数控加工精度的影响因素及改进策略研究

张旭霞，李立冰

（新疆兵团兴新职业技术学院，新疆 巴州 841007）

随着汽车、高铁、航空航天等行业的高速发展，各种先进的现代机械制造技术不断涌现，其中数控机床以自动化程度高、生产效率高、加工精度高等优势，得到了广泛的应用。传统的机械加工技术中，零件的加工质量和工人的技术水平有直接关系，加工精度易受人为因素影响。而数控机床的加工方式具有智能化、虚拟化和信息化等特点，加工精度更多是和检测装置的测量精度、数控机床的自动化控制性能以及数控编程技术等息息相关[1-2]。机械加工技术的进步，使得加工精度的影响因素也发生了变化，提高机械加工精度的对策也有所不同。

1 影响数控加工精度的因素分析

1.1 机床系统误差

1）机床性能直接影响加工精度。数控机床集智能制造技术、自动检测技术和信息控制技术于一体，机床的性能直接影响到零件的加工精度。数控机床在设计过程中的缺陷、伺服控制系统的传动误差、测量反馈系统的精度误差、机床制造装配和调试的几何精度误差以及机床的制造成本等，都会影响数控机床的性能及加工精度。另外，厂家生产的数控机床通常会依据客户需求，匹配不同的数控系统，数控机床使用的CAD/CAM 软件和数控系统、机床硬件之间的匹配水平，也会间接地影响加工精度和产品质量。

2）设备磨损降低机床运行精度。在数控机床工作过程中，机床零部件必然会产生磨损，而且随着机床长时间高强度的生产加工，关键零部件的磨损程度会不断加深，例如导轨、主轴、夹具等，在数控加工过程中要求有极高的精度，其磨损直接导致数控机床的定位精度、传动精度降低[3]。主轴组件、导轨等零部件的磨损及热变形会导致数控机床加工中出现系统误差和随机误差，这是零件加工精度降低的重要原因。

3）误差难以及时修正。在传统普通机床加工过程中，机床自身热变形或者零部件磨损等因素引起的加工误差，可以通过多次测量和工人自身技术水平在机械加工过程中随时进行校正。而数控机床的自动化程度极高，加工中出现的各种误差难以及时进行修正，往往是发现零件加工精度降低后，对机床进行维护检修，通过精度检测和传动间隙调校，或者更换磨损的零部件，才能减小机床的综合加工误差。数控机床的检修对技术技能要求极高，通常企业技术人员很难胜任此工作，数控机床的生产厂家又缺乏大量的人力去长期维护其所有产品，等发现零件出现质量问题时，数控机床的加工精度已经受到严重影响。

1.2 温度因素的影响

1）机床热变形对加工精度的影响。在传统普通机床加工过程中，零件的非加工辅助时间比数控加工的时间要长，机床传动系统有较长的冷却时间，机床工作时因温升产生的热变形容易恢复，其热变形对零件的加工精度影响相对较小。而数控机床尤其是加工中心，加工前刀具的安装、对刀及定位等辅助环节都是提前完成的，生产加工过程中无需再重复此类辅助工作，加之数控机床的换刀、定位和传动速度极快，大大缩短了非加工时间，生产效率和自动化程度较高，导致数控机床长期处于高强度、大批量的生产状态，机床本体的温升会比普通机床更高，机床零部件的热变形对数控加工精度的影响更加明显[4]。研究数据表明，因热变形所产生的误差占数控机床综合加工误差的40%～70%。

2）温度补偿难以精确控制。技术人员在编程过程中，补偿参数可以通过高精度的仪器测量后得出，比如间隙补偿参数等；也可以通过统计数据进行计算分析后得到，比如刀具补偿等。而机床热变形对加工精度的影响很难精确测量，数控程序中的温度补偿参数也难以准确设置，加工精度势必会受到温度变化的影响。

3）刀具和工件的热变形。对工件进行加工过程中，刀具和工件之间会因为切削摩擦产生大量热能，从而使刀具和工件均产生热变形，如果散热不足，会导致工件产生尺寸误差和几何形状误差。

1.3 零件加工工艺的影响

1）定位误差。在数控加工过程中会出现定位误差，其包括两个方面，一个是基准不重合误差。在零件图中用来确定某一表面尺寸、位置所依据的基准称为设计基准；在加工程序中用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依据的基准称为工序基准；在数控机床上对工件进行加工时，选择工件上若干几何要素作为加工时的定位基准。如果数控程序所选用的定位基准与设计基准、工序基准不重合，就会产生基准不重合误差[5]。另一个是基准位置误差，由于工件的定位基准面的实际加工尺寸存在误差，夹具本身存在制造误差及磨损等情况，会导致零件出现定位基准不重合误差。

