机械制造技术基础课程论文

数控机床及其加工精度的提高

摘要：现代工业生产中通常注重两个要点：1，有较高的生产效率。2，加工出来的产品要有很高的精度。所以，高精度的数控机床的需求越来越大，使用数控机床实现精密加工也是现在一大研究热点。影响数控机床加工精度的因素很多，怎样在这些互相影响的因素中找到其规律与共性，把握和利用好它，更好地发挥数控机床的特性，提高零件的加工质量与生产效率，是本文讨论的要点。本文旨在对数控机床、数控机床的加工精度主要影响因素及针对这些因素应该如何改进进行简要说明。

关键词：数控机床加工精度夹具刀具精密加工

随着数控技术的发展，速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品的质量。考虑到数控机床的控制方式和使用特点，高速度、精度加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。所以，我们对机床的生产率和加工精度提出了更高的要求。

数控机床与普通机床相比，有以下特点：

1.具有较强的适应性和通用

数控机床的加工对象改变时，只需重新编制相应的程序，程序输入计算机后就可以自动地加工工件的相应表面。同类工件系列不同尺寸、不同精度的工件，只需局部修改或增删零件程序的相应部分。随着数控技术的迅速发展，数控机床的柔性也在不断地拓展，逐步向多工序集中加工方向发展。

2.有较高的加工精度和稳定的加工质量

数控机床是按数字形式给出的指定脉冲进行加工的。目前数控系统的最小设定单位（也称为数控脉冲当量，即数控装置每输出一个指令数字单位，机床移动部件的位移量）普遍达到了0.001mm。进给传动链的反向间隙、丝杠导程误差以及刀具磨损径向误差等均可由数控装置进行自动补偿，所以可获得较高的加工精度。

当加工轨迹是曲线时，数控机床可以做到进给量基本保持恒定。这样，加工精读和表面质量可以不受零件形状复杂程度的影响。

3. 具有较高的生产率

数控机床可充分发挥刀具的切削性能。能有效地缩短切削时间。数控机床的功率和刚度

通常都比普通机床高，因此，允许进击大切削用量的强力切削。

数控机床在程序指令控制下可以自动换刀、自动变换切削用量、快进快退等、实现多种切削方法的集中加工，因而大大缩短了辅助时间。

在数控加工过程中，由于可以自动控制工件的加工尺寸和精度，一般只需作首件检验或关键尺寸的抽样检验，因而可以减少停机检验时间。

4.改善劳动条件

数控加工时，工人不需要直接操作机床，而是编好程序调整好机床后由数控系统来控制机床，免除了繁重的手工操作，并且，数控机床四面都有防护罩，不用担心切屑飞溅伤人。通常一个人能管理几台数控机床，可大大提高劳动生产率。当然，对工人的文化程度和技术水平要求也相应提高。数控机床的操作者，既是体力劳动者，也是脑力劳动者。

5.便于现代化的生产管理

用计算机管理生产是实现管理现代化的重要手段。数控机床的切削用量和切削条件、切削时间等都是预先编好的程序决定的，能实现数据化。这就便于准确地编制生产计划，为计算机管理生产创造了有利条件。数控机床适宜于与计算机联机和联网，所以目前它已成为计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机管理一体化的基础

基于数控机床的特点，要提高数控机床的加工精度，可以从工艺因素及操作技巧方面入手：

一、工件装夹方法及夹具的合理选择

数控车床上装夹工件的方法与一般车床基本一样。数控机床切削加工时，应对零件进行定位、夹紧设计以及夹具的选用和设计等问题上要作全面考虑来提高加工精度。

1.零件的定位与装夹方法的选择：

工件的定位安装应力求使设计基准、工艺基准与编程计算的基准统一，应当合理选择定位基准和夹紧方式，要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。

除一般轴类零件用三爪自定心卡盘直接装夹外，对于一些特殊零件，必须合理选择装夹方法，否则对零件加工质量将带来负面影响，不能发挥数控车床高精度加工的优越性。如细长轴零件在车削时，由于工件散热条件差，温升高，轴向因热变形造成较大的伸长量，如果

