数控机床加工精度分析和提高方法

陈宇堃

摘要： 数控机床是一种先进的高精度工作加工设备，随着时代发展我国制造业对其精度要求也越来越高。数控机床的精度是由许多复杂因素影响的，如果在加工过程中不重视这类影响则无法得到想要的零件精度。文章就数控机床的各种精度类型进行了详细的分析，探讨了其影响因素，并提出了相应的提高精度方法及有效措施。

Abstract： CNC machine tools is an advanced high-precision work processing equipment， with the development of China's manufacturing industry on its accuracy requirements are increasingly high. The accuracy of CNC machine tools is influenced by many complex factors， and if such influences are not taken into account in the machining process， the desired part accuracy cannot be obtained. The article provides a detailed analysis of the various types of accuracy of CNC machine tools， discusses their influencing factors， and proposes corresponding methods and effective measures to improve accuracy.

关键词： 数控机床;精度分析;影响因素;提高方法

Key words： CNC machine tools;accuracy analysis;influencing factors;improving methods

中图分类号：TG659                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0076-02

0  引言

随着时代和技术的发展进步，我国的制造业在这些年全面进入了新的一轮升级。在十四五规划提出的产业升级中，高精尖制造是工业智能制造中的基础和代表。而其核心则是高精尖的数控机床加工应用。数控机床作为传统的机加工行业基础，在今天仍然是整个智能制造业的核心。在产品升级越来越快的今天，高精度要求的数控机床也成为广大企业的核心需求。[1]一个机床的精度等级往往决定了它的档次和水平，也直接决定了它能加工出的零件规格和应用场景。高精度的机床常用于航天航空，军工，微电子，精细生产等各个领域。但正因为它的高精度需求，也导致加工中的细微影响都会让最终加工出的产品误差变大。所以我们要时刻关注数控机床的精度情况，分析影响它的精度原因，结合实际生产优化工艺选择参数，提出合理的提高精度方法，日常维护保养好机床，以便生产加工时数控机床能有更好的精度。[2]

下面会分析影响数控机床精度的常见因素：

1  几何精度分析

数控机床的几何精度是由机床主要零部件组装后的形状精度和位置精度构成，也称静态精度检验。常见的几何精度有零件的直线度、平面度、平行度、等距度、重合度、垂直度等。机床各部分零件在长期工作中，受环境和操作等各种因素影响，会发生零件的变形或者位移，从而影响到整个数控机床的几何精度表现。几何精度产生的误差十分突出，是数控机床各类误差中最为明显的，严重时能让机床加工精度急剧下降，废品率次品率大增，所以需要时刻注意。在大多数数控机床中，几何精度的误差突出体现在导轨导向精度和主轴回转精度中。

1.1 导轨导向精度

导轨导向精度，是指运动导轨沿支撑导轨运动时，其运动轨迹的准确程度，即直线运动導轨的直线性和圆周运动导轨的真圆性。数控机床加工零件时大部分的坐标运动都是由导轨负责运行，所以导轨导向精度出现误差会直接体现在工件各尺寸的精度上。日常影响机床导轨导向精度的主要因素一般有：导轨的几何精度和接触精度、导轨的结构形式、导轨和支撑件的刚度、导轨副的油膜厚和油膜刚度，以及导轨和支撑件的热变形等。

1.2 主轴回转精度

主轴回转精度，是指机床主轴瞬时的旋转中心线和理论旋转中心线的重合度。重合度越高，精度越好。所以我们希望数控机床工作时，主轴能在每一个瞬间回到中心线的空间位置，且这个位置相对固定。数控机床主要切削过程都是依靠主轴回转产生，无论是车床的回转工件还是铣床的回转刀具，最终都会直接作用在加工工件上。由于主轴是回转体，依靠轴承来承接，而主轴中也含有许多零件，它们本身的几何误差都是产生回转误差的原因。而具体表现形式则是主轴在回转中产生径向跳动、轴向窜动和角度摆动等误差现象，三者结合在一起，经常会使主轴的旋转中心线在加工中以漂移的方式出现，对实际加工生产造成不良影响。

2  定位精度分析

定位精度是机床各移动轴在确定的终点能达到目标位置的准确程度，它产生的误差就是定位误差。而反复定位到同一点，或同一系列点的精度称为重复定位精度，因为数控机床经常需要加工同一个或同一类零件，它会直接影响同一批次零件的一致性，所以在实际生产中是非常重要的精度指标。一般来说定位精度产生误差是一个综合结果，如几何精度的导轨产生的误差，传动系统造成的运动误差等，多表现在伺服系统、检测系统、进给系统中。体现的是整个机床各元件的保养维修状况。

3  传动精度分析

数控机床的传动精度是指机床传动系统各端之间在执行键之间的运动的协调性和均匀性。其中最主要的影响因素是机床整个传动系统的设计，各传动元件的本身精度和装配精度。表现在具体零件上则为数控机床控制运动的电动机、驱动器及控制等个传动元件产生的误差。多数体现为各种齿轮及传动链的本身制造误差，安装误差，传动比误差等;另外当加工环境发生变化时，由于各零件的物理性质不同，产生不同的机械变形，即便是单个细小的机械变形，当累积在传动系统中，也会造成数控机床产生传动误差。

