數控銑削加工精度與加工誤差分析
數控銑床就是按照加工要求預先編制程序,由數字控制系統發(fā)出數字量作為指令信息對工件進(jìn)行自動(dòng)加工的銑床。在整個(gè)數字控制系統中將主軸起停、主軸變速、進(jìn)退刀、刀具與工件相對位移等操作都用數字化來(lái)表示,大大的提高了整個(gè)加工過(guò)程中的穩定性,從而提高了數控銑削的加工精度,減小了加工誤差。但是,由于存在數控銑床本身的精度和加工過(guò)程中的控制誤差,所以,提高加工精度和降低加工誤差仍是反映數控銑床加工能力的重要方面。
一.數控銑床系統誤差對加工誤差和加工精度的影響及補償
1. 數銑工藝系統的幾何誤差。由于數控銑床系統中各組成環(huán)節的實(shí)際幾何參數和位置相對于理想幾何參數和位置也會(huì )發(fā)生偏離而引起誤差,所以也會(huì )存在幾何誤差。
例如螺距誤差,在數控銑床的定位精度主要取決于絲杠,目前使用的高精密滾珠絲杠也會(huì )存在一定的螺距誤差。為了減小這種影響,一般采用螺距誤差補償,主要是將某軸的實(shí)際運動(dòng)位置和高精度測量系統測量結果進(jìn)行對比,并記錄對比誤差,這樣數控系統可在該軸運動(dòng)到該位置時(shí)自動(dòng)進(jìn)行誤差補償。
又例如數控銑床關(guān)鍵部位加工精度決定了數銑工件的加工精度等級。目前簡(jiǎn)易型數銑其最小運動(dòng)分辨率為0.01mm,運動(dòng)精度和加工精度都在0.03mm以下,超精密型用于特殊加工其精度可達0.001mm以下。
表1 數控銑床精度特征
精度項目 | 普通型 | 精密型 |
單軸定位精度mm | 0.02/全長(cháng) | 0.005/全長(cháng) |
單軸重復定位精度mm | 0.008 | <0.003 |
銑圓精度mm | 0.03~0.04/Φ200 | 0.015/Φ200 |
由上表可以看出,定位精度和重復定位精度綜合反映了該軸在加工過(guò)程中是否穩定可靠的工作。
2. 數銑工藝系統受力變形引起的誤差。數銑工藝系統在切削力、夾緊力、重力和慣性力等作用下會(huì )產(chǎn)生變形,從而破壞工藝系統各組成部分的相互位置關(guān)系,產(chǎn)生加工誤差并影響加工過(guò)程的穩定性。
補償措施:
(1)提高接觸剛度,改善機床主要零件接觸面的配合質(zhì)量,如機床導軌及裝配面進(jìn)行刮研。
(2)設輔助支承,提高局部剛度,如細長(cháng)軸加工時(shí)采用跟刀架,提高切削時(shí)的剛度。
(3)采用補償或轉移變形的方法。
3. 數銑工藝系統受熱變形引起的誤差。在加工過(guò)程中,由于受切削熱、摩擦熱及工作場(chǎng)地周?chē)鸁嵩吹挠绊?,工藝系統的溫度會(huì )產(chǎn)生復雜的變化。在各種熱源的作用下,工藝系統會(huì )發(fā)生變形,導致改變系統中各組成部分的正確相對位置,使工件與刀具的相對位置和相對運動(dòng)產(chǎn)生誤差。
補償措施:
(1)機床結構設計采用對稱(chēng)式結構。
(2)采用主動(dòng)控制方式均衡關(guān)鍵件的溫度。
(3)采用切削液進(jìn)行冷卻。
(4)加工前先讓機床空轉一段時(shí)間,使之達到熱平衡狀態(tài)后再加工。
(5)改變刀具及切削參數。
(6)大型或長(cháng)工件,在夾緊狀態(tài)下應使其末端能自由伸縮
(7)熱變形補償,例如通過(guò)測量機床主要部件的溫度變化和熱變形量,建立熱變形量與溫度的函數式并輸入系統,在加工過(guò)程中通過(guò)溫度測量進(jìn)行相應的補償。
二.數控編程工藝對加工誤差和加工精度的影響及補償措施
1. 加工路線(xiàn)因素
(1)進(jìn)退刀方式對工件輪廓加工精度影響較大,由于存在刀具直徑、機床進(jìn)給速度突變等原因,所以盡可能采取圓弧切入切出。
(2)數銑加工盡量采用順銑,有利于提高加工表面質(zhì)量,同時(shí)也可以提高刀具壽命。但有些情況下卻應該采用逆銑的方式:例如工件表面有硬化或夾砂時(shí),需要采用逆銑, 可以防止刀具損傷;加工非金屬材料特別是含纖維材料時(shí),采用逆銑才可完全切斷纖維,獲得較高的加工精度。
圖 3 順銑和逆銑 a)順銑 b)逆銑
(3)如下圖中所示,在數銑孔的路線(xiàn)選擇中,如果對位置精度要求不高的話(huà),應選擇a圖中所示,采用了最短加工路線(xiàn),但會(huì )產(chǎn)生Y向誤差;如果對位置精度要求較高,則應選擇b 圖中所示加工路線(xiàn),雖然加工路線(xiàn)較長(cháng),但避免了Y向誤差。
圖4 數銑孔加工路線(xiàn)選擇
2. 編程原點(diǎn)的確定。編程原點(diǎn)存在尺寸公差換算所引起的誤差,所以編程原點(diǎn)的選擇直接影響零件加工誤差和精度。
補償措施:
(1) 為避免尺寸鏈換算,應選取數值計算簡(jiǎn)單的點(diǎn)。
(2) 盡量選擇精度較高的表面,
(3) 盡可能選擇設計基準或工藝基準。
三.工件本身和人為因素對數銑加工精度和加工誤差的影響和補償
1. 工件內應力引起的加工誤差。內應力是工件自身的誤差因素。工件經(jīng)過(guò)冷熱加工后會(huì )產(chǎn)生一定的內應力。通常情況下,內應力處于平衡狀態(tài),但對具有內應力的工件進(jìn)行加工時(shí),工件原有的內應力平衡狀態(tài)被破壞,從而使工件產(chǎn)生變形。
補償措施:
(1)合理設計零件結構,設計零件時(shí)盡量簡(jiǎn)化零件結構
(2)合理安排工藝過(guò)程,如粗精加工分開(kāi),使粗加工后有充足的時(shí)間讓內應力重新分布,保證工件充分變形,再經(jīng)精加工后,就可減少變形誤差。
(3)對工件進(jìn)行熱處理和時(shí)效處理。
2. 測量誤差。在工序調整及加工過(guò)程中測量工件時(shí),由于測量方法、量具精度及工件和環(huán)境溫度等因素對測量結果準確性的影響而產(chǎn)生的誤差,都統稱(chēng)為測量誤差。
結論
除了上述數銑機床本身系統誤差和編程工藝誤差、人為誤差外,還有其他一些因素,在實(shí)際的加工過(guò)程中都要考慮進(jìn)去,這就需要在進(jìn)行加工過(guò)程中,能夠了解并有效地限制這些因素,才能減小加工誤差,提高加工精度。