数控机床加工零件质量异常处理研究

凌思庆

（中国航空制造技术研究院，北京 100024）

1 数控机床加工零件相关概述

1.1 加工原理与零件质量

数控机床主要分为2 部分：一是外观设计机床；二是计算机数控装置。其内部结构包括主轴驱动系统、伺服驱动系统、辅助设备等，由于数控机床的内部结构极其复杂，因此在内外因素的共同作用下，很容易造成加工零件的质量异常。数控机床作为企业实现自动化生产加工零件的关键设备，其重要性不言而喻。数控机床的零件加工合格率与效率都与加工精度和影响因素有关，只有在满足加工零件精度的基础上，才能保证数控机床加工零件的质量。有效的零件加工诊断和维护措施可以明显降低数控机床发生安全事故的风险，降低出现零件质量异常概率。由于我国数控机床的起步较晚，在加工诊断和零件异常处理方面的经验不足，因此制造加工企业更应该加大资源投入。通过研究数控机床加工零件异常的处理方式，可以在一定程度上加深技术人员对数控机床结构的理解，并在此基础上保障零件加工的精度，保障数控机床的安全运行。同时，数控机床通过手动设置加工参数，使用集成数控系统和机床结构完成零件加工，能够使加工过程无须手动操作，数控零件加工的质量和效率也都得到了显著的提升。此外，如果能够充分利用数控机床的抗变形、自发热和抗震性的特点，零件加工就可以安全高效地进行。

1.2 影响数控机床零件加工质量的因素

基于对数控机床的使用现状分析，大多数情况下，数控机床的零件加工需要使用半封闭控制的伺服系统进给控制器，因此，在数控机床正常的工作状态下，由于伺服系统中螺纹的反向运动，会一定程度上导致轴和底座出现两个方向的间隙偏移，加之外部驱动力的影响，共同作用下会导致数控机床的工作发生一些变化，影响数控机床的加工质量。

（1）人为因素。由于数控机床操作人员专业技能匮乏，安全规范意识不强，而导致出现零件加工异常的问题。尽管现在的数控机床利用大数据技术，基本实现了自动化生产和故障智能处理，但具体的处理过程仍然离不开操作人员的参与，人工的不恰当操作必然会造成数控加工的异常率增加。随着数控技术的提高，数控机床的加工过程变得更加复杂，目前我国从事数控机床加工的操作人员大多与只进行过简单的职业培训，多数工作人员没有熟练掌握数控机床的系统知识，难以掌握设备操作。此外，由于数控机床操作人员不了解安全标准，因此，数控机床的定期维护也只是表面工作，并未落到实处。数控机床是精密的加工设备，不仅要求操作人员严格按照规范工作，而且要做好日常维护工作，但由于数控机床操作人员对质量控制意识薄弱，忽视日常维护，因此导致零件加工的异常率不断增加。

（2）系统与刀具因素。设备与系统因素可大致分为3 类：一是伺服系统；二是刀具参数；三是编程数据。首先，从数控机床工作原理来看，伺服系统是控制数控机床整个工作的最基本系统，在使用现代数控机床生产机械零件的过程中，为准确了解机械零件的加工信息，生产厂家必须使用伺服电机装置来驱动数控机床的滚动螺丝，如果表圈的螺钉有传动偏差，会直接对机械零件的制造和加工精度产生巨大的负面影响，以上问题也是数控机床定位精度偏差的一个重要因素。其次，数控机床在加工过程是在旋转工作下对零件进行削切。在切割过程中刀具主赤纬刃圆弧要在0.5 范围内，当切割棒零件时，机床的主轴线会有轻微偏差，如果不考虑偏差，则其将在主赤纬持续消退后继续扩大。因此，在数控系统的加工维护中，刀具参数也对零件生产精度造成一定的影响，所以在对加工编程时，有必要根据加工特性，分析其引起的零件加工误差和加工异常的原因，合理调整刀具的剪切长度，此外数控机床上工作时，刀具末端弧的半径、主要偏差角度、边缘和零件中心位置的误差都会降低数控机床的制造精度，需要在编程中加以研究。最后，在数控编程中，如果数据不够准确，就会导致整个加工过程出现很大的偏差，这对零件加工产生明显的负面影响。特别是在转换计算机程序尺寸和程序节点公差的过程中，如果不充分考虑尺寸与各个零件的形状和装配之间的关系，就会产生零件规格偏差，导致零件报废。一些数控机床控制系统可根据已知的回路形状的几何图形手动计算节点位置，但仍有一些数控机床需要手动计算来实现操作，因此不可避免地会出现偏差。如果数控机床零件的长度公差不相同，则必须使用手动计算来完成长度设置，如果使用相同的加工工具，更会增加计算过程，造成计算负载巨大，从而发生数据错误的概率大幅提升。

