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数控机床加工精度分析与应用
数控机床加工精度分析与应用
王美姣
(河南职业技术学院机电系,河南郑州450046
摘 要:
数控机床是一种高精度、高效率、高柔性、高技术的现代化机电设备,其应用越来越普
及。
提高机床效率、保证加工精度、确保产品品质是生产所必需。
关键词:
数控机床;加工精度;应用
中图分类号:
TG659 文献标识码:
B 文章编号:
167125276(20040320025204
ApplicationandanalysisofmanufacturingprecisionofNCmachines
WANGMei2jiao
(HenanVocational&TechnicalCollege,ZhengzhouHenan450046,China
Abstract:
ANCmachinetoolisamodernmechatronicequipmentwhichhasadvantageofhighprecision,highefficiency,highflexibilityandadvancedtechnologies.NCmachinesarebeingusedinmoreandmorefields.Itisneededinproductiontoimproveefficiency,ensureprecisionandqualityofproducts.
Keywords:
NCmachinetool;manufacturingprecision;application
数控机床是按照加工程序自动加工零件,它具有加工精度高、生产效率高、产品品质稳定、加工过程柔性好、加工功能强等特点。
加工过程中,只要改变加工程序就能达到加工不同形状、不同精度零件的目的。
但并不是每个数控操作人员都能在规定的时间内保证工件的加工精度,提高机床效率,确保产品合格。
本文总结长期以来的实践经验,结合理论分析,从以下几方面提出几点粗浅看法。
1 工件坐标系设定对加工精度的影响
工件坐标系是编程人员在编写程序时,在工件上建立的坐标系,其原点即为工件原点(也称工件零点或编程原点。
理论上是由编程人员任意设定的,但实际上,它是编程人员根据零件特点为了编程方便以及尺寸的直观性而设定的。
选择工件坐标系时一般应遵循如下原则:
a尽可能将工件原点选择在工艺定位基准上,这样有利于加工精度的提高;
b尽量将工件原点选择在零件的尺寸基准上,这样便于坐标值的计算,减少错误率(当尺寸基准与工艺基准不重合时,则要考虑由基准不重合产生的误差;
c尽量选在精度较高的工件表面上,以提高被加工零件的加工精度;
d对于对称零件,应设在对称中心上,一般零件应设在工件轮廓某一角上,且Z轴方向上原点一般设在工件表面;
e对于卧式加工中心最好把工件原点设在回转中心上,即设置在工作台回转中心与Z轴连线的适当位置上;
f应将刀具起点和编程原点设在同一处,这样可以简化程序,便于计算,提高加工精度;
对一般零件,仅按上述原则确定工件坐标系,即能保证其加工精度。
但对于复杂、特殊零件,就要综合考虑各种因素对加工精度的影响。
111 在立式加工中心上加工畸形工件根据畸形工件的结构特点,往往在一个零件上要选择两个或两个以上的坐标系,这时就要根据零件的形状特征、夹紧方式及各加工部位的精度高低等因素综合考虑:
a建立几个坐标系;
b先加工哪个坐标系的哪个表面才能提高整个零件的加工精度;
c坐标系间定位尺寸的精度对各部位加工精度的影响(某些定位基准可能不在工件上。
112 在卧式加工中心上加工箱体类零件根据箱体类零件的结构特点,不仅除上下底面之外的四个侧面需要分别建立四个定位坐标系,而且每一侧面上有时还需建立几个坐标系,这时就必须考虑各加工精度如何保证。
如:
a机床回转中心坐标精度对零件相对两侧面坐标系的建立来说,它直接影响两相对侧面通孔的同轴度;
b每一侧面上几个坐标系建立时,加工工序的设计对加工精度的影响;
c以底面为基准的的装夹精度,直接影响孔轴线相对端面的垂直度;
d基准底面精度对孔的中心高精度的影响。
当然,零件结构不同,精度要求不同,坐标系的建立也不一样,不管何种情况都应详细分析优先选用哪一原则或同时兼顾哪几项原则,才能有利于保证零件加工精度、提高工作效率,降低加工成本。
