1、数控车床加工过程中尺寸精度的控制摘 要：本文围绕、弹性变形、精加工及刀具等要素对加工产生的影响，论述了如何保证加工零件的尺寸精度的方法。 关键词：加工误差；弹性形变；弹性恢复；二次精加工 尺寸精度是指加工后的工件尺寸和图纸尺寸要求相符合的程度。两者不相符合的程度通常是用误差大小来衡量。误差包括加工误差、安装误差和定位误差。其中，后两种误差是与工件和刀具的定位、安装有关，和加工本身无关。要提高加工精度减小加工误差，首先要选择高精度的机床，保证工件和刀具的安装定位精度，其次主要与数控车床加工工艺有关。 工艺系统中的各组成部分，包括机床、刀具、夹具的制造误差、安装误差、使用中的磨损都直接影响工件的加
2、工精度。也就是说，在加工过程中工艺系统会产生各种误差，从而改变刀具和工件在切削运动过程中的相互位置关系而影响零件的加工精度。这些误差与工艺系统本身的结构状态和切削过程有关，产生加工误差的主要因素有： 1 加工原理误差 加工原理误差是由于采用了近似的加工运动方式或者近似的刀具轮廓而产生的误差，因在加工原理上存在误差，故称加工原理误差。只要原理误差在允许范围内，这种加工方式仍是可行的。 2 机床的几何误差 机床的制造误差、安装误差以及使用中的磨损，都直接影响工件的加工精度。其中主要是机床主轴回转运动、机床导轨直线运动和机床传动链的误差。 3 刀具的制造误差及弹性变形 我们很多人都有这样的经历，就是
3、在前一刀车削了几毫米切深以后，发现离想要的尺寸还差几丝或者十几丝时，再按计划进行下一刀切削时，发现多切了很多，尺寸可能超差了。那么这样的情况我们认真分析过其中的原因吗？有人说，这可能是因为机床间隙比较大所致，而在同一进刀方向上是不会受间隙影响的，其真正原因就是弹性形变和弹性恢复。 弹性形变表现在刀具、机床丝杠副、刀架、加工零件本身等对象的形变，使刀具相对工件出现后退，阻力减小时形变恢复又会出现过切，使工件报废。产生形变的最终原因是这些对象的强度不足和切削力太大。弹性形变会直接影响零件加工尺寸精度，有时还会影响几何精度（如零件变形时容易产生锥度，因为远离卡盘的位置形变幅度越大） ，刀具的强度不足
4、，我们可以设法提高，有时机床和零件本身的强度，我们是没法选择或改变的，所以我们只能从减小切削力方面着手，来设法克服弹性形变，切深越小、刀具越锋利、工件材料硬度较低、走刀速度减小等都会减小实际切削阻力，都会减轻弹性形变。 所以为了保证工件的尺寸精度，我们往往把精加工、半精加工和粗加工分开，也就是说把弹性形变大的和弹性形变小的不同工序分开进行（粗加工时追求效率基本不追求精度，刀具需要偏钝，侧重强度，精加工时切削量很小，追求精度，刀具侧重锋利，减小切削阻力） ，在对刀试切时，就按照不同工序实际加工时的切深进行试切，确保试切时和实际加工时阻力和弹性形变幅度大致相当，确保数控机床坐标系建立准确，确保普通
5、机床进刀准确；然后在精加工时尽可能采用比较锋利的刀具，最大程度减小切削抗力、减小形变。 刀具的制造误差、安装误差以及使用中的磨损，都影响工件的加工精度。刀具在切削过程中，切削刃、刀面与工件、切屑产生强烈摩擦，使刀具磨损。当刀具磨损达到一定值时，工件的表面粗糙度值增大，切屑颜色和形状发生变化，并伴有振动。刀具磨损将直接影响切削生产率、加工质量和成本。 4 夹具误差 夹具误差包括定位误差、夹紧误差、夹具安装误差及对刀误差等，这些误差主要与夹具的制造和装配精度有关。 4.1 基准不重合误差 当定位基准与工序基准不重合时而造成的加工误差，称为基准不重合误差，其大小等于定位基准与工序基准之间尺寸的公差。
