数控车床加工缺陷分析与误差补偿技术

马智敏

(定西中医药科技中等专业学校，甘肃 定西 748100)

0 引言

在现代化的机械加工领域广泛应用了数控加工技术，使传统的机械加工效率和质量得到了更好的保证，并有效降低了人工操作的劳动强度。车削加工是传统的机械加工手段，适用于回转体零件的加工制造，在机械加工过程中应用广泛。随着机械产品向精细化和可控化发展，对于数控车床加工质量的要求也明显提升。在数控加工过程中，常因刀具技术、编程技术、机床误差、生产环境、加工材料等因素影响造成加工质量的降低，若数控车削加工质量不能得到有效控制，可能造成批量加工零件的废品率增加，造成加工工期的延长和材料浪费。因此，通过分析数控车床加工缺陷的产生原因并有针对性地进行改善，有利于进一步提升数控车床加工的整体质量。

1 数控车床的技术特征

数控车床是在传统车床技术上发展的数字化控制产品，具有显著的自动化特征，能够替代人工操作完成数控加工的全部工作任务。在数控车床的加工过程中，主要利用数控程序控制伺服系统进行运转，并按照步骤完成加工过程。数控加工的优势是自动化程度高、加工品质统一、加工效率高，但与人工操作机床加工相比，也存在不能随时检测加工量、加工的主观能动性不足等问题。数控车床加工的零件具有明显的技术特征，如图1所示，数控车床相对于人工加工更适合以下场合：1)大批量生产制造的回转体零件；2)轮廓形状复杂的回转体零件；3)非标准螺纹零件；4)表面光洁度有特殊要求的回转零件。

图1 数控车床加工的典型零件

2 加工缺陷的典型表现

2.1 几何尺寸不合格

在进行数控车削加工的过程中，最常见的加工缺陷就是加工完成的零部件几何尺寸不符合标准要求，表现为图纸中严格约束的直径、长度、坡度、圆角、倒角等尺寸在加工完成的零件上达不到图纸要求的标准，出现实际加工零件的局部尺寸偏大或偏小的问题，影响零部件之间的配合精度，造成零部件的报废或需重新加工处理[1]。

2.2 表面光洁度不合格

很多零件需要在良好的表面光洁度条件下进行传动、配合，但在数控车削的过程中，常因为刀具选择不合理、转速设计不合理、走刀速度不合理等因素导致加工后零件的表面光洁度不合格，过于粗糙的表面可能导致零件装配难度增加，在运转或传动过程出现严重磨损等问题。实际生产中出现表面光洁度不合格常导致返工，需要二次精加工，导致制造成本增加，工期延长。

2.3 几何形状不标准

对于部分特殊的零件，设计有局部非标准结构，如非标螺纹、回旋凹槽等，当刀具选择不合理或刀具出现磨损等原因时，可能导致螺纹、凹槽等出现形状偏差，导致其不能与其他零件良好配合，易产生废品，造成原材料浪费和工期延误。

3 导致加工缺陷的因素

3.1 刀具选材不当

在数控车削加工的过程中，刀具的合理选择十分重要，尤其对于大批量生产而言，刀具的选择必须充分考虑刀具的刚性、强度、耐热程度、硬度等关键参数，部分特殊工厂要求刀具具备一定的抗冲击能力。但在实际生产过程中，常出现刀具选材不当的问题，这主要表现在两方面，一是由于人工选择刀具时对于加工过程考虑不周全，最典型的就是选择的刀具硬度不足；二是由于刀具生产企业的产品质量不合格，在刀具硬度、韧性、耐变形能力等方面达不到应有品质。刀具选材不当导致其在加工硬度较高的原材料时易出现刀具严重磨损问题，出现被加工零件几何尺寸、表面光洁度等不合格，甚至出现表面划伤、刮痕等，造成加工品质降低甚至零部件报废[2]。

3.2 传动控制产生误差

现阶段应用的数控车床，刀具的走位和驱动主要依靠伺服电机控制系统进行控制，这一控制的过程主要依靠刀具架体与滚珠丝杆之间的配合实现刀具位置的改变，通过滚珠丝杆的旋转来控制刀具与待加工零件之间的相对位置，这一控制方式简单且易实现。但在传动控制的过程中，由于丝杆转动误差、电机转动误差、传动打滑等原因造成刀具与待加工零件之间的接触位置出现偏差，导致数控车削加工的精度下降，严重时导致零件废品率增加。

3.3 机床的结构性误差

在数控车床生产制造、装配的过程中，可能造成机床本身的零部件配合精度存在误差，装配精度的不足或零部件制造的误差导致机床在使用中存在结构性误差问题。例如，机床导轨存在安装偏差，则会对数控车床的加工精度产生显著影响。在数控车床使用之初，可通过程序修正部分机床的结构性误差问题，进而提高制造精度。但随着机床使用时间的增加，机床自身的结构性误差会呈现“放大”趋势，若不能及时对其进行修正，则会因误差的存在而严重影响车削质量，导致出现明显的加工偏差。

