中国船舶集团汾西重工有限责任公司,山西省太原市,030027
摘要:数控机床是现代制造业的关键设备,可以高精度和高效率的完成各种加工任务。而在机械加工制造行业中,由于多种因素,包括机床本身的误差、刀具磨损、材料特性变化等,数控机床在加工过程中难免会出现误差。为了提高零件的加工质量和减少废品率,误差补偿方法变得至关重要。基于此,本文针对不同类型的数控机床误差进行了介绍,并探析了如何利用误差补偿技术来消除或减小这些误差,从而提高加工精度。
关键词:机械加工制造;数控机床;误差补偿方法
数控机床技术的广泛应用已经成为现代制造业的关键驱动力之一,在生产过程中提供了高度的自动化和精确性,从而减少了人力资源和材料浪费。然而,在实际应用中,数控机床的精度往往受到多种因素的制约,如机床的初始装配质量、环境条件、刀具磨损、材料特性的变化等等,这些因素都可能导致零件加工误差,从而影响最终产品的质量。因此,误差补偿方法变得至关重要,可以通过纠正这些误差来提高零件的加工精度和质量。
一、数控机床误差类型与来源
(一)坐标误差
坐标误差是数控机床加工过程中常见的误差类型,源自机床的坐标轴运动不完美,涉及位置误差和轨迹误差两个方面。位置误差指的是工件实际位置与其期望位置之间的差异,由于机床的轴运动不可避免的引起位置偏差,这种误差会导致零件尺寸不准确,可能超出规定的公差范围,影响零件的功能性和装配性。轨迹误差则与加工路径的准确性相关,即机床在执行加工轨迹时的精度,其主要涉及工具在工作表面上的运动,轨迹误差会直接影响工件表面质量和加工速度。轨迹不准确可能导致表面瑕疵,增加加工的时间和加工过程中的能耗。
(二)刀具磨损
刀具误差直接影响零件的尺寸、表面质量和加工效率,是一种常见的误差来源。随着切削时间的增加,刀具的切削刃逐渐失去其初期锋利度,导致刀具磨损,这种磨损可能由于工件材料的硬度、切削速度、切削深度和切削力等因素引起。刀具磨损会对零件加工造成多个方面的影响,一方面,由于刀具的几何特性发生变化,会导致零件尺寸的偏差,另一方面,磨损刃可能引入痕迹或瑕疵,进而影响表面质量。此外,刀具磨损还有可能会导致切削力发生变化,进而影响机床的稳定性和动态性能。
(三)环境条件影响
环境条件对数控机床的精度和稳定性产生显著的影响。温度和湿度的变化可能会导致机床和工件材料的物理特性发生变化,进而影响零件加工的精度。首先,温度变化会引起机床零件的热膨胀和收缩,进而导致尺寸零件的不稳定性,因此,温度的监测和控制对于确保机床的稳定性和零件的精度至关重要[1]。其次,湿度变化可能会导致机床部件的腐蚀,特别是在含金属部件的机床中,可能会影响到加工的精度。湿度的控制可以防止机床零件的腐蚀,维护其几何稳定性。
(四)材料特性变化
材料特性的变化可能会对零件的尺寸、形状和表面质量产生显著的影响。首先,材料非均匀性可能导致零件加工中的误差,不同区域的材料硬度、弹性模量和热膨胀系数可能存在差异,这会导致在加工过程中出现尺寸偏差。其次,加工过程中可能会产生热量,导致工件和刀具升温,从而改变材料的物理特性。这种热变形可能导致尺寸误差,尤其在高温加工中更为显著。此外,切削过程中的应力可能导致材料发生塑性变形,进一步引起零件尺寸和形状的变化,材料的塑性变形可能受到材料类型和切削条件的影响。
(五)机床本身的装配质量
机床的装配质量涉及到各个部件的准确性、对齐度以及互相之间的配合质量,会直接关系到机床的性能和精度。不良的机床装配质量可能导致多方面的问题,首先,机床部件之间的松动或偏移可能会导致工件在加工过程中的不稳定运动,从而引起误差。其次,如果机床不同部位的装配质量不一致,不同区域的零件加工精度可能会存在差异。此外,机床部件的不良装配可能会导致磨损加剧,降低机床的寿命和可靠性[2]。最后,机床的不良装配可能会增加运行阻力,导致能源浪费和生产效率下降。