2）受力变形。在零件加工过程中，刀具对被加工表面进行切削会产生巨大的热能，导致零件内部出现热变形及热应力；刀具的切削挤压会导致零件表面产生塑性变形和切削应力，这两个原因都会导致零件加工时产生应力变形，刚加工完的零件内部仍然有残余应力存在，放置一段时间后零件内部的残余应力消失，零件的尺寸和形状因此发生变形，零件的加工精度受到严重影响。此外，工艺路线的选择不同，如定位基准的选择、机加工设备的选择、刀具的选择、切削方式的选择、加工路径的选择等不同，导致工件受力变形的程度不同，加工过程中产生的残余应力大小不相同，对加工精度的影响也不同。

3）编程质量。零件的加工工艺方案不同，其加工精度和质量也不同，数控加工程序是根据零件加工工艺方案编制的自动加工程序。技术人员通过数控软件辅助编制数控加工程序，而数控软件对工艺参数的设定值，往往和零件实际加工工艺的要求有出入；如果数控程序中相关补偿参数设置不合理，如伺服传动系统的螺距误差补偿、反向间隙补偿等，会直接影响到数控机床的传动精度，进而影响零件的加工精度。此外，数控程序也会因为编程原点的选择、计算偏差、逼近误差、插补误差和圆整误差等因素，导致零件的加工精度受到影响。

1.4 其他因素

数控机床大量使用了传感检测技术，并依托检测系统的测量数据反馈数控系统，进而提升零件的加工精度。在零件加工过程中，传感器的性能、环境温度的变化、电磁信号的干扰、测量装置的污染等因素，都会影响到检测系统的测量精度；数控机床床身的振动、主轴和导轨的刚度、机床的散热、传动系统的润滑等因素，都会干扰设备的传动精度；刀具的磨损程度对加工精度的影响也不容忽视；企业生产管理的规范程度、数控机床的运行及保养、维护检修的技术水平、数控操作人员的专业素养等因素，都会影响到数控机床的加工精度[6]。

2 提高数控机床加工精度的策略

2.1 合理消除系统误差

1）优化工艺参数。提高数控机床的加工精度，可以通过调整优化工艺参数实现。如可以根据零件的精度要求选择相应规格的刀具；调整背吃刀量，控制切削深度，减小切削力和机床振动对精度的影响；合理规划切削路线，减小因切削加工零件应力变形的程度；优化主轴转速、切削速度和进给速度，降低表面粗糙度，提高零件尺寸精度；通过补偿矫正、误差抵消、间隙补偿、反向偏差补偿等技术措施，根据零件加工的实际情况，科学调整加工程序中的工艺参数，减小机床系统因素引起的误差，提高零件的加工精度[7]。

2）应用误差补偿技术。数控机床因设计、制造、装配技术及生产成本等原因，机床系统各构件间的几何精度难以精确，许多数控系统提供了各种先进的误差补偿功能来消除机床系统误差。①螺距误差补偿，可以通过测量机床实际传动时产生的位置误差，合理设置补偿参数，实现对伺服系统传动产生的误差进行补偿，提高传动精度；②空间误差补偿，借助高精度的专业检测仪器，如激光干涉仪、高精度编码器等，对数控机床各运动轴之间的垂直度、直线度、倾斜度、水平度等方面因制造装配产生的空间几何误差进行测量，根据测量出的机床各项实际几何位置参数，利用空间补偿指令进行空间误差补偿；③垂直误差补偿，可以补偿由于某一轴位置发生变化后，导致其他轴的位置变化所产生的垂直度误差；④反向偏差补偿，可以抵消数控机床加工过程中产生的总误差，类似的指令还有刀具补偿、热误差补偿等。采用误差软补偿技术，可以最大限度地减小机床系统因素对加工精度的影响，对减少加工误差、提高数控机床整体加工精度有较好的效果。

3）保障数控机床的运行精度。在数控机床投入使用前和维护检修时，专业技术人员要通过专业测量设备，检测和调整机床伺服控制系统，通过预紧以消除滚珠丝杆的轴向间隙，紧固松动的联轴器，调整轴承的间隙，更换磨损的零部件，减小传动误差；通过检测发现主轴的径向和轴向出现偏差、导轨磨损等情况，要及时进行维修和调整，确保机床的位置精度、几何精度；检测到自动换刀装置的重复定位精度降低时，必须对其中磨损的部件进行及时修复，减小定位误差；对检测系统进行定期的检测、精度校准与维修保养，结合产品质量的变化及时校核调整传感检测装置，采取相应的纠偏措施，保证测量精度，减小数控机床的系统误差。

2.2 控制温度

1）控制数控机床的工作温度。在数控加工过程中，过高的机床工作温度会对零件加工精度产生负面影响。可以通过风冷或者循环油冷却等措施进行散热，也可以在机床上装设恒温油箱，合理地控制设备的工作温度，避免设备出现超温现象[8]；控制环境温度，避免环境温度升高对加工精度的影响；同时要控制数控机床液压油箱的温度，避免温度过高影响机床液压系统的稳定性和传动精度。

2）控制零件加工温度。零件加工过程中会产生热变形，热变形会导致加工误差。因此，要通过切削液降低零件的加工温度，既要避免温度变化影响零件的表面加工质量，也要避免因温度急剧变化导致零件内部出现裂纹等现象。在具体加工生产过程中，要采取措施逐步调整和控制零件的加工温度，必要时要提前对零件进行粗加工和半精加工，对半成品采取消除应力的技术措施，使之满足零件的加工工艺要求，提高零件的加工精度。