6、 4.2 基准位移误差 工件在夹具中定位时，由于工件定位基面与夹具上定位元件限位基面的制造公差和最小配合间隙的影响，导致定位基准与限位基准不能重合，从而使各个工件的位置不一致，给加工尺寸造成误差，这个误差称为基准位移误差。 5 转速对加工的影响 正常情况下，大家知道，转速越高，切削的效率越高，效率就是利润，所以，我们要在条件允许的情况下，运行尽可能高的转速进行切削。但转速、工件直径确定切削线速度，线速度受工件硬度、强度、塑性、含碳量、含难切削合金量和刀具的硬度及几何性能等因素制约，所以要在线速度限制下选择尽可能高的转速。另外转速高低选择要根据不同材质的刀具确定，例如高速钢加工钢件时，转速较低时
7、粗糙度较好，而硬质合金刀具则转速较高时，粗糙度较好。再者，在加工细长轴或薄壁件时，要注意将转速调整避开零件共振区，防止产生振纹影响表面粗糙度。6 切削要素对表面粗糙度的影响 我们知道工件材质较硬时，加工后工件表面粗糙度较好，另外当工件材料的可塑性和延展性越高时（如铜材、铝材） ，就需要刀具越锋利才能加工出比较好的表面粗糙度，灰铸铁加工相对于钢件加工来说，因为成份复杂，含杂质程度高，就需要刀具硬度较高。有些延展性较高强度又较高的合金材料，就需要锋利却又能保证强度的刀具，所以就比较难加工（如不锈钢、镍基耐热合金、钛合金等） 。 除了材料对刀具提出要求以外，切削要素对表面粗糙度也会产生影响，当精加工
8、切深太小，甚至比刀具刃厚还小时，刀刃已不能实现正常切削，所以产生挤压，也就会出现很差的表面粗糙度。当切深太大，甚至使刀具产生弯曲时，这时工件材料是被撕裂下来的，所以在工件上会留下很多丝状铁屑残留和较明显的纹路。走刀速度对工件表面粗糙度的影响也是相当明显的，当走刀速度加快或刀具副偏角不恰当时，会使走刀纹路高度加大，也就使表面粗糙度变差。 刀具不是很锋利的情况下，切深太小，甚至比刀刃厚度还小时，已经不是正常的切削了，只能属于“刮”或“研” ，所加工工件表面粗糙度会下降，工件表面出现细微白丝，好像笼罩一层白雾，所以要注意控制。在一般的生产状态下，车床的精度已经确定，加工所用的刀具和夹具也已经确定，操
9、作者的熟练程度也已经确定，在此种前提下，要想尽量提高工件的尺寸精度，笔者认为应该注意以下几个问题。 本文以华中数控操作系统为例说明提高工件尺寸精度的几个问题。要想提高工件的尺寸精度，二次精加工是不可或缺的，用设置摩耗和更改尺寸数字即二次精车的方法的基本思路是：数控车床对刀后，在粗、精车轮廓之前，把数控装置中粗、精车刀具的磨耗调出来，把相应的 X值或 Z 值设置成精加工余量即预设磨耗值，并在数控加工程序中设置工艺性暂停指令，起动数控车床依次对工件进行轮廓的粗、精加工，测量工件各部分的尺寸，减去精车余量后与零件图中的尺寸中值进行比较，同值变大，或同值变小，修改磨耗来解决；大小变化不同值时，修改加工
10、程序中该部分的尺寸数字，与此同时，也可以检查工件的表面粗糙度，看是否达到要求，如达不到要求，修改切削用量如进给量或主轴转速（或切削速度） ，最后再精车一次，即二次精车，从而使工件的尺寸和表面粗糙度都达到图样要求。笔者在长期的实操加工中发现在二次精加工过程中可以通过一些措施来提高工件的尺寸精度。在这里通过一个例子来说明这几条措施。 如图所示，首先说一下加工工艺：先加工右端，从右至左一直加工到长度为 5mm 直径为 48mm 的轴的位置。凹椭圆先加工左半部分，掉头后再加工右半部分，加工右边时，在半长轴为 10mm 的椭圆位置加工出直径为 38mm 长度为 15mm 的工艺台阶，这样右端的退刀槽、螺
