浅谈数控铣床加工中线性尺寸的控制方法
发布时间：2021-10-16
摘要：数控铣床是一种在现代机械加工中使用较为广泛的数控机床。数控铣床具有高效率、高精度、高柔性等特点，一般来说，使用数控铣床加工的零件一般尺寸相对较多。我们在使用数控铣床时，如何保证零件的尺寸精度，优化零件加工工艺和高效精加工方法，明朗化，高效合理、按质按量的完成零件的加工，是每一个从事机械加工行业人所需要重视和追求的。本文介绍了两种能应用在数控铣床上的精加工零件尺寸的方法：其中一种是使用数控加工编程软件上余量设置为中差来调整精修尺寸，另一种使用软件编程图形绘制中差使用机床上刀具磨耗来调整精修尺寸。
关键词：数控铣床;线性尺寸控制;余量;转速;磨耗
在中国，数控技术和数控设备的发展近年来得到国家和各级政府的高度重视。近年来我国在世界技能大赛上数控车技工技术、数控铣加工技术两个赛项都获得了金牌。这说明在国家和各级政府的重视下，我国的世界技能大赛各赛项专家、教练的努力下，我国参赛选手掌握的数控加工技术取得了相当大的进步。近年来特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、先进数控加工技术普及面和普及率等方面情况尤为突出。
随着科技的发展，生产力得到空前提升，数控机床在生产加工中应用越来越广泛，数控铣床上加工的零件在加工时一般尺寸相对较多，如何在保证零件尺寸精度的同时使加工工艺和精加工方法更加的明朗化，高效合理、按质按量的完成零件的加工，是每一个从事机械加工行业人所要重视和总结的。笔者从事数控铣床教学及工厂加工多年，加之担任职业院校技能大赛数控铣床项目指导教师十年的经验。现就零件加工中一些线性尺寸的控制技巧跟大家分享。数控铣床上加工的零件中的线性尺寸，简称尺寸，是指两点之间的距离，如直径、半径、宽度、深度、高度、中心距等。普通三轴数控铣床有x/y/z三个轴，他们分别由三个单独的伺服电机控制器来分别控制各轴的定位精度。影响各轴加工精度的因素有很多。通过查阅资料我们现列出影响各轴加工精度的几类因素，总结一下大致可以分为以下几类：
①机床误差。机床误差是指机床的制造误差、安装误差和磨损。主要包括机床导轨导向误差、机床主轴回转误差、机床传动链的传动误差。
②加工原理误差。加工原理误差是指采用了近似的刀刃轮廓或近似的传动关系进行加工而产生的误差。加工原理误差多出现于螺纹、齿轮、复杂曲面加工中。
③调整误差。机床的调整误差是指由于调整不准确而产生的误差。
④工件内部的残余应力
⑤加工现场环境影响。加工现场往往有许多细小金属屑，这些金属屑如果存在与零件定位面或定位孔位置就会影响零件加工精度，对于高精度加工，一些细小到目视不到的金属屑都会影响到精度。
⑥夹具的制造误差和磨损。夹具的误差主要指：定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等的制造误差;夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸误差;夹具在使用过程中工作表面的磨损。
⑦刀具的制造误差和磨损。刀具误差对加工精度的影响根据刀具的种类不同而异。
⑧工艺系统受力变形。工艺系统在切削力、夹紧力、重力和惯性力等作用下会产生变形，从而破坏了已调整好的工艺系统各组成部分的相互位置关系，导致加工误差的产生，并影响加工过程的稳定性。主要考虑机床变形、工件变形以及工艺系统的总变形。
⑨工艺系统的热变形。在加工过程中，由于内部热源(切削热、摩擦热)或外部热源(环境温度、热辐射)产热使工艺系统受热而发生变形，从而影响加工精度。
相关期刊推荐：《机床与液压》杂志是中国科协主管，由中国机械工程学会、广州机械科学研究院联合主办的全国性刊物，创刊于1973年，国内外公开发行。主要介绍制造技术与装备、液压、气动和控制技术的发展和最新研究成果及其在生产制造、机电工程设计、工程机械中的应用情况;报道机电行业技术有关领域的专题综述、技术讲座、国内外发展动态及最新信息。同时也介绍设备使用维修和技术改造、开发方面的经验。内容坚持理论与实际、普及与提高、国内与国外相结合的原则。
综上九种因素会影响加工精度，但是我们在加工过程中在同一机床同一环境下这些因素作用变弱，主要剩下调整误差和工艺系统受力变形。机床的调整误差是指由于调整不准确而产生的误差。现在我们为了将机床的调整误差的因素弱化，又将每次精加工时的转速进给在刀具合理范围内固定下来，还有就是每次精修切削量固定，消除弱化机床受切屑力反作用让刀误差的影响。在固定转速进给切削参数后，将软件编程中精加工次数分为两次，两次间隔0.015mm。保证每次切削量一致消除减弱机床让刀因素。另机床各轴的丝杆反向间隙不一致，所以调整尺寸时按x方向、y方向、z方向分别去调整。在精修零件前，我们在使用粗加工刀具对工件进行粗加工并留有大约0.5mm的精加工余量。由于粗加工时夹持力会使工件产生一定量的变形，所以粗加工完毕后需要先松开虎钳再次使用合适的夹紧力调整减小夹持力的大小，使工件恢复形变或减小形变。重新装夹后打表对刀换上精加工刀具调整转速进给。分别在xyz三个方向上去精修尺寸。在精修xy两轴上尺寸有两种方式，其中一种是使用数控加工编程软件上余量设置为中差来调整精修尺寸，另一种使用软件编程图形绘制中差使用机床上刀具磨耗来调整精修尺寸。
