Глубокий анализ уровня точности и требований к точности обработки ключевых деталей станков с ЧПУ
В современном производстве станки с ЧПУ стали основным оборудованием для изготовления различных прецизионных деталей благодаря своей высокой точности, эффективности и высокой степени автоматизации. Уровень точности станков с ЧПУ напрямую определяет качество и сложность обрабатываемых деталей, а требования к точности обработки ключевых деталей типовых изделий играют решающую роль при выборе станков с ЧПУ.
Станки с ЧПУ можно разделить на различные типы в зависимости от области применения: простые, полнофункциональные, сверхточные и т.д. Каждый тип обеспечивает разную точность. Простые станки с ЧПУ до сих пор используются в некоторых токарных и фрезерных станках с минимальным разрешением перемещения 0,01 мм и точностью перемещения и обработки, как правило, выше (0,03–0,05) мм. Этот тип станков подходит для некоторых задач обработки с относительно низкими требованиями к точности.
Сверхточные станки с ЧПУ используются в основном в специальных областях обработки, и их точность может достигать поразительного уровня – менее 0,001 мм. Этот сверхточный станок позволяет изготавливать чрезвычайно точные детали, отвечая строгим требованиям высокоточных и передовых отраслей, таких как аэрокосмическая и медицинская промышленность.
Помимо классификации по назначению, станки с ЧПУ также можно разделить на обычные и прецизионные по точности. При проверке точности станков с ЧПУ обычно используются 20–30 параметров. Однако наиболее репрезентативными и характерными параметрами являются точность позиционирования по одной оси, точность повторного позиционирования по одной оси и круглость образца, полученного при обработке двумя или более связанными осями.
Точность позиционирования по одной оси определяется диапазоном погрешности позиционирования любой точки в пределах хода оси и является ключевым показателем, напрямую отражающим точность обработки станка. В настоящее время в разных странах мира существуют определенные различия в правилах, определениях, методах измерения и методах обработки данных для этого показателя. При представлении примеров данных для различных типов станков с ЧПУ, в качестве общих стандартов используются Американский стандарт (NAS), рекомендуемые стандарты Американской ассоциации производителей станков, Немецкий стандарт (VDI), Японский стандарт (JIS), Международная организация по стандартизации (ISO) и Национальный стандарт Китая (GB).
Следует отметить, что среди этих стандартов японский стандарт определяет самый низкий. Метод измерения основан на одном наборе стабильных данных, а затем значение погрешности сжимается вдвое, принимая значение ±. Таким образом, точность позиционирования, измеренная с использованием японских стандартных методов измерения, часто отличается более чем в два раза по сравнению с результатами, измеренными с использованием других стандартов. Однако другие стандарты, хотя и отличаются в обработке данных, все следуют закону статистики погрешностей для анализа точности измерения и позиционирования. Это означает, что для определенной ошибки точки позиционирования в управляемом ходе оси станка с ЧПУ она должна отражать ситуацию погрешности тысяч раз позиционирования при длительном использовании станка. Однако при реальном измерении из-за ограничений в условиях можно выполнить только ограниченное количество измерений (обычно 5-7 раз).
Точность повторного позиционирования по одной оси в целом отражает общую точность каждого подвижного компонента оси, особенно в плане стабильности позиционирования оси в любой точке в пределах её хода, что имеет большое значение. Это основной показатель, позволяющий оценить стабильность и надёжность работы оси. В современных системах ЧПУ программное обеспечение обычно обладает широкими возможностями компенсации ошибок, что позволяет стабильно компенсировать системные ошибки каждого звена цепи передачи подачи.
Например, зазор, упругая деформация и контактная жёсткость каждого звена приводной цепи будут демонстрировать различные мгновенные перемещения в зависимости от таких факторов, как величина нагрузки на рабочий стол, длина пути перемещения и скорость позиционирования. В некоторых сервосистемах подачи с открытым и полузамкнутым контуром управления механические компоненты привода после измерения параметров подвергаются влиянию различных случайных факторов, что приводит к значительным случайным погрешностям. Например, тепловое удлинение шарико-винтовых пар может привести к дрейфу фактического положения рабочего стола.
Для комплексной оценки точности станков с ЧПУ, помимо показателей точности обработки по одной оси, упомянутых выше, также важно оценить точность обработки в многокоординатных системах. Точность фрезерования цилиндрических поверхностей или фрезерования пространственных спиральных канавок (резьбы) – это показатель, позволяющий комплексно оценить характеристики следящего движения осей ЧПУ (двух или трёх) и интерполяционную функцию систем ЧПУ станков. Обычным методом оценки является измерение круглости обработанной цилиндрической поверхности.
