數(shù)控程序補(bǔ)償機(jī)床反向間隙精密車削

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摘要：基于圓弧回轉(zhuǎn)類零件的精密數(shù)控車削的所需要求，提出一種在數(shù)控機(jī)床絲杠磨損情況下提升機(jī)床加工精度的車削方法并進(jìn)行試驗(yàn)論證和批量生產(chǎn)檢驗(yàn)。方法試驗(yàn)階段：對(duì)應(yīng)匹配關(guān)系對(duì)程序段中的R、U或W值及刀尖半徑補(bǔ)償進(jìn)行修改，完成后測量加工表面的形狀精度，從而驗(yàn)證該方法是否能夠提升機(jī)床在絲杠磨損情況下的加工精度，最終根據(jù)實(shí)驗(yàn)及批量生產(chǎn)的結(jié)果表明該方法切實(shí)有效，產(chǎn)品質(zhì)量得到有效提升且波動(dòng)穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：絲杠反向間隙；數(shù)控程序；刀尖半徑補(bǔ)償；精密車削

0前言

隨著現(xiàn)代加工方案的日新月異，為滿足高精度零件的加工需求，越來越先進(jìn)的精密數(shù)控加工設(shè)備逐漸取代了傳統(tǒng)的普工作業(yè)，然而圓弧結(jié)構(gòu)在車削時(shí)的半徑值往往只能依靠具備較高精度的精密數(shù)控機(jī)床來保證，這便產(chǎn)生了兩個(gè)問題，一是精密數(shù)控機(jī)床資金投入太大；另一個(gè)便是機(jī)床服役較長時(shí)間后，絲杠磨損所產(chǎn)生的反向間隙問題。圓弧車削時(shí)，機(jī)床在接收到“G02”或“G03”的數(shù)控指令后需連續(xù)控制X軸與Z軸進(jìn)行梯形插補(bǔ)作業(yè)，而較大的絲杠反向間隙便使機(jī)床的點(diǎn)位控制度和重復(fù)定位精度大幅下降，最終致使在批量加工中，零件產(chǎn)生尺寸漂移和質(zhì)量離散不穩(wěn)的情況，嚴(yán)重時(shí)還有可能產(chǎn)生扎刀或撞機(jī)等安全問題，然而絲杠的維修和更換則又給企業(yè)帶來了較大的維修成本和時(shí)間成本。故無論是使用普通經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床還是精密數(shù)控機(jī)床，如何根據(jù)絲杠反向間隙值，最大限度保證車削精度便成了最大的問題，本文以某型號(hào)船用中速柴油機(jī)氣閥鎖夾槽為例，使用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床討論一種使用數(shù)控程序補(bǔ)償機(jī)床反向間隙的精密車削方法。

1工藝介紹

為保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，根據(jù)設(shè)備和材料的不同，需要對(duì)氣閥進(jìn)行前道預(yù)處理即機(jī)加工粗車，具體如下：

