数控车床加工精度的影响因素及其优化策略分析

董剑

（宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721000）

0 前言

在机械装备行业快速发展的同时，相关行业对于机械零部件的精度有了越来越高的需求，作为一种重要的现代机械加工方式，数控车床加工方式安全、可靠、高效；但其加工精度受到多种因素的影响，会在很大程度上影响机械设备的整体质量。本文对当前影响数控车床加工精度的主要因素进行分析，并结合企业对设备的实际使用情况，提出了提高数控车床加工精度的具体措施，进而为机械制造行业的高品质发展提供保障。

1 数控车床概述

1.1 工作原理

数控车床集自动控制技术、电子技术、计算机技术、机械制造、传感测量于一体，是典型的机电一体化产品。运用数控车床有利于提升产品质量，缩短加工时间，缩短产品开发周期。

数控机床由测量装置、机床本体、辅助装置、电气控制装置、可编程控制器、驱动装置、数控装置、输出装置组成，具体硬件构成如图1所示。

图1 数控车床硬件组成

数控车床在普通车床的基础上引进了数控技术，借助数字信号对机床加工及运动过程进行控制，利用数字化代码于程序介质上记录刀具移动轨迹等信息，之后输入数控系统，经过运算、译码后，发出指令自动控制工件与刀具的运动，最后得到符合要求的零件。

1.2 数控车床特点

与传统数控车床相比，现代数控车床具有以下5个方面的特点：一是加工精度高，现代数控车床引入精度控制系统，与传统车床相比，具备更高的加工稳定性与加工精度。二是多坐标轴数控车床能够完成多轴联动加工，数控车床能够依据预先设置的指令对结构较复杂的零件进行多轴联动加工，有效提升了工作效率。三是缩短加工时间，在对零件的规格或尺寸进行临时修改时不需要画图纸，可直接用于对数控车床的参数调整，减少了修改图纸的时间。四是具备较高自动化程度，能够进行机械化自动操作，降低了工作人员的操作强度。五是对操作人员技术水平要求高，现代数控车床引进了大量先进技术，操作过程具有较高的专业性，同时其维护保养人员也应具备相应的技术水平。

2 数控车床加工精度的主要影响因素分析

2.1 切削车刀规格及几何参数误差

在进行工件加工的过程中，数控车床的车刀依据预先设置的程序规划走刀路径，完成车削加工。在车削加工过程中，最重要的是进行圆弧半径与车刀偏角参数的设置，一旦出现误差，将直接影响工件精度。但是，数控车床在运行时往往会因轴线尺寸误差而降低加工精度，导致车刀圆弧半径随之变化，进而影响轴向尺寸误差。

车床的车刀位移长度与轴向尺寸相互影响，车刀几何参数与规格会引发潜在的轴向尺寸误差，车刀移动轨迹直接影响位移长度，在对于数控车床进行调整时，应充分考虑刀尖距、车刀圆弧半径等细节参数。

2.2 电气伺服系统传动误差

在具体进行加工过程中，利用滚珠丝杠和电气伺服系统能够实现对车刀平面移动的控制。在对滚珠丝杠进行驱动的过程中，伺服电机能够对工件和车刀之间的相对位置进行实时调整，所以在运行时，丝杠滑台的传动误差也会随之被伺服系统传输给工件与刀具之间的相对位置，致使无法完全依照程序规划的轨迹进行刀尖的移动，最终导致数控车床加工精度被降低。

2.3 逼近误差与圆整误差影响

编程零件轮廓利用逼近误差表示时，利用拟合或近似理念算法，可以在控制精确值的基础上实现向零件基础误差的逼近。当精确值较低时，零部件加工精度将会出现误差。在进行零部件制作过程中，数控车床的加工应用需要预先进行编程作业，利用数学理论对外形不规则的零部件的加工作业进行处理，如针对非圆线性，利用近似原理进行处理，借助直线轮廓取代零部件曲线轮廓。在具体使用过程中，该措施具有较强的实用性，但是完成的零部件的形状轮廓非常容易出现不能够与待加工目标形状轮廓重合的情况，出现加工误差，例如在进行具体加工过程中，圆整误差即在加工圆弧运动或圆轨迹时，实际数值与车床预设的运动轨迹之间存在的较大误差［1］。一些数控车床的刀具的具体运行轨迹是由电机控制的，刀具最小运动距离由步进电机脉冲决定，当处于运作状态时，如其作业达到圆整脉冲当量值，不可避免地会出现圆整误差，进而影响部件规格与尺寸。