二、机械加工制造行业数控机床误差补偿方法
(一)坐标误差补偿
坐标误差补偿主要通过实时监测和测量机床的实际位置,与期望位置进行比较,并对控制命令进行相应的修正,从而降低误差。其中,软件误差补偿是通过在数控系统中引入修正参数,纠正轴运动中的误差,这些参数通常通过精密的测量和校准过程确定,然后用于实时控制机床轴运动,使其与期望轨迹一致。硬件误差补偿涉及到机床的结构调整或改进,包括导轨的磨损修复、传动元件的更换或调整、机床装配的精确性提高等,通常需要定期的机床维护和校准,进而降低误差,提升生产效率。
(二)刀具半径补偿
刀具半径补偿用于解决刀具磨损和刀具几何特性变化引起的误差,以确保零件的精度和准确性。在切削加工中,刀具的切削半径和几何特性会随着时间的推移逐渐发生变化,这会导致零件尺寸和表面质量的偏差。刀具半径补偿的目标是实时检测和纠正刀具的实际位置,以使加工路径保持在期望位置。这个过程通常涉及在数控系统中设置和管理刀具半径补偿值,这些补偿值基于对刀具磨损的实际测量数据或几何特性的了解而确定。当数控机床运行时,系统会根据这些补偿值调整刀具的切削路径,以保持零件的精度。
(三)磨损补偿
磨损补偿用于处理机床部件和工具的磨损所引起的误差。在加工过程中,机床的各个部件以及切削工具都会随着时间的推移发生磨损,这可能导致零件尺寸的不准确性和表面质量的下降[3]。磨损补偿的目标是通过实时监测和调整,以纠正这些磨损引起的误差,确保零件的精度和质量。磨损补偿通常需要系统中设置合适的补偿参数,这些参数可根据磨损情况进行动态调整。机床部件的磨损通常是由摩擦、冲击和重复的机械运动引起的,切削工具的磨损则涉及切削刃的失效和刃形变化,这可能导致零件尺寸不稳定和表面质量降低。
(四)温度补偿
温度补偿旨在处理温度变化引起的误差,以确保零件加工的高精度和一致性。温度变化对机床零件和工具材料的物理特性产生显著影响,包括热膨胀、热应力和材料硬度等,这可能导致零件尺寸的不稳定性。温度补偿的原理是实时监测和测量机床和工件的温度,然后根据温度变化进行修正,通常涉及到在数控系统中设置合适的补偿参数,这些参数考虑了材料的热特性以及温度对机床结构和工具的影响。温度补偿技术的应用对于高精度和高温环境下的加工任务至关重要,高速数控机床通常产生更多的热量,需要更为精确的温度控制和补偿。
(五)材料特性变化的处理
材料特性变化通常包括硬度、弹性模量、热膨胀系数等物理特性的变化,这些变化可能是由于材料非均匀性、温度变化和切削过程中的应力引起的。为了应对这一问题,需要从以下几个方面入手:加工过程中,根据材料的特性变化调整切削速度、进给速度和切削深度等工艺参数,有助于减小材料特性变化带来的误差,提高加工精度。在高温环境下,特别是在金属切削加工中,通过控制工作环境温度或采用高温稳定工具材料,可以降低温度变化引起的误差。此外,借助材料特性变化的预测模型,可以根据实时测量数据来补偿误差。
结束语:综上所述,数控机床误差补偿方法是机械加工制造行业中的关键技术,旨在应对各种误差来源,确保零件加工的高精度和高质量。这些技术的应用不仅有助于降低废品率、提高生产效率,还为制造业带来更高水平的自动化和数字化生产。随着技术不断发展,误差补偿方法将继续推动制造业向前发展,推动产品质量的提升。
参考文献:
[1]沈剑峰.数控机床误差综合补偿技术及应用研究[J].现代制造技术与装备,2023,59(05):61-63.
[2]朱永焕.五轴数控机床综合误差补偿系统开发与实验验证[J].科学技术创新,2023(10):60-63.
[3]郭远东,沈航.数控机床误差分析及双层智能补偿技术[J].机械工业标准化与质量,2022(10):12-15+1.