机床导轨偏差对机械加工精度的影响与原因分析

2020-09-10 07:22杨双江
内燃机与配件 2020年17期
关键词:加工精度偏差

杨双江

摘要:机床导轨有无偏差直接影响到机械加工精度,机床导轨出现偏差会降低导轨导向精度,进而无法保证机械加工精度。不同的机床类型、加工方式以及零件特征,导轨偏差导致的精度误差也是各不相同,通过车床加工轴类零件时,Δz方向不会出现偏差,但是在Δx以及Δy方向会出现偏差,而加工丝杆零件时,在Δx、Δy、Δz三个方向都会产生加工偏差。机床导轨偏差的出现主要是因为导轨运动磨损、机床的安装以及导轨的热变形三个方面。

关键词:机床导轨;偏差;加工精度

0  引言

机床导轨是机床设备正常运行中非常重要的一个部件,是将某些机构依照导轨路线精准输送到指定位置的载体,也是确保机床加工中主要部件相对位置不改变的重要前提,是开展机床加工的主要基准。假如机床导轨出现偏差时,就会导致移动部件在运动过程中与固定部件的相对坐标产生改变,影响了部件运动的尺寸精确性,从而导致加工完成的零部件不满足标准要求。所以,机床导轨误差是影响零部件加工精度的主要因素,在机床总体误差中也占据了较大成分,加强控制机床导轨偏差对于提高机械加工精度十分重要。

为此,本文以构建导轨导向的数学误差模型为基础,探讨了导轨误差与零部件加工精度的相互关系,寻找出机床出现导轨误差的根本原因,在机械加工过程中采取有效的措施给予避免,从而提高机床机械加工品质。

1  构建导轨导向误差的数学模型

导轨导向精度表示为跟随导轨共同运动的副运动部件实际和理论运动路径之间的偏差程度,将两者的数据相减就是导向偏差。

为了更好的探究机床加工过程中实际导向偏差的大小,在机床上设定一个位置不变的直角坐标系P[o,x,y,z],初始点0与加工偏差的度量基准保持相对固定关系,并共同依附在导轨y轴指定位置上。于此同时在导轨运动平台上设置一个直角坐标系P1[o,x′,y′,z′]以及一个辅助直角坐标系P2[o,x″,y″,z″][1-2]。初始点o1以及基准轴的确定需要依照导轨误差测量方向。辅助坐标系以及固定坐标系的方向要保持一致,并保证各个轴线保持平行关系,在导轨线性运动过程中不会产生转动。如图1所示为导轨辅助坐标系示意图。

2  机床导轨误差对加工精度的影响

机床导轨导向偏差根据机床类型、加工方式不同也会产生不同的影响,最终产生的加工偏差也不相同。

在使用车床进行轴类零部件加工时,Δz方向不会出现加工偏差,但是在Δx以及Δy方向会出现相对偏差,此时ΔRx=Δx、ΔRy≈(Δy)2/D[3],如图2所示为导向偏差对外圆周加工影响示意图。ΔRy是建立在ΔY基础出现的二次误差,因此其产生的误差影响微乎其微。

对图2进行分析可以得出,该公式中H表示中心高度,B表示导轨宽度,γ表示导轨摆角,δ表示导轨扭曲程度[4]。通常情况下,普通车床高:宽=2:3,外圆磨床高与宽比例接近1:1,可见这个误差会降低机床加工精度。

在使用普通车床进行丝杆零部件加工时,Δx、Δy、Δz三个方向都会产生加工偏差,主要表现为螺纹导程偏差以及螺纹牙尺寸偏差。出现牙形尺寸与图纸要求不符的原因是,成形车刀各个切削点在坐标系中的位置无法做到全部相同,假如车床导轨产生角位移偏差时,就会引起刀具切削点线性偏差[5]。如图3所示为车削丝杆部件的导轨副坐标系示意图。

