数控车床加工的质量控制

数控车床加工的质量控制

数控车床在加工过程中经常会遇到尺寸精度不稳定、位置精度不稳定、表面粗糙度不稳定等问题。要解决这些问题，需要从数控车床设备、工艺方法、刀柄、刀片、切削用量等多个方面进行综合考虑和控制。本文将详细介绍这些方面的具体影响和控制方法。

金属切削过程实际上是被切削金属层在刀具挤压下发生剪切滑移的塑性变形过程，是一个非常复杂的物理过程。数控车床加工的工件为回转体，数控车床主轴电动机提供动力源带动工件旋转，切削过程中的切削力是由车刀的旋转扭矩和进给运动提供的，复杂的物理变形过程产生的切削力、切削阻力、切削热等严重影响产品零件的质量。

数控车床

这种复杂的物理变形过程中产生的切削力、切削阻力、切削热等严重影响着产品零件的质量，要控制产品质量的稳定性，其实就是要控制这个物理变形过程的稳定性，提供切削力的电机、数控系统的配置、数控车床设备结构、夹具及装夹位置的选择、工步的安排、刀具轨迹、刀架、刀片的选择以及切削用量等等，这些都会综合影响整个物理变形过程，最终影响到产品质量。

数控车床设备对产品质量的影响

（1）数控车床设备配备有电动机，为切削力提供动力源，是影响产品质量的首要因素；例如直径较小、表面粗糙度要求高的零件，采用较高的线速度切削加工是保证质量的重要方法之一；

例如切削大导程的超精密螺纹，需要电机提供准确的定位功能和较大的扭矩支持；

选用较好的伺服电机不仅可以使用较高的线速度和有较大的扭矩支持，而且较好的伺服电机还会有较高的编码器分辨率，分辨率越大，定位就越准确，速度波动也就越小，也就是说，配备了高分辨率编码器的电机在高速运转时也能保持较小的抖动，可以使切割过程更加平稳，从而使切割加工出的表面粗糙度和尺寸精度更高。

（2）数控车床配置的数控系统为切削控制提供优良的控制能力，是控制产品质量的基本因素；

如深槽零件的加工，多台阶轴类零件的加工，此类零件的切削轨迹存在着多换向的特点，特别是深槽零件的切削轨迹，在粗加工的时候为了使排屑顺畅保护刀具，需要进行分层加宽，会形成非常多密集的换向刀路，在精加工的时候为了避免不合理的加减速引起振动，从而加工出高质量的槽口，这需要根据轨迹的形状进行合理的规划，这就需要根据轨迹模式提前做好速度规划；

优良的控制能力的数控系统具有灵敏的预处理能力，可以直接使用手工编程就能使刀具在转角处的转角方向变化时快速而平滑地做出加速、减速动作，而不需要事先用软件做刀具路径的圆弧的过渡处理；

当然优秀的数控系统要搭配优秀的伺服电机才能发挥其作用，如果再加上光栅尺，那么优秀的控制系统就能快速准确的向伺服电机发出光栅尺的质量反馈数据，在加工过程中可以自动修复精度误差，如机床制造误差对机械结构的自动补偿、刀具磨损的自动补偿、设备及产品热膨胀的温度及尺寸的自动补偿、综合交叉全自动补偿等等。综合交叉全自动补偿等等，形成了全闭环控制系统，比传统的半闭环系统无法得到机械的实际反馈及时修复精度误差最终不可控造成的产品报废，真正实现批量产品零缺陷。

（3）数控车床设备的结构为不同类型的零件提供加工可能性，根据零件产品的规格及质量要求选择合适的数控车床进行加工；

不同类型的数控车床有各自擅长加工的零件产品，当今市场上较多的数控车床设备有卧式数控车床、立式数控车床、转盘式刀架数控车床、排刀架数控车床、离心式数控车床，不同的零件要选择不同的合适的设备进行加工才能满足产品质量的要求；

横CNC车床加工大部分铁屑直接落到机床底部，铁屑一般不与加工表面发生摩擦，因此加工后的表面质量可直接使用；

但回转直径较大的重型工件，若安装在卧式数控车床上加工，由于工件被加工的部位是悬挂的，悬挂部位的自重在高速旋转的向心力作用下被抛起，会导致整个数控车床产生强烈的晃动，即使能加工出该部位，零件的质量也无法控制，若安装在立式数控车床上加工，工件的重量垂直由工作台支撑，主轴及轴承由工作台支撑，将导致表面质量无法直接使用。