При пробной резке на станках с ЧПУ фрезерование методом косоугольного четырёхстороннего резания также является эффективным способом оценки точности, позволяющим оценить точность обработки по двум управляемым осям с линейной интерполяцией. Во время пробной резки концевая фреза, используемая для прецизионной обработки, устанавливается на шпиндель станка, а круглый образец, помещённый на верстак, фрезеруется. Для станков малого и среднего размера круглые образцы обычно выбираются в диапазоне диаметров от 200 до 300 йен. После завершения фрезерования образец помещают на кругломер и измеряют круглость обработанной поверхности.
Наблюдая и анализируя результаты обработки, можно получить много важной информации о точности и производительности станков. Наличие явных следов вибрации фрезы на фрезерованной цилиндрической поверхности свидетельствует о нестабильной скорости интерполяции станка; Значительная эллиптическая погрешность круглости, возникающая при фрезеровании, указывает на несоответствие коэффициентов усиления двух управляемых осей при интерполяционном движении; Наличие на круглой поверхности следов остановки в точках изменения направления каждой управляемой оси (т.е. при непрерывном резании, если подача останавливается в определённом положении, инструмент образует на обрабатываемой поверхности небольшой участок следов резания металла) указывает на неправильную регулировку зазоров прямого и обратного хода оси.
Оценка точности станков с ЧПУ — сложный и трудоёмкий процесс, а некоторые даже требуют точной оценки после завершения обработки. Это связано с тем, что на точность станков влияет совокупность различных факторов, включая конструкцию станка, точность изготовления компонентов, качество сборки, производительность систем управления и условия окружающей среды во время обработки.
Что касается структурного проектирования станков, разумная компоновка и жёсткость конструкции могут эффективно снизить вибрацию и деформацию в процессе обработки, тем самым повышая её точность. Например, использование высокопрочных материалов станины, оптимизированных конструкций колонн и поперечин и т. д. может способствовать повышению общей устойчивости станка.
Точность изготовления компонентов также играет основополагающую роль в точности станков. Точность ключевых компонентов, таких как шарико-винтовые передачи, линейные направляющие и шпиндели, напрямую определяет точность перемещения по каждой оси станка. Высококачественные шарико-винтовые передачи обеспечивают точное линейное перемещение, а высокоточные линейные направляющие — плавность перемещения.
Качество сборки также является важным фактором, влияющим на точность станков. В процессе сборки станка необходимо строго контролировать такие параметры, как точность посадки, параллельность и вертикальность различных компонентов, чтобы обеспечить точное взаимодействие подвижных частей станка во время работы.
Производительность системы управления критически важна для точности управления станками. Современные системы ЧПУ обеспечивают более точное управление положением, скоростью и интерполяцией, тем самым повышая точность обработки. Кроме того, функция компенсации погрешностей системы ЧПУ обеспечивает компенсацию различных погрешностей станка в режиме реального времени, что дополнительно повышает точность обработки.
Условия окружающей среды во время обработки также могут влиять на точность станка. Изменения температуры и влажности могут вызывать тепловое расширение и сжатие компонентов станка, что влияет на точность обработки. Поэтому при высокоточной обработке обычно необходимо строго контролировать условия обработки и поддерживать постоянную температуру и влажность.
Подводя итог, можно сказать, что точность станков с ЧПУ – это комплексный показатель, на который влияет взаимодействие множества факторов. При выборе станка с ЧПУ необходимо учитывать такие факторы, как тип станка, уровень точности, технические параметры, а также репутацию и послепродажное обслуживание производителя, исходя из требований к точности обработки деталей. В то же время, в процессе эксплуатации станка необходимо регулярно проводить проверку точности и техническое обслуживание для своевременного выявления и устранения проблем, обеспечивая постоянную точность станка и надежные гарантии производства высококачественных деталей.
В связи с непрерывным развитием технологий и быстрым развитием производства требования к точности станков с ЧПУ также постоянно растут. Производители станков с ЧПУ постоянно проводят исследования и внедряют инновации, внедряя передовые технологии и процессы для повышения точности и производительности станков. Одновременно с этим соответствующие отраслевые стандарты и спецификации постоянно совершенствуются, обеспечивая более научную и унифицированную основу для оценки точности и контроля качества станков с ЧПУ.
В будущем станки с ЧПУ будут развиваться в сторону повышения точности, эффективности и автоматизации, обеспечивая более эффективную поддержку трансформации и модернизации обрабатывающей промышленности. Для производственных предприятий глубокое понимание точностных характеристик станков с ЧПУ, разумный выбор и использование станков с ЧПУ станут ключом к повышению качества продукции и повышению конкурентоспособности на рынке.