（3）逼近误差与圆整误差的影响。当编程零件的轮廓呈现近似误差时，通过拟合或近似思维算法，基于精确值控制，可以达到零误差。但当精度值低时，加工零件的精度和质量会有误差。在零件制造过程中，数控机床加工需要事先进行编程，运用数学理论对形状不规则的零件进行加工，如非圆形线性、逼近原理、用直线轮廓替代零件轮廓曲线等。在具体使用过程中，这些措施具有很高的实用性，但它们很容易将加工零件的形状轮廓与加工对象的形状轮廓重叠，而导致加工误差。例如，在一个特定的加工过程中，舍入误差是指在加工圆弧运动或圆弧轨迹时，实际值与机床的默认运动轨迹之间存在较大误差。

（4）车床热变形误差与车床轨道偏差。当机床加热时，相关零件会受到热膨胀和冷却的影响，出现严重变形，影响机床的加工精度。此外，在切割机床过程中会产生热摩擦，当外部温度发生变化时，机床的所有部件都会受到不均匀的加热，影响设备工作状态。同时，当零件体积不能满足要求时，可能会出现机床切割角度偏差、螺旋轴倾斜等问题，无法保证后续加工零件的准确性。而在运行过程中，如果导轨相对位置若总是存在误差，也将严重影响数控机床的加工精度。

2 零件质量异常的处理方案

2.1 超差异常处理方案

使用数控机床对合金零件进行加工后，若零件截面的测量值在Y 轴与x 轴方向出现偏差，造成零件质量异常现象，操作人员应将主轴的液压板与四爪对称夹紧，定位并进行尾座顶尖工作固定工件，通过材料取样，并附加四爪手动进行加工和测试，检查异常原因，若发现主轴与刀具设备间存在较大的间隙误差，则应从主轴轴承精度检查、卡盘异物检查、液压系统稳定与压力检查、刀杆纵向运动方向与侧向运动方向的螺母磨损检查、倾斜间距检查等方向进行。针对上述可能因素，逐步研究故障原因，通过检查主轴精度，以此保证精度指标满足，拆卸、清洁和安装主轴上的卡盘，消除轴承的精度和卡盘内部问题。由于主轴板为多跨液压对称连接板，预设液压应设为2MPa，检查夹具和工件的液压张力，使用0.02mm 的针，检查夹具和工件是否牢固连接，使用千分表检测刀片张力前后工件的变形情况，该方法还用于检查子通道是否在对称方向上是平衡的。检查刀杆的X 与Z 轴、主轴与母轴之间是否存在反向间隙，螺杆的预应力值是否在允许范围内，通过由于轨道松动，消除刀架X 轴和Z 轴的不稳。检查刀塔的主轴与Z 轴之间的平行度，若出现不平衡的情况，则应调整主轴的几何精度，使主轴与Z 轴的平行度在0.01mm 以内，以满足工厂的要求。