若安装在立式数控车床上加工，工件的重量由工作台垂直支撑，主轴和轴承的载荷较小，可以使工件在高速旋转时大大减少抖动，从而保证加工出零件的高质量，所以对于回转直径较大的重型工件，适合使用立式数控车床；

排刀架数控车床是将刀具沿机床X轴方向并排安装，没有独立的刀架，换刀时无须旋转刀架，所以不存在换刀时影响零件精度的重复定位精度问题，所以加工零件尺寸一致性极高，但由于刀具为排刀架安装，要考虑整机占地面积和X轴行程的限制，不适合制造特大行程的排刀架数控车床。

刀架式数控车床，因此此类数控车床安装的刀具数量较少，规格较小，且首件调试时需重点避免刀具与工件发生干涉，因此更适合于大批量形状简单、精度要求较高的小型零件的加工；

走心式数控车床一般不独立配置刀架，同一把刀具沿X轴方向并排安装，该类机床的最大特点是刀具只做X轴运转，主轴做回转运动的同时，较小程度地带动工件做Z向运动，不独立配置Z向运动的执行元件，最大限度的减少了Z向的精度误差，且工件伸长量随主轴的胀缩力矩而变化，保证了对形状简单的小型零件的切削加工。

且工件的伸长量始终随着主轴的伸缩而变化，保证了切削力最大限度的靠近夹紧部位，保证了加工钢性高、工件垂直度高、产品的高质量。

技术对产品质量的影响

如果说数控车床设备对产品质量的影响是硬件方面的影响，那么加工工艺对产品质量的影响就是方法方面的影响，如果一个企业在现有机床设备种类并不多的情况下，数控车床设备的选择有限，那么就需要从加工的加工方法来保证产品的质量，加工方法主要包括装夹方式、工步安排、刀具路径等等，把这些方法综合起来就叫做工艺分析，工件的加工方法，没有固定的公式，也没有固定的方法，只有更好的方法，所以才叫做工艺，更好的工艺是为了更好的保证该零件产品的加工效率和质量。

（1）夹具及夹紧位置的选择称为装夹方法，装夹方法是影响零件质量的首要工艺方法。夹具是连接动力源与工件的中间桥梁，数控车削设备配上良好的伺服主轴电机，才能平稳的将动力传递给工件进行高质量的切削加工，需要高精度的夹具进行传动；

数控车床常用的夹具有三爪卡盘、四爪卡盘、卡盘加顶尖等，根据不同规格形状、不同质量要求的零件产品选用不同的夹具；

粗加工时不需要较多考虑加工质量，而是要考虑承受较大的切削力，所以粗加工夹具选择应以夹紧牢固为首要考虑，如采用四爪卡盘，长而重的工件可选用四爪加顶尖；

精加工的时候切削力很小，但是要考虑零件和产品的质量要求，比如对位置精度要求高的零件产品，高精度的夹具就能起到关键性的作用，特别是需要依靠回转的二次装夹才能保证其位置精度的零件，就更需要高精度的夹具来做装夹，高精度的夹具具备高质量的重复定位精度，如果高精度的夹具再配上适合零件和产品的耐磨卡盘爪。如果高精度的夹具配上适合零件的耐磨卡盘爪，批量生产的零件质量一致性会很高。

选择好的夹具应根据零件的形状和产品及质量要求选择合适的夹紧位置，正确的夹紧位置能保证零件的质量对产品质量起到事半功倍的效果；

以保证零件质量为产品质量的前提，夹紧位置的选择可参考以下建议：

①采用较少的装夹次数，使整个产品在一次装夹过程中完成，最大限度的保证图纸所要求的所有位置精度；

②在零件中部装夹时，保证两端外伸量尽量短且均匀，保证切削钢材，确保加工质量；

③在较大的外圆上装夹切削较小的外圆，以大的扭矩驱动小的扭矩，减少零件振动的可能性，保证加工质量。

④ 装夹位置应避开薄壁、深槽等薄弱部位，防止夹伤已加工表面。

⑤将卡爪加工成零件一定断面的形状和尺寸，可在多台阶面或异形面上夹紧。

（2）工步安排，合理安排工步是保证零件产品质量的重要方法；

数控车床加工回转体零件产品由两个端面、内外圆柱面、内外圆锥面、内外台阶面、内外螺纹、内外凹槽、端面台阶槽、内外圆弧各向异性表面等组成，台阶排列方式是按加工表面的加工顺序排列组合而成的；

如图1所示，直径18mm的圆柱面尺寸公差为0.02mm，而最薄处的壁厚只有1mm，根据零件表面的结构，在加工直径16mm的圆柱面之前，应该先完成M1×18内螺纹的粗加工和精加工，因为车削内螺纹的切削力比圆柱面大得多，如果反过来，应该先车圆柱面，然后在车内螺纹的时候，再加工圆柱面。