1．1傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床（手工裝夾）

1．1．1夾持φ14mm桿身（此道前已預(yù)留加工余量），根據(jù)材料選擇合適的車削參數(shù)即轉(zhuǎn)速、進(jìn)給、背吃刀量，使用專用定位套（可使用弧形套或切角套），以粗車完成后的頸部圓弧作為定位支撐點(diǎn)，對(duì)精車時(shí)需要裝夾的盤外圓及端面位置進(jìn)行定量車削，為后道創(chuàng)造精基準(zhǔn)。1．1．2使用反齒爪頂推盤底面定位，手工鎖緊三爪卡盤（如用四爪則裝夾后需要打表進(jìn)行校正桿身，以此來保證夾持基準(zhǔn)無誤，但由于該道加工前桿身仍然為粗車狀態(tài)，故校正難度較大，且存在一定偏差），桿端使用內(nèi)頂尖／凹頂尖定位（如桿端存有中心孔則可直接使用），車削φ14mm桿身，制作打孔基準(zhǔn)。1．1．3掉頭裝夾，夾持車削后的φ14mm桿徑，以桿端面定位，將中心架移動(dòng)至變徑處，同時(shí)將鉆頭尾座距離歸零，在盤底處鉆削中心孔。1．1．4裝夾于外圓磨床，可使用雙頂尖進(jìn)行盤部外圓和盤底面磨削（底面磨削時(shí)的磨削長度僅需超越卡爪夾持距離即可），如該步驟使用無心磨床則先磨桿身，再以磨削后的桿身作為基準(zhǔn)進(jìn)行盤底面的中心孔加工。該步驟相對(duì)于一般經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的手工裝夾并不需要，如若尺寸問題較為嚴(yán)重則可利用磨床創(chuàng)造較為良好的夾持基準(zhǔn)。1．1．5在普通車床上，采用夾持盤部＋輔助中心架的裝夾方法，以盤底面定位，手工裝夾后鎖緊卡爪，中心架移動(dòng)至盡可能靠近桿端的位置（不影響進(jìn)刀即可），根據(jù)桿端倒角角度，將主切削刃撥轉(zhuǎn)至與倒角角度相同，定位修正倒角，若加工材料較硬或表層含有耐磨涂層，則可使用走刀車削的方式修正。值得一提的是，該步驟雖為普工作業(yè)，但卻十分重要，因倒角未做修正工序前為粗車狀態(tài)時(shí)加工，在經(jīng)過磨削后，常常容易出現(xiàn)偏心和半邊大小的情況（此在無心磨床加工時(shí)更為明顯），此道為重要的創(chuàng)造基準(zhǔn)工序，若倒角偏移，則將會(huì)致使車削鎖夾槽時(shí)發(fā)生不規(guī)則的尺寸變化，往往還會(huì)出現(xiàn)位置度和同心度漂移較大的情況，也易在裝配時(shí)發(fā)生偏軸。1．1．6完成1－5步后，則使用“一夾一頂?shù)姆绞健遍_始車削圖1中R12處鎖夾槽。

1．2使用液壓或氣動(dòng)卡爪的數(shù)控車床

主要工序路徑不變，相比于采用手工裝夾的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，由于液壓或氣動(dòng)卡爪裝夾后無法由人工自由調(diào)節(jié)，則更需要較為優(yōu)良的基準(zhǔn)，故第4－5步則十分重要，值得強(qiáng)調(diào)提出的是，現(xiàn)在的精密數(shù)控車床及智能車床正在逐步的向無人化，遠(yuǎn)程化的方向發(fā)展，但同時(shí)也就意味著其對(duì)其他基準(zhǔn)創(chuàng)造工序提出了更高的要求，萬不可產(chǎn)生某一臺(tái)設(shè)備或某一步工序做的好，就可保證整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量的概念。

1．3使用伺服、液壓尾座、可編程尾座的數(shù)控車床

主體加工流程不變，但在執(zhí)行第6步時(shí)，需要測試頂尖的頂推壓力的合理性，可打表檢測桿身是否存在彎曲情況，如長徑比不大的情況下，則需要根據(jù)頂尖聲音和中心孔的發(fā)熱情況判斷，現(xiàn)在的精密機(jī)床大多帶有監(jiān)測壓力的反饋機(jī)制，以防發(fā)生工件彎曲或頂尖碎裂的情況。

1．4成型數(shù)控機(jī)床

該種機(jī)床情況比較特殊，多為定制機(jī)，刀片成型加工，但對(duì)被加工工件的回轉(zhuǎn)同心度要求較高，具體如下：1．4．1執(zhí)行1－3步；1．4．2雙頂尖定位磨削桿身，如車床本身直線度及重復(fù)定位精度較高則可直接在車床上進(jìn)行加工，無需再上磨床磨削，值得注意的是由于使用雙頂尖車削，車削余量較小，加工效率較低。1．4．3在桿身磨削／車削完成后可直接進(jìn)行車刀成型切入，如槽深較大，則需先用外圓車刀進(jìn)行開粗，最后再使用成型刀進(jìn)行光整，傳統(tǒng)加工方式中，該道光整加工多為滾壓，但刀片和滾輪的損耗都比較大，此處介紹該種加工方式僅供參考。

2實(shí)驗(yàn)方案

采用SK40P經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床作為被測機(jī)床，選擇某型號(hào)船用中速柴油機(jī)氣閥鎖夾槽作為加工零件，材料為20Cr21Ni12N，桿徑φ14，圓弧半徑R12＋0．050，弧底直徑為φ10．50－0．05，以半徑值和批量加工的離散程度作為判定指標(biāo)，氣閥產(chǎn)品示意圖見圖1。