2 指令选择对加工精度的影响以下分析皆以加工中心为例
aG92指令与G54~G59的选择。
G92指令设定工件坐标系是在程序中,用程序段直接给出,指令中的坐标值,并不使机床产生运动,仅代表当前刀具的刀位点在工件坐标系中的坐标值。
因此,操作者在使用写有坐标系设定指令的程序时,必须在工件安装后检查或调整刀具的刀位点与工件坐标系之间的关系,保证机床处于加工起始点(对刀点,以确保在机床上设定的工件坐标系,与编程时在零件上规定的工件坐标系在位置上重合一致,否则将降低零件加工精度。
并且G92XYZ各坐标轴不可省略,否则未被设定的坐标轴将按以前的记忆执行,这样刀具在运动时,可能到达不了预期的位置,甚至造成事故。
G54~G59指令设置工件坐标系时,首先必须通过偏置页面,预先将G54~G59设置在寄存器中,编程中再用程序选择,操作者安装工件后,通过测量来确定工件原点与机床原点偏移量。
目前的CNC系统一般都配有测量头,手动操作能准确测量该偏移量,其测量误差对工件的加工精度影响很小,可以忽略不计,用MDI方式存入到G54~G59的原点寄存器中,其后系统在执行程序中,就可以按照工件坐标系中的坐标值来运动了。
并且同一工件上能同时设定六个坐标系,特别是加工复杂零件更显示其优越性,事实证明,实际加工中不管何种零件,选用G54~G59指令省时准确又方便,且出错率极低。
bG40、G41、G42的选择。
G40、G41、G42为刀具半径补偿指令,G40是刀具半径补偿功能撤消指令、G41、G42分别是左偏、右偏指令。
如果机床没有刀具半径补偿功能,那么当刀具因更换、磨损或重磨而改变半径,或因粗加工时的余量不同等原因,而改变了刀具中心偏移量时,都要按刀具中心轨迹重新编制加工程序,这将是极其繁琐,并且影响生产的正常进行。
为解决此问题,数控系统一般都具有半径自动补偿功能。
在编程时不需要计算刀具中心运动轨迹,而可按工件的轮廓直接编程,刀具半径改变时在控制面板上用手工输入方式改变刀具半径补偿值即可,而不必修改程序,极大的方便了编程和加工。
据此该指令的应用将会大大提高加工效率,但在工厂的应用并非如此,如若选择使用不当,不仅会降低工件的加工精度,严重还会使工件报废,并且在某些情况下根据零件的具体结构并不总是按照零件轮廓进行编程。
举例如下:
如图1为毛胚工件,D30孔已加工,现需加工长方孔。
建立坐标系如图,刀具为D16立铣刀;
方法一:
选用G40、G42指令程序如下:
N10G90G00G54X0Y0;
N20Z10.S300M03;
N30G01Z-5.F1000;
N40G42X-23.D31F100;
N50Y17.5;
N60X23.;
N70Y-17.5;
N80X-23.;
N90Y17,5;
N100G0Z50.;
N110G40G91G28Z0Y0M05;
N120M30
;
图1 零件工序图
方法二:
选用G40、G41指令只对部分程序加以修改,其余相同
N40G41X-23.D31F100;
N50Y-17.5;
N60X23.;
N70Y17.5;
N80X-23.N90Y0;
方法一运行结果:
1最后铣刀停留在B点,虽说是按零件轮廓编程,但很明显多铣一个刀具半径,工件报废。
2加工表面粗糙度不理想。
3两尺寸精度通过半径补偿完全保证。
方法二运行结果:
尺寸精度及表面粗糙度都完全保证。
分析:
两种方法的差异就在于分别采用了G42(刀径右补、G41(刀径左补,从而决定了顺铣、逆铣的选择。
逆铣时(如图2(a,切削厚度从零开始逐渐增大,当实际前角出现负值时,刀齿在加工表面上
挤压、滑行,不能切除切屑,既增大了后刀面的磨损,又使工件表面产生较严重的冷硬层。
当下一个刀齿切入时,又在冷硬层表面上挤压、滑行,更加剧了铣刀的磨损,使工件加工后的表面粗糙度值也较大。
从力学角度分析,铣刀作用于工件上的纵向分力(图2(a中Fe,总是与工作台的进给方向相反,即使机床进给机构有间隙,也始终能保持良好的接触,从而使进给运动平稳;但垂直分力(图2(a中Fv的大小和方向是变化的,并且当刀齿切离工件时,Fv向上,有挑起工件的趋势,引起工作台的振动,从而影响工件表面的粗糙度。
所以当工件表面有硬皮,机床的进给机构有间隙时应选用逆铣
。
图2 顺铣与逆铣的受力分析
顺铣时(如图2(b,刀齿的切削厚度从最大
