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摘 要：贵金属首饰数控车花系统是为实现对贵金属首饰的全自动化机器加工而研发的，贵金属首饰车花的普遍要求为首饰纹路均匀对称、平滑亮泽和加工过程中尽量不浪费原料。这对数控车花系统的精度和稳定性提出高要求，系统精度的高低也是决定贵金属首饰数控车花系统优劣的重要因素。文章研究了贵金属首饰车花的特点，并逐一分析了影响贵金属首饰数控车花系统精度的因素，以作者经验给出了车花机几何精度不合乎要求可能会出现的问题，最后借鉴数控机床的精度评价方法，提出以几何精度为主，控制机器振动为辅的贵金属首饰数控车花系统精度评价方法，并以实验验证方法有效。
关键词：数控车花机；精度；影响因素；评价方法
1 概述
首饰车花数控系统是指根据车花工艺要求而研发的能自动完成贵金属首饰车花的整套机器及其控制系统。一般使用高速旋转的金刚石铣刀在贵金属首饰表面，刻划出大小深浅不一、方向位置不同的，光洁度高的明亮纹路，按照事前的计算机规划，自动地在贵金属首饰表面形成一定图案，进而增加首饰的美观视觉效果，达到贵金属首饰车花目的。传统的首饰车花是人工操作，存在诸多弊端。近年来有些研究单位陆续研发了一些贵金属首饰自动车花设备，如中国地质大学武汉珠宝学院研发的平珠车花系统[1]，深圳先进技术研究院的高端珠宝数控车花机[2]等。这些自动车花设备能够初步实现某些贵金属首饰的自动加工，但其目前主要处于实验、调试、改进阶段，并未大批量生产投入市场。究其原因，主要是金属首饰批花进给量小，在0.02～0.1mm的范围内，且工作时要求刀具高速精准切削，且此切削运动易受几何精度、机械动态特性、伺服控制系统、外部环境等因素的影响，或者难以实现综合误差补偿，使得首饰加工不精准，造成首饰表面花纹杂乱粗糙无美感。
针对这种情况，文章研究了大众对贵金属首饰表面花纹的要求，对影响贵金属首饰车花数控系统精度的各因素做出分析，并提出了相应的改进方法，最后借鉴传统数控机床的精度评价指标，提出了一种针对贵金属首饰数控车花系统的精度评价方法。
2 贵金属首饰车花的特点
大众对首饰的要求普遍为带来美的视觉感受。从柏拉图的大希庇阿斯篇中知道美是难以定义和区分的，且对美的事物的认可具有主观性。对某样首饰美观与否或美观程度的评价全由个人主观感受决定，没有任何客观的刻度标准可以用来度量美观。在图1的（a）（b）（c）（d）中，大众普遍认为（a）图和（b）图的贵金属首饰花纹能够给人带来美的视觉感受，（c）图和（d）图中银珠上的花纹则不然。对某样贵金属切削性首饰而言，普遍认为，纹路均匀对称、平滑亮泽是美，具有一定复杂图案为最佳。
对贵金属首饰上某条纹路来说如图1中的（a）图，要做到平顺光滑意味着切削刀速要达到足够快，切削时进给量足够小。刀速越快，在贵金属表面切削出来的纹路越锃亮，让人愉悦，但刀速过快易引起车花机器整体受迫振动，影响加工精度；高刀速运动也要求伺服控制系统具有更宽的控制带宽、更大的调速范围、更短的控制周期等来响应高速、高加速度运动；在切削过程中，高刀速意味着同一时间里工件受到更多切削力冲击，如果是双刀工作的话，则受到更多的切削力偶冲击，工件容易飞出，可能造成机器损坏，甚至人员伤害；并且如果刀速过快，刀具易产生大量热量，刀具和工件会受热变形，影响精准加工。进给量越小即主轴一次前进运动需要切削的金属量越小，则切削出来的纹路越光滑平顺，纹路周围不会像图1（c）图中产生毛毛刺刺，如果进给量过多，刀具上的金刚石容易被打坏，但当主轴进给速度过低，则增加生产时间、降低经济效益。
贵金属首饰车花机安装的几何精度都应在所能容忍的范围内，并且切削时刀具正垂直于首饰切削点的切平面，这也是贵金属首饰加工的工艺要求。
贵重金属本身价值高昂，在其作为饰品进行美化时要求加工过程中尽量不浪费原料，这不仅要求贵金属首饰数控车花系统的高精度，还要求控制系统具有较高的自适应性与通用性。
3 影响贵金属首饰数控车花系统精度的因素
现在企业或研究院所研发的贵金属首饰数控车花机一般是3轴或5轴机器，切削量为0.02～0.1mm，正常工作时主轴刀速达到10000r/min左右，有些机器是双刀工作，这些工作参数和工艺要求影响着贵金属车花机的加工精度。
根据文献[3]中精度分类方法，将贵金属数控车花系统的精度分为准静态精度和动态精度。准静态精度是不依赖于进给速度和轨迹、以几何精度为主的精度。动态精度指在机器加减速运动、匀速运动等达到的、依赖于进给速率和机电耦合特性的精度，动态精度受编程控制算法、振动、热胀冷缩、切削力、伺服系统对高匀速运动的响应及其稳态特性等因素的影响。
3.1 影响贵金属车花机几何精度的因素
几何精度由机械机构、机械调试控制。目前企业说的车花机精度一般指机械结构在设计时所要求的加工精度，整体的车花设备达不到此精度要求。当零件加工、组装成完整车花机器时，其几何精度会发生偏差，以深圳先进技术研究院精密工程中心研发的卧式五轴数控双刀车花机为例，说明影响车花机几何精度的因素。