3）降低刀具切削温度。在机械加工时刀具会因为高温变形、变软和磨损，影响加工精度。通常用切削液对刀具及工件进行冲洗冷却降温，提高刀具的硬度和强度，减少刀具的磨损，延长刀具的寿命；同时降低零件的加工温度，提高零件的表面加工精度。在数控程序中，要选择合适的切削形式，选择耐磨耐热性能好的切削刀具，降低刀具切削温度，减少刀具因素对加工精度的影响。

2.3 优化数控加工工艺

1）优化工艺参数，提高编程质量。零件加工精度会受到数控编程质量的影响，这就要求编程人员要有丰富的数控加工经验，能根据经验修正数控程序中的加工参数和加工路径，如进给量、转速、切入点等。数控程序的工艺流程要合理规范，对影响加工精度的相关因素，可以通过改进工艺流程予以避免。在零件加工过程中，及时修改影响加工精度的工艺参数，确保零件加工工艺的合理性，从而提高编程的质量。

2）严格工艺基准，减小加工误差。数控编程时，应根据零件特性及具体用途，合理确定编程原点，严格遵循编程基准、设计基准以及工艺基准相统一的原则。如在工艺流程中，尽可能避免多次安装造成的定位误差，确保数控编程原点与零件设计图纸高度匹配。在大批量加工零件前，可以通过计算机仿真加工、零件试加工等技术，检验定位精度和加工精度，从而有效地减小数控机床的加工误差[9]。

3）应用在机检测技术，实时监控加工精度。高度自动化的数控加工过程中，如果出现误差难以及时修正，对此可以通过在机检测技术，对加工过程进行实时监测。一旦监测到加工过程中零件有误差或者错误，即自动中断加工过程，并及时根据误差修改加工参数，避免零件加工完毕后进行质检时才发现加工误差、零件报废的情况，这提高了数控加工的合格率，有效地解决了数控加工过程中误差难以及时修正的问题。

4）利用大数据进行质量控制。现代机械制造技术和产品销售、维修保养、市场反馈等内容息息相关，企业可以通过物联网技术，把产品质量、成本、利润、销售和售后维护维修等数据作为参照因子，建立产品质量控制大数据平台。数控技术人员通过大数据分析制定完善的机械加工工艺评价策略，跟踪研究机械加工工艺对机械零部件加工精度的影响，根据分析结果及时调整机床数控加工程序，优化加工参数，持续地完善零件的加工工艺，提高零件加工的精度。

5）充分发挥现代制造技术的优势。引入现代化产品设计和精度控制技术，如计算机精度辅助设计、可靠性设计、软件校正技术及虚拟仿真技术等，对数控机床的加工精度实施智能控制，提高数控机床的运行精度和加工精度，做到数控机床与现代制造技术的高度融合，优化加工工艺，提高生产效率和产品质量。

2.4 加强设备管理与员工培训

1）改善数控机床的运行环境。在零件加工过程中，数控机床所处的环境也是影响零件精度的重要因素。在建设车间厂房时，要注意数控机床对环境通风散热、清洁除尘、干燥除湿、远离振源及避免阳光直射等要求，对温度、湿度、振动等环境数据进行监测，减轻环境因素对数控机床的物理化学影响，创建良好的工作环境，保障设备的正常运行。

2）规范维护保养检修制度。建立数控机床检修维护制度，如定期对测量检测装置、伺服系统、定位精度、传动精度等进行测量和校准；定期对数控机床进行清洁和润滑保养，减少摩擦力对传动系统的影响；定期检查润滑系统和冷却系统，清理过滤装置，避免因机床润滑不足而导致摩擦阻力增加、磨损加剧和温升异常等问题。通过定期的维护保养，保障数控机床运行的稳定性，提高数控机床的整体加工质量

3）提升员工专业素养。数控机床是高度自动化的机电一体化设备，机床的检修涉及自动控制技术、传感检测技术、机械维修及电气检修技术等，对维修人员的专业知识技能要求极高。如果数控机床出现故障，如机械故障、数控系统故障、检测系统故障、伺服控制系统故障等，机床的加工精度就会受到严重影响。因此，必须对数控机床技术人员进行系统的专业培训，强化其安全责任意识、质量意识，避免人为因素影响数控加工精度；定期对员工进行职业素养培训，培养创新意识和工匠精神，逐步提高数控技术人员的专业素养[10]。

3 结语

数控机床在现代化机械制造生产线上得到了广泛的应用，具有极高的加工精度和生产效率。在数控加工过程中，误差是无法避免的，但是加工误差是可以通过技术措施减小的。通过分析影响数控机床加工精度的各种因素，对可能产生误差的原因进行探究，充分发挥现代机械加工新技术的优势，提出有针对性的技术改进策略，可以有效地提高数控机床的整体加工精度和产品质量，提升企业的综合效益。