①使用数控加工编程软件上余量设置为中差来调整精修尺寸方法操作如下：
x方向的尺寸精修方法：首先在零件加工图上找到一个可以方便使用千分尺测量的凸台特征的尺寸作为基准尺寸。例如尺寸550-0.02，在编程软件上编制精修程序，将软件上精修程序的余量设置成公差的中值-0.01，补偿改为机床。先半精加工一次，测量该尺寸并对机床上对应的刀号磨耗值的修改对该凸台特征的左右两侧同时对称精修，将使用同一程序分多次精加工到该尺寸的中差例如55-0.01，在该尺寸合格范围内，记下该尺寸合格后机床上对应刀具的磨耗值，这时将x方向上这个刀具的磨耗值作为标准。我们将其他在x方向的特征尺寸来验证，另一个凸台尺寸45+0.01-0.01精修时可以计算尺寸中差45+0.00在编程软件上编制精修程序，将软件上精修程序的余量设置成公差的中值0，补偿改为机床。生成程序传入机床，导入机床精修可得45这个尺寸。用千分尺测量验证，经测量误差不超过0.003MM。此方法验证同是凸台的两个尺寸计算方法。其次类推x方向其他尺寸的余量值都设为中差值。补偿改为机床。生成程序传入机床，导入机床精修可得。同一方法计算。据此方法，验证多次，屡试正确。
y方向的尺寸精修方法：首先在零件加工图上找到一个可以方便使用千分尺测量的凸台特征的尺寸作为基准尺寸。例如尺寸250-0.02，在编程软件上编制精修程序，将软件上精修程序的余量设置成公差的中值-0.01，补偿改为机床。先半精加工一次，测量该尺寸并对机床上对应的刀号磨耗值的修改对该凸台特征的左右两侧同时对称精修，将使用同一程序分多次精加工到该尺寸的中差例如25-0.01，在该尺寸合格范围内，记下该尺寸合格后机床上对应刀具的磨耗值，这时将y方向上这个刀具的磨耗值作为标准。我们将其他在y方向的特征尺寸来验证，另一个凸台尺寸65+0.01-0.01精修时可以计算尺寸中差65+0.00在编程软件上编制精修程序，将软件上精修程序的余量设置成公差的中值0，补偿改为机床。生成程序传入机床，导入机床精修可得65这个尺寸。用千分尺测量验证，经测量误差不超过0.003MM。此方法验证同是凸台的两个尺寸计算方法。其次类推y方向其他尺寸的余量值都设为中差值。补偿改为机床。生成程序传入机床，导入机床精修可得。同一方法计算。据此方法，验证多次，屡试正确。
②使用软件编程图形绘制中差使用机床上刀具磨耗来调整精修尺寸方法如下：
x方向的尺寸精修方法：在精修尺寸前，先将零件进行粗加工。精修尺寸前，我们将机床上精修刀具上相应磨耗改成0.2。此方法需要将图纸里的尺寸公差中值先计算出来，在软件编程里的每一个需要尺寸公差的尺寸用公差的中间值为标准尺寸画入电脑图形，例如某尺寸320-0.02实际按32-0.01画入图中。精加工试切时只需将软件编程余量设置为0，补偿改为机床，发送到机床中加工，先半精加工一刀，测量该尺寸并修改机床中此刀号下磨耗值直到尺寸无限接近32-0.01合格，将磨耗固定不变，x方向其他的尺寸使用同一把刀精修尺寸程序余量都设置为0，发送到机床直接精修其他尺寸。用千分尺测量验证，经测量误差不超过0.003MM。如果加工中使用有第二把精修刀也是同样原理。
y方向的尺寸精修方法：y方向的尺寸。精修尺寸前，我们将机床上精修刀具上相应磨耗改成0.2。此方法需要将图纸里的尺寸公差中值先计算出来，在软件编程里的每一个需要尺寸公差的尺寸用公差的中间值为标准尺寸画入电脑图形，例如某尺寸220-0.02实际按22-0.01画入图中。精加工试切时只需将软件编程余量设置为0，补偿改为机床，发送到机床中加工，先半精加工一刀，测量该尺寸并修改机床中此刀号下磨耗值直到尺寸无限接近22-0.01合格，将磨耗固定不变，x方向其他的尺寸使用同一把刀精修尺寸程序余量都设置为0，发送到机床直接精修其他尺寸。用千分尺测量验证，经测量误差不超过0.003MM。如果加工中使用有第二把精修刀也是同样原理。
z轴深度尺寸修的时候也是计算中差，尽量使用同一把刀精修不同高度的底面，这样省去测量及调整时间。例如，在粗加工是底部尺寸精修量只留0.2左右，先精修好总厚度，再以上表面为基准去精修和测量其它深度尺寸。为了保证精修完后表面质量的要求，在精修时进给速度不超过600mm/min。将此项补偿功能应用于同一刀具的情况下，把该变动量作为机床磨耗进行技术处理，牢记这两种保证尺寸的方法，在编制程序中灵活使用它可以大大简化编程工作，达到又快又准的效果。
以上两种方法在数控铣床加工中有着相当重要的作用，使数控加工程序简捷易懂准确有效，以上是笔者从事指导学生数控技能大赛多年来学习总结到的方法，由于笔者水平有限，如有不足之处，请多多指正。
总之，数控机床技术的日趋进步和飞速发展为我国现代制造业的发展提供了良好的硬件条件促使我国制造业朝着高效、优质以及智能制造化的方向发展。——论文作者：王斌红WANGBin-hong