（1）每把刀具的中心线应与刀具轴的轴线重合，测出误差，查看其是否处于能容忍的范围内。若不合乎要求，则会出现刀具中心在一个圈上摆动、十字和米字刀痕没有交叉点的情况，整个图案的基准点在加工过程中由一点变成一个圆。
（2）两把刀具和工件应处于同一高度，测出误差，查看其是否处于能容忍的范围内。若不合乎要求则会出现对于同一点，不同方向的划痕深浅不一，或同一条划痕上面深下面浅，或同一条划痕一边深，一边浅的情况。
（3）夹持工件的顶针和工件本身应在同一条直线上，测出误差，查看其是否处于能容忍的范围内。若工件与顶针错开过大，则在加工时工件容易飞出，可能造成机器损坏和人员伤害。
（4）工件自转时，应打表测出其跳动范围。若不合乎要求，则首饰花纹可能随机出现一纹路深，一纹路浅，易杂乱影响首饰美感。
3.2 影响贵金属车花系统动态精度的因素
（1）编程控制算法
贵金属数控车花机的动态精度受控制算法的影响，即在空间上离散的路径规划与在时间上离散的轨迹规划是否满足要求，具体为路径、轨迹的细分数量是否足够将算法累计误差控制在能容忍的范围内[2，4]。若有误差补偿，补偿后能否满足要求。
（2）振动
正常加工中，主轴刀具的工作转速较高，在8000r/min～16000r/min范围内，有些贵金属车花设备是双刀工作，则存在两个振源，很容易引起贵金属首饰车花机的整体受迫振动，使得整个车花系统处于以刀速为振动频率和以数倍刀速为振动频率的叠加振动中，刀具与工件的相对运动将受到极大干扰，如按照规划数据进行，则存在较大误差。文献[5]郑鹏指出机床振动对加工的表面质量造成显著影响，如图2中的（a）是车刀刀尖在理想的外圆车削加工状态下的运动轨迹，在轴向为等高，径向为正圆，当机床振动频率为主轴转动频率时，刀尖轨迹如图2中的（b），此种状态下刀尖轨迹轴向为等高，径向为椭圆形，图2中的（c）是当机床以10倍主轴频率振动时，刀尖轨迹图，轴向为等高，径向为叠加图形。
（3）热胀冷缩
贵金属首饰车花系统所使用的刀具材质为铁铝合金，在铁铝合金上镶嵌金刚石构成刀尖，当刀具高速连续转动十分钟以上，人手靠近刀具能明显感觉得到热量，刀具主体为铁铝合金，工件为贵重金属，两者都是热的良导体，在切削加工中容易受热变形，造成工件和刀具之间的距离变短，使得在贵金属首饰表面上的纹路变深。
（4）切削力
刀尖金刚石镶嵌在圆形或矩形的刀座上，刀具转动一圈，金刚石与工件相互作用一次，则工件受到一次切削力冲击或切削力偶冲击，当刀具高速切削贵金属工件几分钟后，工件受到的冲击累计下来易影响工件与其加持工具间的机械结构。
（5）伺服系统对高匀速运动的响应
贵金属车花机的定位精度和重复定位精度应符合GB/T 17421.1机床精度检验的通用标准。此外，伺服系统中启停、高速、高加速度、换向的响应时间和稳定性，温度漂移，零点漂移等参数都应引起注意，使其处于本机器的最佳状态。
4 贵金属首饰数控车花机精度评价与实验
4.1 贵金属首饰数控车花机精度评价
文献[6]提出使用运动轴实际位移与数控指令之间的符合程度来评价机床精度，以稳态误差、瞬态误差和匀速段速度波动误差三类误差来计算机床的运动精度。此种评价方法并不适合贵金属首饰数控车花系统，车花系统是以首饰加工最后呈现的纹路美观与否作为评价标准。文献[7]提出通过零件切削特性的实测数据来改进机床精度变化与切削加工过程的隐马尔可夫链模型，以耦合系统最佳切削特性状态为目标，形成零件切削性评价模型。此种方法符合数控车花系统中多层次的机电耦合行为，但首饰切削特性的实测数据难以测量，并且其精度计算方法和评价方法过于繁琐复杂。文献[8]指出低速时几何误差是主导误差。
基于以上分析和作者对车花机调试的经验提出以几何精度为主，控制贵金属车花机振动为辅的贵金属首饰数控车花系统的精度评价方法。在贵金属车花系统中，进给速度只有6～15mm/min，符合文献[8]中的低速进给运动，几何误差为主导误差。刀具高速切削引起的机器振动是影响贵金属首饰车花系统动态精度的主导因素，进给速度10毫米每分钟，按照文献[9]计算，其切削力的影响相对与振动来说可以忽略不计。
4.2 实验
在保证几何精度的前提下，控制车花机振动处于能容忍范围内，以深圳先进技术研究院研发的高端珠宝数控车花机为实验对象，以长为9.50mm，宽为6.28mm的银质椭球体珠为加工对象，加工出来的珠子如图3所示，能满足贵金属首饰车花的基本要求。
5 结束语
文章根据贵金属首饰车花的特点和影响贵金属首饰数控车花系统精度的因素，提出以几何精度为主，控制车花机振动为辅的精度评价方法，通过实验切削，证明方法有效。此评价方法只是定性说明，并未测出其百分比，在实验中采取给车花机增加配重的办法来减少机器振动，此后可对车花机振动进行测试，分出振动状态形成车花机工作参数选择，未涉及精度影响因素各自的比重，或分状态考虑各精度影响因素的比重，此为以后的研究方向。
参考文献
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