2.4 车床热变形误差影响

作业状态下的车床会受到不同类型热源的影响，在车床出现发热的状况时，相关元件将会受到热胀冷缩的作用，表现出严重的变形，对于程序的有序性产生严重阻碍，最终对车床加工精度造成影响。不仅如此，在车床进行切削作业的过程中，会出现摩擦热，在同时出现外部温度变化的情况时，车床元件会出现部位受热不均的情况，影响机械运转状态，同时温度的变化也会影响到元件的体积大小，进而严重影响高精度设备的生产与制定。除此之外，在元件的体积达不到具体的要求时，有可能出现车刀切削角度偏移、丝杠轴心线倾斜等故障，不能保证后续待加工零件的精度［2］。

2.5 数控车床导轨偏移误差

数控车床运行时始终存在导轨相对位置偏移误差，严重影响数控车床加工精度，在进行车削加工操作时，车床导轨会出现无规则磨损，致使刀尖位置后续会出现微量偏移，降低最终加工工件的精度。

2.6 程序运行

操作人员在进行作业过程中如果存在不按规范操作的情况，也会导致数控车床导轨偏移误差，对车削加工质量产生影响。现代数控车床引进了先进的控制系统，具有较高的规范性与顺序性。在进行操作的过程中，如操作人员的操作顺序不合规、数据处理有误差、程序设定不科学等，都会对程序运行的正当性造成影响，致使加工精度出现误差。

3 提高数控车床加工精度的有效策略

3.1 优化数控车床总体设计方案

对数控车床的设计方案进行优化，工程人员与设计人员应该不断创新数控车床主机结构，进行精度高、刚度高的零部件的引入，在进行设计与加工制造时，站在全局的角度对车床进行全面优化。优化处理数控车床主轴形变故障，合理控制数控车床主轴箱系统热态性能，适当调整数控车床重心位置，尽可能地提升数控车床关键部件的几何精度与整体结构形态，使数控加工的质量与精度得到改善。

3.2 改进电气伺服系统

电气伺服系统是数控车床的关键组成部分，能够对车床运行的有序性与稳定性起决定性作用，同时直接影响车床加工精度，影响零部件的加工质量。因此，在对于数控车床加工精度进行改善的过程中，应该进行电气伺服系统准确性的优化，合理提升伺服系统设备的性能指标，具体可对伺服控制单元、伺服进给单元、伺服电机进行改良，同时要关注伺服控制系统的可持续发展。在借助伺服系统进行圆弧、圆环等零件的加工时，需要对进给轴进行精确设计，具体可进行开环增益的设计，提升加工零部件轮廓的精度。除此之外，在具体进行作业的过程中应该保持45°的进给轴位置，根据相关实践数据可知，该角度可提升零部件精度与质量，确保零件符合需求［1］。

3.3 车床导轨影响的改进策略

在实际运行数控车床过程中，为了尽可能防止由车身导致的精度误差，在最初设计阶段应该对底座和导轨进行优化。对于功能需求多的控车床，在进行床身设计过程中，可将其设置为斜床身，借助合适的筒型结构，合理控制车床重量，同时对制造工艺进行改进。在保证确切的切削载荷的基础上，借助筒形结构进一步保障数控车床的稳定性，避免车床在运行过程当中出现几何误差。在安装滑动导轨的过程中，不仅要对于零件的加工精度进行明确，还要按照规范流程进行具体安装，保障润滑油填充完善，降低运行过程中的摩擦系数，提高数控车床的精度。在选择导轨时，应该注重其实用性，保证导轨的载荷能够满足实际生产需求，防止后续发生因载荷问题而导致的精度降低［3］。