11、纹、凹椭圆左半部分等全部一次完成，然后掉头夹住工艺台阶加工左端部分内轮廓、外轮廓及凹椭圆的右半部分，最后通过一夹一顶把工艺台阶部分加工成图纸要求的形状。 一般的加工程序在 G71 程序段的后面还应该有 G00X100 Z100 M05 M00，在这里笔者把它们去掉了。这几个程序段的作用是粗加工后把刀具移到安全位置、主轴停下来、程序暂停，然后测量工件的尺寸并且结合精加工余量确定零件的当前实际尺寸与当前理论尺寸相比较，如果有偏差则在刀偏表的 X 磨损里进行调整，最后精加工得到工件的最终尺寸。但笔者在编程的时候把实现粗加工后测量尺寸的几段程序去掉了。那么这样的结果就是在第一次精加工的时候粗加工和精加
12、工连续进行，那么如果粗加工后精加工预留量与事先设定的数值不一样，那么工件的最后尺寸不就与图纸尺寸有了很大的偏差吗？一般情况下要想进一步提高工件的尺寸精度，一般都要进行二次精加工，即先在 X 磨损里把磨损值定为 1mm（外轮廓） 。那么在理论上如果不考虑各种误差的话在第一次精加工后工件的尺寸比图纸尺寸大 1mm，然后把 X 磨损值由 1mm 改为 0mm，进行第二次精加工，就得到了工件的最后尺寸。 当然第一次精加工后工件的实际尺寸不一定恰好比图纸尺寸大 1，这个时候就看第一次精加工后工件的实际尺寸比图纸尺寸大多少，大多少就在 X 磨损值 1 上减去多少。例如第一次精加工之后工件的实际尺寸比图纸要
13、求尺寸大 0.95，那么把 X 磨损值调整为 1-0.95=0.05mm，然后第二次精加工，得到工件的最后尺寸。 采用这种方法与传统的相比有什么优点呢？ 传统的二次精加工在粗车之后第一次精加工之前就要测量一下尺寸，看粗加工之后的尺寸与我们想要的尺寸是否有偏差，有的话就要调整进行第一次精加工，进行第二次测量尺寸，再与我们想要的尺寸相比较，有偏差的话进行第二次调整 X 磨损值，最后进行第二次精加工，得到最后的尺寸。看起来经过两次的测量、调整加工出来的工件的尺寸精度应该比较高，但是这里面也有不足之处：首先，我们第一次测量是在粗加工之后进行的，而粗加工之后工件的表面粗糙度比较大，在此种情况之下我们测量
14、，工件表面的粗糙度会影响我们的测量结果，导致我们的测量结果存在比较大的误差，第一次精加工之后工件的表面粗糙度变小了，但我们测量读数的时候由于各方面因素的影响也会存在一些误差。这样两次误差累加形成的综合误差就比较大。而采用笔者所介绍的这种方法只需要测量一次，并且是在精加工之后进行的，测量受工件表面粗糙度的影响比较小，并且不象传统方法有累加误差，所以这种方法可以提高工件的尺寸精度，还可以提高生产效率。 在实际加工过程中我们第二次精加工之前所加工的尺寸可能不止一个，并且这几个尺寸与理想尺寸的偏差可能不是一致的。比如在上述例子中在第一次精加工完右端后我们要测量几个需要控制精度的尺寸。凹椭圆两边直径为 48mm 的轴及凹椭圆右边直径为 40mm 的工艺台阶轴、加工螺纹的光轴，假设它们的尺寸分别49.05mm、40.96mm、39.10mm、24.86mm，那么我们在调整 X 磨损值的时候应该保证让最多的尺寸在图纸要求的公差范围之内，比如我们把 X 磨损值由 1mm 调整为 0mm，那么尺寸符合要求，如果还有不符合要求的，这时候我们可以在程序中通过修改程序数值的方法进行调整。以达到提高工件尺寸精度的目的。 参考文献： 1 罗红.切削要素与尺寸控制. 2 闫日平.用二次精车法保证工件尺寸和表面质量.金属冷加工（冷加工）J.2011（8）.