3.4 刀具热变形误差

在进行数控车削加工的过程中，刀具与待加工零件之间的摩擦会不可避免地产生大量的热，尽管数控车床配套有冷却系统，但温度仍会明显升高，尤其在大型零件的车削加工过程中，单一刀具的加工时间较长，持续受摩擦力造成热量累积，易造成刀具受热出现变形，该变形对于加工要求不高的零件影响不大，但对于精密零件却存在一定影响，可能造成加工质量的不合格。

3.5 程序编制与执行误差

数控程序是数控车床加工运转的核心，车削加工的所有动作都依照数控程序指令执行，在实际生产加工的过程中，数控程序只能在理论上模拟车刀刀尖或刀具的运动轨迹，而实际加工时刀具的位置与程序设定的理论位置常存在一定的偏差。这种偏差表现在程序对于切削量的圆整，对让刀量的设计，以及伺服驱动的修订值等，但程序中的圆整与修订仍不可避免地引起一定程度的执行误差，导致实际加工生产出的零件与理想值存在偏差，甚至可能由于程序设计的不合理出现零件加工缺陷及报废问题[3]。

4 数控车床的误差补偿

4.1 常规技术

数控车床的误差补偿常采用人工对程序进行合理化修订的方式实现，由于现阶段的自动编程仍可能存在一定程度的不合理，因此，人工修正是降低制造误差、减少生产缺陷的有效手段。人工修正程序进行误差补偿的优点是可有效利用工人的经验，使加工过程更为合理，并对行程路线、切削进给路线等进行优化，有利于实现最短路径下的高效车削加工。但人工进行程序修正和误差补偿也存在一定的弊端，一是人的思维局限性可能导致误差修正、误差补偿的不全面及不合理；二是人工修正对于复杂结构的零件不适用，冗长的加工程序可能耗费大量的人力和时间进行误差补偿修正，且仍可能达不到预期效果。

4.2 软件修正

针对传统人工开展的误差调整存在的诸多不便和问题，数控技术的误差补偿逐渐向软件修正方向转变，软件系统对数控车床常存在的误差位置进行统计，将数控车床的典型误差归类为约30项，其中包括了直线度误差、定位误差、平移误差、扭摆角误差、垂直度误差等，可通过软件系统开展专项的参数修正。现阶段应用较多的数控车床误差补偿技术具有统一性特点，该技术的组成主要包括数控机床误差检测与数控机床空间误差补偿两大体系。

4.2.1 数控车床误差检测

传统的数控车床误差检测采用人工比对制造零件缺陷，并测量数控车床关键位置数值进行分析，过程十分复杂，随着软件技术的升级，自动化的误差检测技术得到广泛应用。现阶段常用的误差检测技术包括平面正交光栅法(GGET)和激光干涉仪(Laser Interferometer)测量技术等。平面正交光栅法主要利用安装于车床工作台上的精密平面正交栅纹光栅作为基准，利用主轴一端安装的读数装置作为测量与显示器，能够精确测量车刀的运行轨迹，检测的精度可达5～10 nm。激光干涉仪是利用激光测量技术研制的新型误差监测装置，数控机床上应用的激光干涉仪以双频激光干涉仪为主，其能够适应大范围的测量要求，测量精度可达纳米级，且对于角度、直线度、振动幅度等参数均能实现精确测量[4]。

4.2.2 数控车床空间误差补偿

利用软件技术结合误差检测结果进行空间误差补偿已经经历了多年的研究和应用，技术理论的早期研发者为法兰克公司(FANUC)和西门子公司(SIEMENS)，主要是利用误差检测的数据开展资料分析，并利用分析结果控制机床进行刀具位置的调整，再利用误差检测技术进行刀具位置调整后的验证[5]。在传统的数控车削加工过程中，主要采用直接修改程序代码的方式进行修正，这种方法简单便捷，但是对生产过程中出现的新的误差问题适应能力不足，基于这一问题，现阶段的数控车床误差补偿多采用以下两种适应性更好的新技术。1)原点平移误差补偿是一种实时补偿误差的新技术，其特征是在完成误差补偿的同时不改变源程序代码，只通过分析误差因素对系统的原点位置进行调整，使原点向误差的反方向平移，达到修正的目的，具有简单、对控制过程干扰小、效果显著的特点[6]。2)反馈截断式误差补偿是利用编码器的反馈信号增加或减少反馈脉冲实现误差补偿，利用机床综合误差相等的脉冲信号与编码器反馈信号进行相加或相减，实现快速修改反馈信号，从而实时调节机床运动轴的位置，该技术应用过程相对复杂[7]。

5 结语

随着现代制造业的快速发展，数控车床的技术和工作性能得到了快速提升，但数控车床的应用过程仍不可避免地出现加工缺陷问题，通过误差补偿技术的应用，结合生产经验进行车床技术的升级，能够有效提升车床的制造精度和生产质量，使其更符合现代化生产的发展需求。