2.2 零件出现波浪的处理方案

数控机床加工出现零件表面有明显波浪，是不符合质量要求的。操作人员必须现场观察，分析哪一轴承出现问题。例如，只有Y 轴出现震动，而在其他轴运行正常时，因此对待加工零件表面波浪的初步判断是，Y 轴振荡导致了零件加工质量的异常。若Y 轴抖动现象存在于加工前期，则可通过调整Y轴带张力，补偿机器的斜率，降低Y 轴增益，改善机床抖动现象。若机器出现Y 轴及相关驱动部件的机械磨损过大，而机械磨损不能通过电气参数的调整和微调来补偿，则需要更换机器的Y 轴双丝及相关驱动部件。首先，将机器的Y 轴旋转到一侧，并将其关闭，从而方面移除机器两侧的钣金；其次，拆下伺服电机的紧固螺钉和皮带调节螺钉，并拆下Y 轴电机。拆下螺钉然后转动卡盘并拆下母线。拆下主轴两端的固定法兰和电机主轴支架的固定螺钉，并将整个主轴取出。以相反的顺序安装新的螺钉和相关的备件。安装好螺栓套后；再次，锁住面板侧螺钉的法兰螺栓，大致调整螺钉的平行度。使用母线在末端找到主轴的位置，通过调整槽将机器的Y 轴移动到正极限，然后再次锁定发动机主轴的法兰螺栓；最后，进行并行调试。在螺丝旁边放置一个水平比例尺，并放置一个百分比表，通过移动床身对齐水平比例。将百分比表放在水平比例尺上，检查主轴和导轨在Z 轴上的平行度，通过调整电机主轴的固定法兰，将平行度控制在规定范围。安装Y 轴伺服电机和皮带，通过调整螺钉来调整皮带张力，使用赫兹仪器来检测皮带的张力。用大理石方尺查机器的Y 轴与X 轴之间的垂直度，无异常后，用激光干涉仪补偿机器的Y 轴间距，更换Y 轴螺钉和相关传动部件后，对机器进行试验处理，检查机床在Y 轴上的运行，检查零件是否消除了波纹痕迹。

3 减少数控机床加工零件质量异常的措施

3.1 选择合适的机床刀

刀具是数控机床机关过程中的关键部件，直接决定了数控机床后续加工的水平。与传统钢刀相比，铝合金和陶瓷刀具有更突出的耐磨性能，因此在机械加工过程中使产品质量更加稳定可靠。但并非所有数控机床都可以使用以上刀具，部分机床也无法匹配以上刀具。因此，工作人员应对各种刀具和加工方法进行研究和分类，以便更科学合理地调整刀具配置，例如，球头可能比平头刀具更容易切割，并且当使用球头刀具时，产品的正确处理率会相应增加。为提高数控机床的生产效率和质量，相关企业必须根据不同类型的零件加工方案，选择科学合理的刀具，以最大限度地发挥刀具对数控机床加工的积极作用。

3.2 积极引进先进的制造软件

积极采用先进的制造软件可以为后续的产品设计、加工制造和产品数字化生产奠定基础。生产软件应广泛应用于数控机床加工的整个生命周期，包括零件建模、模具设计、机床加工、后处理编程、集成仿真系统等。在加工复杂零件的过程中，为了提高切削效率，提升工业机器人的工作精度，可以科学合理地应用自动刀具倾斜技术和防碰撞方法，进行五轴、三轴+2 轴等的加工。通过科学合理地使用数控技术，可以对加工行为进行动态建模，由此输出程序会更加安全高效。此外，为使整个数控机床加工过程更加标准与稳定，需要应聘用具有丰富实践经验的工程师和软件开发人员，共同创造一套适合数控机床加工的系统。

3.3 系统误差控制与车刀几何精度控制

在数控机床的设计过程中，为了将加工精度限制在合理范围内，必须严格控制伺服驱动系统。因此，伺服驱动系统的加工误差管理必须从提高驱动装置的运动特性开始，逐步改变整个装置的驱动设备，甚至改变驱动装置的特性，以此保证在驱动过程中更好地控制数控机床。伺服驱动系统的偏差控制还应从提高设备的压力水平和承载能力这两方面入手，通过更合理地承载机械零件，提高加工零件的控制精度。组装伺服设备时，应根据实际工艺条件对控制系统参数进行优化，从而提高误差控制能力。旋转刀具的几何精度与数控机床的制造精度直接相关，因此，总设计师必须根据具体的生产条件，进一步改进数控车床的加工工艺，以提高其几何精度，使整个导轨具有良好的定位功能，更有效地控制机床的加工生产。在车床制造过程中，为了更好地实现数控机床的各种特性，可采用倾斜床体的形状来代替过去复杂铸件结构，从而更有效地提高数控机床的韧性和承载能力。

4 结语

总而言之，数控机床加工零件质量异常的处理方案应从故障检查入手，通过对现场进行检查，观测机床轴承的抖动情况，检测刀具的磨损情况，通过更换部件、水平维稳、压力检测等方法对机床进行改造，从而减少加工异常的概率。此外，企业也应积极引进先进的制造软件，在原有数控机床的基础上提高加工精度。