4  回转精度分析

数控机床的回转精度根据不同的类型会有不同的含义，对于大部分数控机床来说主要是主轴的回转精度和转台的回转精度。其中主轴回转精度已在前面几何精度中分析了，而转台的回转精度常见于多轴机床中，多轴机床一般也多应用于高精尖加工，导致其转台精度对最终加工效果影响很大。影响转台的回转精度因素一般有：转台做回转运动时蠕动，转台分度产生误差以及转台夹紧力不足等原因。其中回转运动的蠕动主要是因为齿轮工作的啮合面磨损，从而导致承受力不均匀，于是工作时回转工作台产生抖动，从而让精度下降。而机床在长期使用过程中由于各种不当操作及污染物影响，会让转台分度出现误差，加工时转动不能完全转动到位，从而影响产品最终精度。最后是转台的夹紧力如果由于不能及时清楚表面杂志，或者阀门松动，导致工件无法夹紧，从而造成加工过程中的抖动，导致精度下降。

5  提高精度方法

在了解影响数控机床的精度因素后，我们应该根据现实生产中的状况，对使用的机床精度有充足的了解和检测，从而优化生产流程和环境，以维持机床精度的稳定性，发挥机床的最大效益。

5.1 加工工艺优化

由于数控机床加工是按照既定编写好的加工工艺卡进行操作，所以加工工艺中的各类参数和会直接影响加工结果。由于编写过程中涉及到人员，标准，材料，零件形状，加工顺序，加工工具选择的各种差异，会导致工艺参数与加工零件标准存在一定误差，从而影响到最终加工精度。所以加工工艺的优化是十分重要，在确定好编写人员后，应当对需要加工的零件进行细致的研究，根据形状和加工要求编写加工步骤，对零件材料的各类性质有充分了解，结合本身加工条件选择合适机床和加工顺序。[3]

5.2 切削参数优化

在所有加工过程中，切削参数是刀具直接作用在零件上的，所以任何细微的变化都会影响最后的精度表现。首先应该选取优良的刀具，特别是金属材料的切削加工中，刀具材质和规格和最后加工效果是息息相关。所以设置切削参数时，应该充分了解所选工件和刀具材料的物理特性，几何参数，分析计算出合适的参数区间。而现场加工中，还要根据机床本身的状况，使用情况去调节相应参数，熟练的操作员能根据现场机床的状况去调节转速，进给，切削深度和角度等各种切削参数。另外切削过程中，要及时检查机床的各项指标，尤其是要及时补充切削冷却液，调整冷却液喷出量以减少加工过程中的热量误差等。

5.3 实施误差补偿

加工过程中除了工艺和参数外，也可以通过其他方法消除加工误差提高精度，其中最常用的就是误差补偿。误差补偿是指在分析和统计出当前误差后，人为再添加一个新的误差在加工过程中，使两个误差大小相等方向相反，从而互相抵消，以此提高加工精度的方法。误差补偿的方法难度在于对原始误差的统计和分析，如何辨别误差往往需要计算和经验。对于一些加工过程比较规律和受力比較单一的加工，误差补偿较为容易实施;而对于加工过程较为复杂受力多变的加工，往往一个方向上的误差是多重因素综合引起的，单一方向上的补偿不能得到想要的结果，从而让补偿过程更加复杂。而复杂的误差补偿需要较多时间进行计算，在实际生产中效率不够高。目前较为常用的误差补偿方法有实时补偿和静态补偿，一般都是可以对最终误差进行直接补偿的加工过程，能在机床加工中有效应用。

5.4 提高人员素质

虽然现代数控机床在很大程度上已经减少人员操作对加工过程的干扰性，但在需要提高加工精度的过程中，尤其高精高速加工中，操作人员的专业素质和知识水平会直接反映到加工过程中。首先操作人员要能理解加工程序和加工过程的内容及原理，才能更好地去执行操作，这要求操作人员既要具备基础的编程和加工思路，也要熟悉各类加工的原则和注意事项。其次需要操作人员掌握所操作机床的性能和特点，能了解机床的各类操作执行状况。然后才能根据要求现场执行程序的加工过程，并且根据实际情况去调整，达到既不会随意更改编程员的指令，又能根据现场状况优化参数的水平。尤其对于刀具的使用和磨损状况，往往需要有足够经验去判断更换。

5.5 机床维护保养

现代数控机床是精密的多元件工业产品，随着日常使用不可避免的会出现各种程度的磨损和精度偏差，从而影响到加工精度。所以平常对机床的维护保养尤为重要，例如做好日常清洁，定时给各个结构上润滑，维修更换出现磨损影响到加工的零部件。而一些高精度的数控机床，譬如多轴机床，日常工作需要再恒温恒湿的环境里，需要配套的加工环境。随着科技发展，现在的电子和网络监控反馈技术也越来越先进，可以在生产过程中相应配备。[4]

6  总结

数控机床的加工精度是由多方面因素组成，现实生产中可以针对具体的原因，用合适的方法来提高加工精度。而数控机床的精度提高和日常维护保养息息相关，作为使用和生产人员应该随时关注，优化调整生产工艺和过程，让高精尖的数控机床保持在一个良好的精度范围。

参考文献：

[1]郑苇.数控机床加工精度的影响因素及改善措施[J].南方农机，2019（24）.

[2]赵秀芹.数控机床加工精度提高技术分析及其存在的问题探讨[J].内燃机与配件，2020（18）：62-63.

[3]杨校可.数控机床加工中切削用量对加工精度的影响分析[J].南方农机，2019，50（7）：86.

[4]何宝旭.数控机床加工精度提高技术的进展及其存在的问题[J].营销界，2019（21）：171.