3  导轨误差产生的原因分析

3.1 导轨运动磨损

机床导轨在往复运动过程中,导轨与导轨副之间会产生一定的磨损,导轨副各个地方的磨损量不一致时,就会导致直线度以及垂直度误差,严重影响到机床自身的导向精度,从而造成加工精度降低,难以保证尺寸精度要求。机床导轨磨损的大小受到了机床连续工作时间、工作环境温度以及零件加工类型等因素的影响。

比如说传统的车床在进行车削工作时,产生的切削力主要传递到导轨的前部分,因此,在长期工作中会使得前部导轨的磨损较大。对传统车体进行实际测量可以得知,在正常两班倒工作体系下,车床使用12个月以后前部导轨的最大磨损量可以达到0.06mm,而对于经常从事粗加工的机床来说磨损量更大,最大能够达到0.13mm,此外,一些主要进行铸铁件加工的车床,前部导轨磨损量还会进一步加大[6]。于此同时,机床导轨中每个区间应用频率以及工作强度不同,也会导致个别位置导轨误差较大。通常情况下车床主轴线附近的导轨磨损量最大,而尾架附近的导轨磨损量最小。锯床工作中一般处于导轨中部位置,所以锯床导轨中间位置的磨损量比两端都要大。

3.2 机床的安装

机床安装以及安装场地的地基情况都会对机床加工精度产生较大影响,这是因为当机床安装中四个支点不处于同一个水平面,或者安装时处于同一水平面,但是由于地基不牢固、下沉等原因,在后期也会导致各个支撑点高度不一致,从而导致机床导轨产生扭曲或者变形,降低机床导轨导向精度,进而影响机床加工精度。

比如说两个支撑点距离为1米的车床设备,当安装面不平整时,对导致机床导轨产生0.19mm的扭曲误差。此外,对于一些高精密机床、重型机床等,微小的安装误差会给机床精度产生更大的影响。而对于一些安装尺寸较大的龙门铣床、导轨磨床等,由于机床自身长度非常长,刚度较差,受到自身重力因素的影响,在长时间使用中也会产生下垂,从而导致导轨变形或者扭曲。

3.3 导轨的热变形

机床在进行工件加工时,运动副需要在导轨上做高速往复运动,必然会产生较大的摩擦热量,随着温度的升高,导轨会产生热膨胀,造成导轨导向精度降低,目前导轨受热变形也是机床导轨偏差产生的重要原因。一些大型的、高精密的机床,当导轨出现热变形时,会严重影响到机床的加工精度。比如说大型龙门刨床,其长度与宽度分别为10m、0.8m,当导轨持续受热,自身溫度超过周围环境温度1℃时,导轨受热变形产生的变形量就可以达到0.2mm,这样的误差范围等同于整个导轨的精度误差总和了[7]。

4  结语

综上所述,机床导轨偏差严重影响到机床加工精度,在一些大型机床、高精度机床上,导轨偏差产生的加工误差更为明显,为了降低机床导轨偏差对加工精度的影响,可以从降低导轨运动磨损、提高机床安装精度以及控制导轨温度三个方面进行。

参考文献:

[1]王欣威,慕丽.一种基于VB的超声波线切割机导轨误差的测量与补偿系统设计[J].机床与液压,2011,39(22):82-84,78.

[2]沈德志.影响数控机床加工精度的因素与优化策略的探究[J].中国新技术新产品,2016(14):68-69.

[3]刘建勇,翟力军,李艳,邹爱敏,黄玉萍.牛头式电火花加工机床Y轴导轨安装基面加工工艺研究[J].航空精密制造技术,2014,50(03):27-30.

[4]李建.影响数控机床加工精度因素及改进关键问题探讨[J].中国设备工程,2018(20):46-47.

[5]孙志礼,杨强,高沛,闫明.基于有限元法的机床导轨热特性研究[J].东北大学学报(自然科学版),2011,32(07):1000-1003.

[6]余治民,刘子建,艾彦迪,熊敏.大型数控龙门导轨磨床几何误差建模与基于可靠性理论的精度分配[J].机械工程学报,2013,49(17):142-151.

[7]周大帅,龙泽明,韩平,陈凌凌,龚诚.基于DASP的机床导轨动态特性测试与研究[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2017,35(06):1024-1026.

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