用“一夹一顶”方法装夹时，尾座顶尖就不能用固定顶尖，否则细长轴易产生弯曲变形，科学合理的装夹方法是改用钢丝过渡夹紧，另外，在中间可以安装中心架或跟刀架，在跟刀架的支承调整中其压紧力要适度，如果有间隙则达不到提高工件钢性的目的，如果压紧力过大，则细长轴加工后，表面呈现“竹节”状，影响圆柱度。车薄壁工件时隔时为了防止径向夹紧力引起工件变形，可以采用轴向夹紧，开口环过渡夹紧或用软爪夹紧的方法，另外还可在一端预先留较厚的工艺凸缘。车削曲轴时可以中间搭一个中心架来提高工件的刚度，以防因切削力的影响而变形。

2.夹具的选用和设计：

尽量选用通用夹具装夹工件，避免采用专用夹具；注意减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面；尽量采用组合夹具，零件定位基准重合，以减少定位误差。

在设计选择夹具时，首先要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定。其次，要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。同时，还应考虑：

（1）当零件生产批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调式夹具及通用夹具，以缩短生产准备时间、节省生产费用；

（2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单；

（3）零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停机时间；

（4）夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工；

（5）在选择工装时应有利于刀具交换，避免发生干涉碰撞；

（6）在成批生产中还可采用多位、多件夹具，以提高加工效率。

二、刀具的合理选择与使用

刀具的选择、刃磨、安装正确直接会影响到加工工件的质量。根据工艺系统刚性、具体零件的结构特点、技术要求等情况综合考虑，采用不同的刀具和切削用量，对不同的表面进行加工，刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应都将有利于提高零件的加工质量。

1.合理确定对刀点

对刀点是在数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起点。又称“程序起点”或

“起刀点”。对刀点的选择必须遵守以下原则：便于用数字处理和简化程序编制；在机床上找正容易，加工中便于检查；引起的加工误差小。对刀点的位置可选在工件上，也可选在工件外面（如夹具或机床上），但必须与零件的定位基准有一定的尺寸关系。对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上，如以孔定位的工件，可选孔的中心作为对刀点。刀具的位置则以此孔来找正，使“刀位点”与“对刀点”重合。这样，可以便可以更好地提高对刀的效率，保证加工质量。

2.刀具的选择

刀具材料的选择是非常重要的一环，刀具材料在切削中一方面受到高压、高温和剧烈的摩擦作用，要求其硬度高、耐磨性和耐热性好；另一方面又要受到压力、冲击和振动，要求其强度和韧性足够。数控机床所选择的刀具，不仅要求具有高硬度、高耐磨性、足够的强度和韧性、高耐热性及良好的工艺性，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。所以应尽量采用新型优质材料制造数控加工刀具，并优化刀具参数，使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。在选用刀具过程中，同一道工序中选用的刀具数量尽量少，以减少换刀次数；尽可能选择通用的标准刀具，不用或少用特殊的非标准刀具。选择刀具应考虑数控机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。

对于刀具的准备，除了正确选择刀具材料外，刀具几何角度的合理选择以及刀尖过渡形状的合理运用对提高加工质量十分重要，车刀的几何角度有主偏角、刀尖角、副偏角、刃倾角、前角、后角和副后角。主偏角影响刀尖强度和切削层断面形状，车削细长轴、薄壁套零件时，为了防止径向切削分力造成工件弯曲变形，主偏角应取大些（如90°）；端面、台阶面车刀的主偏角取93°左右为宜；对于一般工件粗车时主偏角为75°时，刀具的强度和散热性能最好。刀尖角在螺纹车刀中是一个主要角度，作为成形刀具其尖角大小直接决定牙型，对于普通螺纹车刀，刃倾角为10°时，其刀尖角为59°16′，而刀尖圆弧半径愈大的车刀加工出的表面粗糙度愈细化，刀具前、后角愈大、刀具愈锋利，表面愈细化，但强度变差。