开始,避免了挤压、滑行现象;并且垂直分力Fu始终压向工作台,从而使切削平稳,提高铣刀耐用度和加工表面质量;但纵向分力Fe与进给运动方向相同,如果进给机构有间隙,会造成工作台窜动,使铣削进给量不均匀,严重时会打刀,但一般数控机床,特别是加工中心,进给机构间隙很小,造成的影响可以忽略不计。
因此,当工件表面无硬皮时,应选用顺铣,特别是精铣,当工件材料为铝镁合金、钛合金或耐热合金时更应尽量采用顺铣。
由上述分析可知,选择刀径补G41和G42时应注意:
1结合零件材料、机床特点及加工精度,适当选择G41和G42。
2使用G41和G42指令时,应仔细分析刀具运动轨迹,以免多切(长方形孔或少切(通槽。
3需要改变刀径补偿数值大小时,切忌改错方向,造成废品。
3 气温及工艺系统热变形对加
工精度的影响
311 气温分析
物体,特别是金属材料具有热胀冷缩性质,温度的变化会引起零件尺寸的改变。
虽然零件的尺寸变化微小,但对于数控机床(很多数控车间并不能保证标准室温条件加工的高精度零件却不容忽视,否则会出现在某一温度条件下加工的零件合格,而在另一温度条件下测量就不合格。
如一精度要求较高的尺寸,在夏季加工与冬季加工就不一样,夏季因温度较高,机床工艺系统、刀具、工件变形较大,为保证零件在其他温度条件下也合格,加工好测量时就应使实际偏差靠近上偏差,这样即使在冬季测量时,就不会因温度较低尺寸变小而超差。
同理,冬季加工零件时,就应使实际偏差靠近下偏差,春秋季节应使实际偏差靠近上下偏差的中
间位置,孔或轴类零件高精度尺寸皆应如此。
312 工艺系统热变形分析
在机械加工过程中,由于切削热、摩擦热等影响,使工艺系统各部分的温度升高不等,产生复杂的变形,从而改变了工件、刀具及机床之间的相互位置,破坏了工件和刀具之间相对运动的准确性,改变了已调整好的加工尺寸,严重影响了零件的加工精度。
据此,数控机床在设计制造时已考虑了这些因素的影响,使数控设备的传动系统和机床结构都具有很高的刚度和热稳定性,并对反向间隙与丝杠螺距误差等由计算机软件实现自动补偿,大大提高了加工精度。
但引起的工件及刀具的热变形不易克服,特别是对于开环或半闭环数控机床,有时由于切削热引起的误差达0.01mm以上,因此要提高加工精度必须在加工过程中来控制,采取适当措施:
1定时测量关键尺寸是否超差;
2根据测量结果适当调整刀径补偿;
3对于不易测量的尺寸,应适时与配合件试配;
4定时检查刀具磨损情况。
综上所述,只是影响零件加工精度的几个方面,实际加工过程中,影响因素还很多,情况相当复杂,如工序设计、让刀量、加工余量确定、刀具选择、夹紧力、时效处理等对加工精度都有一定的影响。
因此,在生产加工过程中,出现问题时,要经常多分析、多思考,当根据一般思路加工零件,出现意外情况严重影响加工精度时,就要仔细研究,认真分析,找出解决问题的切入点,确保零件合格。
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收稿日期:
2003212219
(上接第21页
d便于实现自动化控制和操作,可以大大地减轻工人的劳动强度;
e设备结构简单,使用及维护方便。
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收稿日期:
2004201223
(上接第24页
取不同值时,程序分别运行10次,找到全局最优解的次数(find见表1。
M的数量级(102相比基本混沌优化算法全局搜索次数的数量级(一般取104~105大大降低,且在进行局部搜索时,传统优化算法的搜索高效性亦能发挥。
优化结果对于工程应用来说,其精度完全能够满足要求。
3 结论
类似平面四杆机构函数综合,轨迹综合等工程设计问题,在考虑优化设计时,都存在其数学描述为复杂的非线性约束情况,传统优化算法在解决该类问题时都存在局部收敛问题。
结合传统优化算法局部收敛速度快特性的混沌算法,具有算法实现简单、易于实现全局搜索和搜索效率高等特点,是解决该类问题的理想方法。
设计实例表明在求解速度,计算精度等方面,该方法完全令人满意。
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收稿日期:
04202213
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