如果选择先车削外圆柱面，那么内螺纹会因钢材不足而产生振动，严重影响零件质量；

如图2所示，外螺纹M20×1.5的精度公差等级为4g，属于精密螺纹，根据零件表面结构，如果先加工直径12mm的内孔，那么接下来应该车外螺纹，最后才能车4mm宽度的槽，因为4mm宽度的槽的槽底直径为14mm，如果在车螺纹之前先车4mm槽的槽，那么就会先车槽底再车螺纹，然后先车槽再车螺纹，然后先车槽再车螺纹，最后车槽。

如果在车螺纹之前先车出这个4mm的槽，那么槽底直径14mm的槽会和孔直径12mm的孔一起形成一个单侧壁厚1mm的薄颈，在车削外螺纹的末端会因钢材不足而引起刀的振动，严重影响零件的产品质量；

工序作业的安排是要根据零件表面的整体情况具体分析，合理安排工序作业是保证零件产品质量的一个重要方法。

图1

图2

（3）刀具路径，简称刀路，刀具路径规划从细节上影响着零件的质量。在加工螺纹时，特别是导程较大的螺纹，采用直进给法、斜进给法、左右交替进给法三种不同的刀具路径，加工出的螺纹质量是不一样的；在加工细长轴时，采用一次性粗加工整个零件，再从头到尾用一次切法精加工，容易使细长轴产生尺寸误差和头部尺寸误差甚至造成细长轴弯曲变形，而采用分段粗加工再分段精加工，则比以前的刀具路径质量要高；

如图3所示，精加工同一零件的同一台阶面时采用两种不同的刀具路径①和②，产生的质量结果有所不同。采用刀具路径①精加工台阶面时，车刀主切削刃从G点到H点在接近精加工余量的范围内切削，吃刀深度大，切屑宽度大，切削阻力大，台阶面表面粗糙度不良，甚至易产生刀具振动；而采用刀具路径②精加工台阶面时，易产生刀具振动。在精加工台阶面时，从H点切削到G点，车刀副切削刃承担主要切削任务，主切削刃与台阶面已加工表面有合理的角间隙，吃刀深度小，切屑宽度小，切削阻力小，不易产生刀具振动，台阶面表面粗糙度较高；

刀具路径的规划也是要根据零件曲面的整体情况来具体分析的，刀具路径的合理规划从细节上影响着产品的质量。

图3

刀柄、刀片选择及切削用量对产品质量的影响

刀柄、刀片的选择及切削用量直接影响着产品的生产率和产品质量，尤其对零件的表面粗糙度影响最为直接和明显；刀柄从最初的铸铁制造到如今常用的钨钢，刀片从最初的高速钢单一材料到如今的涂层硬质合金、金属陶瓷以及日益增多的新材料，切削用量的使用数据从最初的纯经验性数据到如今基于科学数据的依据不同材料和不同刀具均体现着产品零件加工向着多样化、高效化、高质量的方向发展。基于科学数据的依据不同材料和不同刀具，均体现着产品零件加工向着多样化、高效化、高质量的方向发展。

外圆车刀柄选用铸铁材料即可满足一般的加工要求，外槽车刀柄要选用弹簧钢材料以防止薄头振刀的变形，内孔车刀柄要选用钨钢材料以满足深孔加工时钢材的不足；

粗加工时，低碳钢适宜使用耐高温涂层硬质合金刀片，采用较大的切深、较大的进给量和适当的切削速度；

低碳钢的精加工适宜采用耐高温表面精细金属陶瓷，采用较高的切削速度，满足零件图纸要求的进给量，适当的吃刀深度；

加工高碳钢、不锈钢适宜使用CBN刀片，切削速度应较低；

使用PCD刀片加工铝等有色金属，可使零件表面产生镜面效果，但切削深度不宜大；

切削速度、进给、切削深度是影响切削力和切削热最重要的因素；

在切削过程中应根据实际切削过程来调整切削用量，以适应 不同的切削工艺，如钢度不好的产品零件就应采用较低的切削速度进行切削，表面粗糙度不能满足零件图样的要求时，首先要减少进给量。

结语

以上三个方面影响数控车床加工产品质量的控制，但影响数控车床加工产品质量的因素远不止这些，刀具的装夹牢固度及安装位置会影响产品质量的控制，冷却方式会影响产品质量的控制，检验程序、检测量具也会影响产品质量的控制。