3合理选择切削条件及切削用量

对于高效率的金属切削加工来说，被加工材料、切削工具、切削条件是三大要素。这些决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济有效的加工方式必然是合理的选择了切削条件。

切削条件的三要素：切削速度、进给量和切深直接引起刀具的损伤。伴随着切削速度的提高，刀尖温度会上升，会产生机械的、化学的、热的磨损。切削速度提高20%，刀具寿命

会减少1/2。进给条件与刀具后面磨损关系在极小的范围内产生。但进给量大，切削温度上升，后面磨损大。它比切削速度对刀具的影响小。切深对刀具的影响虽然没有切削速度和进给量大，但在微小切深切削时，被切削材料产生硬化层，同样会影响刀具的寿命。用户要根据被加工的材料、硬度、切削状态、材料种类、进给量、切深等选择使用的切削速度。最适合的加工条件的选定是在这些因素的基础上选定的。有规则的、稳定的磨损达到寿命才是理想的条件。

切削用量包括主轴转速(切削速度)、背吃刀量、进给量。对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量，并应编入程序单内。合理选择切削用量的原则是，粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。

三、内部机械结构的优化

一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度，运动幅之间的摩擦系数小，传动无间隙，高灵敏度，高抗震性，高精度保持性，热变形小，功率大，便于操作和维修，机床数控加工时，应尽量达到上述要求，不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，为了达到精密加工的标准，还应使主要部件达到一定的设计要求。

1.滑动导轨幅

对数控车床来说，导轨除应具有的普通车床的导向和工艺性外，还要有良好的耐磨损特性。同时要有足够的耐磨度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。

2.齿轮幅

一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中，为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高，在结构上要能达到无间隙传动，数控机床进给系统由于经常处于自动变向状态，如果齿轮幅存在间隙，反向时就会使进给运动滞后于指令系统，从而影响加工精度，因此必须采用措施消除齿轮传动幅中的间隙，以提高数控机床进给系统的传动精度和定位精度。

3.滑动丝杠和滚珠丝杠

滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：传动效率高、灵敏度高、传动平稳：磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。滚珠丝杠螺母传动广泛应用于中小型数控机床的进给传动系统。在重型数控机床的短行程(6m以下)进给系统中也常被采用。

数控机床中的丝杠常在预计载荷大、转速高以及散热差的条件下工作，因此丝杠容易发热。滚珠丝杠发热生产造成的后果是严重的，尤其是在开环系统中，它会使进给系统丧失定位精度。而滚珠丝杆由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)，更具优势。

4.主轴组件

对加工精度有直接影响的主轴组件的精度、刚度、抗震性和热变形性能要求，可以通过主轴组件的结构设计和合理的轴承组合及选用高精度专用轴承加以保证。

主轴一般都要求能自动实现无级调速机床主轴系统；必须有足够高的转速和足够大的功率以适应高速、高效的加工需要；为了降低噪声、减轻发热、减少振动主传动系统应简化结构减少传动件；为提高生产率和自动化程度，主轴应有刀具或工件的自动夹紧、放松、切屑清理及主轴准停机构。

总结：

随着我国经济的飞速发展，数控机床在机械制造中得到广泛的应用，特别是在精密加工和超精密加工等方面。而精密加工技术的迅速发展和零件加工精度要求的不断提高，对数控机床的加工精度也提出了更高的要求。影响数控机床加工精度的因素有很多，本文只是从刀具，夹具及内部主要结构等工艺因素和操作技巧方面做了简要分析，而就类似操作员的专业素质及程序编写等同样会对加工精度造成影响的主观因素未做探讨。怎样在这些互相影响的因素中找到其规律与共性，把握和利用好它，更好地发挥数控机床的特性，提高零件的加工质量与生产效率是需要我们深入探讨的问题。

参考文献：

［1］马春敏.数控机床主结构设计技术及结构修改技术的研究［d］.北京工业大学，2000. ［2］胡进. 发展数控机床的关键是提高工艺水平［n］.中国建材报，2009.