3實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)記錄

3．1測量機(jī)床反向間隙

以卡爪齒底面為Z軸零位，以氣閥中心線為X軸零位，打表檢測機(jī)床X軸與Z軸機(jī)床的反向間隙，見圖2（Z軸間隙）、圖3（X軸間隙），記錄檢測數(shù)據(jù)見表1（SK40P反向間隙測量值）。經(jīng)上表數(shù)據(jù)可得車床的X軸反向間隙為0．06mm，Z軸反向間隙為0．07mm，對(duì)應(yīng)將測量值輸入車床的0034和0035中，此步為正常狀態(tài)下機(jī)床調(diào)節(jié)反向間隙的通用方法，因加工位置固定則僅需要對(duì)所需使用位置進(jìn)行檢測即可。

3．2程序編制及路徑模擬

圓弧段程序?yàn)椤癎02U－3．5W－6．25R12．03”、“G02U3．5W－6．25R12．03”，刀尖半徑補(bǔ)償為R0．4mm，將程序?qū)敕抡孳浖校鶕?jù)刀路仿真實(shí)線圖和模型試車圖可知，刀路正常，程序無誤，未有干涉和失圓情況，見圖4（刀路仿真模擬圖）。

3．3試車圓弧

在同一根氣閥上按10mm的相同間隔連續(xù)加工10個(gè)鎖夾槽，完成后按1－10的順序進(jìn)行編號(hào)，檢驗(yàn)階段，將氣閥垂直放置于軸類檢測儀平臺(tái)上，桿端倒角使用凹頂尖／內(nèi)頂尖進(jìn)行裝夾，定位光學(xué)測量圓弧R值，測量值見表2（半徑測量值），尺寸離散情況見圖5（程序調(diào)整前半徑值離散情況分布圖）。分析：據(jù)圖表及記錄數(shù)據(jù)分析，尺寸最大離散值為0．1791mm，公差波動(dòng)范圍為－0．1791～＋0．1584mm，尺寸公差帶為0．3375mm，合格率僅為10％；

3．4修改程序及刀補(bǔ)

將刀尖半徑補(bǔ)償由R0．4修改為R0．42，程序段指令修改為“G02U－3．54W－6．3R12．03”、“G02U3．54W－6．3R12．03”，0034和0035中的機(jī)床間隙補(bǔ)償值不變。

3．5圓弧試車

按照修改后的程序?qū)霗C(jī)床開始加工，完成后按A－J編號(hào)，檢驗(yàn)階段，將氣閥垂直放置于軸類檢測儀平臺(tái)上，桿端倒角使用凹頂尖／內(nèi)頂尖進(jìn)行裝夾，定位光學(xué)測量圓弧R值，得出修改后的圓弧半徑值見表3（平均半徑測量值），尺寸離散情況見圖6（程序調(diào)整后半徑值離散情況分布圖）。分析：據(jù)上圖表及記錄數(shù)據(jù)分析，尺寸最大離散值為0．0288mm，公差波動(dòng)范圍為－0．0288～＋0．0187mm尺寸公差帶為0．0475mm，10支均全部符合圖紙尺寸要求。3．6對(duì)比分析根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制作質(zhì)量折線對(duì)比圖表，見圖7（程序調(diào)整前后半徑值離散情況對(duì)比圖），從表中可以清晰的看出程序及刀補(bǔ)修改前后的尺寸公差帶由0．3375mm縮減至0．0475mm，尺寸波動(dòng)幅度由－0．1791～＋0．1584mm縮減至－0．0288～＋0．0187mm，符合產(chǎn)品圖紙要求的同時(shí)，質(zhì)量波動(dòng)減小，加工精度提升，該方案應(yīng)切實(shí)有效。

4結(jié)論

根據(jù)上述兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖7可以看出，機(jī)床在執(zhí)行梯形插補(bǔ)類的指令時(shí)，受絲杠反向間隙的影響是較大的，利用程序和刀尖圓弧半徑來控制絲杠執(zhí)行距離的方法應(yīng)可以達(dá)到補(bǔ)償機(jī)床絲杠反向間隙，提升車削精度，從而達(dá)到保障回轉(zhuǎn)類零件圓弧形狀及尺寸精度的目的。

參考文獻(xiàn)：

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［3］劉建國，楊振剛．蝸輪蝸桿反向間隙消除方法［J］．設(shè)備管理與維修，2021（3）：48－49．

作者:王洋 單位:南京中遠(yuǎn)海運(yùn)船舶設(shè)備配件有限公司