床的最大脉冲当量是0.001mm，而最终计算结果保持在三位的小数。

②当工件的各个部位之间的尺寸公差不一致或者不对称时，就需要进行人工设计和编程。用同样的切削刀具进行加工的话，采用公差中值的方式进行了编程，使之实现了公差的对称性分布，在机床上的加工错误上只有留出了空间，才能够很好地保证了加工的准确性。然而，当程序尺寸的公差带对称或公差的带基本匹配时，可以直接使用公称的尺寸进行编程，并且这种方式可以极大地降低了计算的数量。例如，为了更好地完成两个外围尺寸的设计和加工，取出两个标称的尺寸18和26进行了编程，为了有效地保证其公差，用刀具半径的补偿数值修正0.01mm也是很方便的。

③在图纸的显示尺寸与程序的显示尺寸不一致的情况下，需要采用加号、负号乃至于几何学等技术手段来求解该程序的尺寸，进行尺寸的换算。

2.2.3 插补累计误差的控制

①尽可能采用绝对型编程。绝对式的编程以某一固定点（或者是编程中的坐标原点）作为设计基准，以各个段的流程和总体的操作过程为设计基准。增量模型的编程，以以前一个点作为设置的基准，连续地执行多个程序时必然会发生累计误差。

②在进行加工操作的过程中，如果采用了返还基准点指令，其目的是完成减少加工误差的操作。当机械手返回到参考点上时，要将各种坐标全部清除。这样就有助于消除传统的数控控制系统在运算中所带来的累进度误差。在实际加工时返回参考点来交换刀是一个比较完美的方法。

③数控系统在机床中进行非圆曲线的加工操作时，对于规则性较小的非圆曲线，应当优先考虑到数控控制系统所需要的变量编程和功能。其他非圆曲线通常采用CAM软件自动进行编程，通常所采用的拟合方法是采用等间距法、等弦长度法和误差法等误差法，并且尽量采用等误差法对其进行跟踪拟合，通过将形状和特征综合后的等弦长法进行了轨迹式拟合，能够有效控制精度和加工的误差。

3 数字控制加工表面质量的保证

3.1 确定正确的加工工艺方案

3.1.1 对切削机床进行正确的选择

实践证明，铣削加工使用顺铣与逆铣所获取的表面粗糙度各异。在进行加工过程中，尽量使用铣刀顺铣，提高了零件外壳表面的质量。在对圆钢等各种类型的零件进行切削时，尽量使用相同的刀片来修剪外周，减少刀痕。一般来说，为了减少外圆车削完成后所需要进行的车削过程中出现的不连续面，如在工件上部位有槽等表面，在外周的车削完毕后再進行车削加工。在使车削形成一个旋转面的条件下，注意选择恰当大小的主偏角和副偏角的车刀，可以避免刀相互干预而对其产生不良加工。加工这样的零件的圆弧表面时，请取小的偏角，将刀尖做成圆角，圆角半径小于加工面的半径。

3.1.2 合理设计切削路线

用数控机床加工零件时，为了减少刀痕，保证轮廓表面的质量。刀具的切入点沿着零件的周边做外延，保证工件的轮廓平滑。沿着零件的轮廓车刀直接垂直切入零件的话，零件的外形会留下明显的刀伤，刀沿着零件的轮廓用法线切入。轮廓加工中避免进给停止，根据切削力的变化产生刀痕。首先，刀的切入过程通常需要取小进给速度。为了大大提高切削效率，在进行切削过程中从切削层缓慢地进入其他的切削层，可以有效确保一定的切削进给和加工速度。第二，保持尽可能稳定的切削参数，包括切削速度、推动力和切削深度之间的一致。最后，尽可能多地提高了毛坯的加工和成形精度，保证各表面的加工余量均匀。另外，在将同样加工刀面分割成两次加工的条件下，将刀片运动轨迹的方向设置为一次，不必再要求相互干涉或者是碰撞。

3.1.3 使用新型高效刀具

为了提高零部件加工的表面质量，应选择尽可能高的切削速度。为了充分发挥数控机床的性能，应该选择高强度、高耐久性的新型高效刀具。我们在用数字控制机床加工数字控制机床的工程师设计的检测零件时，采用了各种型号的数字控制刀具，较好地保证了产品表面的质量。

3.2 采用最佳的数控加工程序

3.2.1 合理使用功能性指令

同样的零部件也有各种不同形状和多样化的加工技术。仿真后，请您自己选择一个最佳切削方法。如果我们采用G83高速深孔钻指令模式，在切削过程中实现了间歇供应，有利于排屑，减轻了在进行这样的切削工序中孔的另一端毛刺被严重堆积时发生的情况，用手稍稍地修理一下便已经基本达到合格的标准。

3.2.2 优化了倒角切削加工

大多数数控加工的零件均需要有倒角部分的边缘。倒角通常包含45°倒角与倒圆角时，由于整个程序所要走的路径都是一条垂直线段，加工过程结束后经常有机会使零件产生一定角微量的毛刺，影响了零件的手感和协作的顺利性，此时我们就可以考虑参加精密设计中的倒角过程前后各自走R0.2或R0.3mm的圆形角程序。

4 结语

本文研究了从加工技术和编程角度提高数字控制加工质量的一系列方法。这些基本在实际加工中得到了验证，为数字控制的加工作业人员提供了解决问题的参考方案。另外，数控加工的工具参数、机床系统的误差、操作者的经验水平等都会影响数控加工的精度，实际加工时请考虑，这有助于保证数控车床的加工精度和良好的加工

效果。

参考文献：

[1]许启高.数控编程与加工工艺的关系研究[J].南方农机，2021，52（11）：166-168.