3.4 细化误差补偿措施

在具体实施误差补偿过程中，需要加强对圆整误差和逼近误差的重视。在针对圆整误差进行控制时，可以借助硬件处理进行防控，同时可以借助软件处理，提升数据处理的精度，尽最大可能防止在实际运行过程中出现不确定因素引发误差风险。针对逼近误差的补偿，要提升近似算法、拟合思想应用的精准性，通过对零件外轮廓的精确运算，实现零件外轮廓的精准勾勒，防止出现控制系统的补偿误差。针对需要重复定位的工艺和工件，在具体数控加工之前，就应该加强误差测算，提升测算的精确性，防止后续加工出现误差。针对于不可避免的误差，要及时对其进行控制，将误差在合理范围内，保障加工产品的质量。

3.5 严格控制温度

分析上述影响因素可知，数控车床在加工运行过程中可能会出现温度的变化，当外部环境也同时发生变化时，会对数控车床加工精度产生影响，因此相关人员也要加强对车间温度因素的重视，严格把控车间温度，对车床运行环境进行整体改善，避免在加工过程中出现温度过高或过低的状况，防止设备在运行过程当中因热胀冷缩作用出现设备变形。针对无法防止的温度升高状况，如摩擦生热等，可借助冷却回路加强对温度差的控制，降低热量的形成，保障数控车床的运行环境温度。

3.6 合理减少刀具偏差

刀具是数控车床在具体进行零件加工过程中经常会使用到的部件，刀具通常具有刀尖圆弧或偏圆角的特性，在进行加工作业时极易出现误差。因此，在进行零件加工时，应该合理优化刀具，降低因刀具问题引发的零件不合格情况。首先，需要对于刀具的结构进行调整优化，工作人员应该根据以往工作经验全面了解刀具存在的缺陷，有针对性地对于刀具进行调整。其次，由于数控车床具备较高的自动化水平，因此在进行具体刀具优化的过程中，应该依据统一标准对全部道具进行规划设计，对车床使用的刀具库的全部刀具进行结构性调整，防止在加工过程中出现刀具加工误差［3］。此外，需要精确计算在作业过程中因刀具问题而导致的误差，依据实际计算结果进行刀具的调整，在具体作业过程中根据实际运转情况进行修正，保障数控车床加工零件的精度。

3.7 提高人员操作技术水平

现代数控车床具备较高的技术水平，操作较为复杂，对于操作人员具有较高的专业技术水平要求，一旦在阅读图纸或编程时出现不恰当的操作，将会严重影响数控车床加工精度。在对相关操作人员的专业技术水平和实际操作能力进行提升时，可以聘请专业人才采用培训方式，提升数控车床管理者和操作者的能力。在进行车床操作时需要操作人员编程和了解图纸，所以相关人员必须具备较高的数控机床编程能力和机械图纸阅读能力。除此之外，管理人员应具备较高的管理能力、良好的协调及沟通能力，确保在后续操作过程中面对突发状况时能够及时进行协调解决。此外，企业不能忽视对于内部原有员工的培养，加强对现有操作人员和技术人员的考核与培训，制定明确的赏罚制度，奖励操作能力强的员工，激励其不断学习，对于操作不合格且不改正的员工给予处罚，提升操作人员对数控车床专业技术的重视程度，激发员工自觉学习。

数控车床具备较高的自动化水平，其操作依赖于预先编写的程序，加工精度受数据编程的影响。员工在进行编程的过程中，应该精确定位原点位置，在进行程序编制时要严格遵循工艺基准、设计基准、编程基准原则，依据图纸基准进行编程原点的设置。在对数据进行运算时，必须保证数据的精准性，合理安排具体工序，防止加工过程中出现误差。在进行工序编制过程中，全面分析毛坯变形、刚性、零件加工需求等要素，确定粗加工和精加工的比例与顺序。

4 结论

随着数控车床技术的提升，其在机械行业中发挥着越来越重要的作用，与传统车床相比，数控车床具备加工精度高、自动化程度高、多轴联动等优势，但在进行零件加工中依旧存在误差，相关企业应加强对数控车床加工精度影响因素的分析，提高良品率，降低废品率。在数控车床技术快速发展的同时，应加大技术投入，使企业在同行业中具有竞争优势。