論機(jī)床加工精度和精密機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

吳自達(dá)

（惠州工程技術(shù)學(xué)校，廣東 惠州 516023）

引言

零件加工精度是實(shí)際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)相符合的程度，包括尺寸精度、形狀精度和相互位置精度及表面質(zhì)量。研究零件各種典型表面（平面、外圓、孔及其他成形表面等）的加工方法及其特點(diǎn)，同時(shí)分析影響零件加工精度和表面質(zhì)量的客觀因素及其變化規(guī)律，找出減少加工誤差、提高加工精度和表面質(zhì)量的技術(shù)措施，是設(shè)備修理技術(shù)人員對(duì)精密機(jī)械加工設(shè)備的研究和使用維修應(yīng)當(dāng)掌握的基本知識(shí)。

1 問(wèn)題描述

機(jī)床是工藝系統(tǒng)中最重要的組成部分，零件的加工精度主要由機(jī)床來(lái)保證。在機(jī)床系統(tǒng)中，對(duì)工件加工精度影響最大的是主軸、導(dǎo)軌和傳動(dòng)鏈3個(gè)部件。

2 機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差

由于主軸系統(tǒng)中各零部件存在多種誤差以及主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各種動(dòng)靜因素對(duì)主軸精度的影響，使主軸回轉(zhuǎn)軸線在空間的實(shí)際位置呈周期性變化，并且這種變化與加工時(shí)主軸的受力狀態(tài)有關(guān)。

主軸組件由主軸、主軸軸承及軸承座孔和安裝在主軸上的傳動(dòng)件（包括齒輪、皮帶輪等）等組成。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度對(duì)工件的加工精度和表面粗糙度起著決定性的作用。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度與軸承精度和間隙、主軸和與主軸配合的零件精度以及軸承的安裝、調(diào)整等因素有關(guān)。

主軸實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線相對(duì)理想回轉(zhuǎn)軸線的漂移，可根據(jù)平均軸線的方向分解為純徑向跳動(dòng)、純軸向竄動(dòng)和純角度擺動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，主軸回轉(zhuǎn)誤差不會(huì)原封不動(dòng)地復(fù)現(xiàn)到工件上而產(chǎn)生大小相同的加工誤差，在機(jī)床和工件加工表面的不同位置，以及加工表面的不同方向上，主軸回轉(zhuǎn)誤差對(duì)工件加工誤差的影響程度關(guān)不相同，在通過(guò)刀具切削刃上的一點(diǎn)而垂直于工件加工表面的方向上，主軸回轉(zhuǎn)誤差對(duì)工件加工誤差的影響最大，這一方向稱為誤差敏感方向，而在其他方向，影響就較小，如圖1所示為車削加工。

圖1 主軸沿不同方向的徑向漂移引起的誤差

由于誤差敏感方向必須通過(guò)刀具切削刃，故對(duì)于工件旋轉(zhuǎn)類機(jī)床如車床、磨床等，誤差敏感方向是固定不變的，對(duì)于刀具旋轉(zhuǎn)類機(jī)床如鏜床等，誤差敏感方向是隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)而變化的。回轉(zhuǎn)誤差的產(chǎn)生有主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸、形狀、相互位置上的原因，也有加工運(yùn)動(dòng)中受力、熱作用等原因。機(jī)床主軸以主軸頸支撐在床頭箱的滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承，對(duì)于工件旋轉(zhuǎn)類機(jī)床來(lái)說(shuō)，由于刀具切削力方向固定不變，機(jī)床主軸的傳動(dòng)力方向也不變，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)將壓緊在滑動(dòng)軸承孔內(nèi)或滾動(dòng)軸承外環(huán)的某一局部區(qū)域，因此，主軸頸、滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)滾道的圓度誤差，滾動(dòng)體的尺寸與形狀誤差，將引起主軸的徑向跳動(dòng)。而滑動(dòng)軸承的軸瓦內(nèi)孔或滾動(dòng)軸承的外環(huán)滾道的幾何形狀誤差，對(duì)主軸回轉(zhuǎn)誤差影響不大。如圖2所示。對(duì)于刀具旋轉(zhuǎn)類機(jī)床而言，由于切削力的方向隨主軸相對(duì)于靜止的滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承外環(huán)不斷改變，因此，軸瓦內(nèi)孔表面或滾動(dòng)軸承外環(huán)滾道的形狀誤差將引起主軸的徑向跳動(dòng)，如圖3所示。

圖2 主軸回轉(zhuǎn)誤差

圖3 主軸的徑向跳動(dòng)

加工中主軸頸或固定于主軸頸上的滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)滾道，以固定的局部區(qū)域不斷同整個(gè)軸承孔表面或滾動(dòng)軸承外環(huán)滾道相接觸，因此，主軸頸或滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)滾道的圓度誤差對(duì)主軸的徑向跳動(dòng)影響不大。引起主軸徑向跳動(dòng)的原因還有軸承的間隙、軸承滾動(dòng)體的尺寸與形狀誤差，主軸前后支撐軸頸之間、訂頭箱前后軸承孔之間的同軸度誤差等。此外，由于主軸頸本身的圓度誤差引起薄壁滾動(dòng)軸承的內(nèi)環(huán)變形，床頭箱體軸承孔的圓度誤差引起滾動(dòng)軸承外環(huán)相應(yīng)的變形等原因，也會(huì)使主軸產(chǎn)生徑向跳動(dòng)。使主軸產(chǎn)生軸向竄動(dòng)或角度擺的原因除上述部分因素外，主要還有裝配中軸承歪斜、止推軸承滾道端面跳動(dòng)，主軸軸肩端面對(duì)軸線垂直度誤差和平面度誤差、軸承端蓋、過(guò)渡套、鎖緊螺母等有關(guān)配合表面的誤差。主軸的徑向跳動(dòng)，會(huì)使工件產(chǎn)生圓度誤差；主軸的軸向竄動(dòng)，會(huì)使工件端面產(chǎn)生平面度誤差或垂直度誤差，以及加工螺紋時(shí)，在單個(gè)螺距內(nèi)會(huì)產(chǎn)生周期誤差；主軸的角度擺動(dòng)會(huì)使工件產(chǎn)生圓度誤差和圓柱度誤差。圖4為車削加工時(shí)，主軸在水平面內(nèi)的角度擺動(dòng)，使工件產(chǎn)生圓柱度誤差。鏜孔時(shí)，若主軸在垂直面內(nèi)角度擺動(dòng)頻率等于鏜桿的旋轉(zhuǎn)頻率，會(huì)使工件產(chǎn)生如圖5所示的圓度誤差。

圖4 車削主軸擺動(dòng)圓柱度誤差

提高主軸部件的制造精度特別是滾動(dòng)軸承的精度，選配回轉(zhuǎn)精度高的軸承，在滾動(dòng)軸承上保持適當(dāng)?shù)念A(yù)緊載荷，均可提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。精密機(jī)床（如多種類型的磨床）中，通過(guò)改進(jìn)主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用靜壓滑動(dòng)軸承、球形靜壓軸承、3塊瓦式動(dòng)壓軸承等，使主軸回轉(zhuǎn)精度極大提高。MG1432A高精度外圓磨床砂輪主軸采用動(dòng)靜壓軸承，這種軸承在起動(dòng)時(shí)無(wú)干摩擦，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可產(chǎn)生一個(gè)像動(dòng)壓軸承那樣的承載油膜，具有很好的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。CM6132精密車床為了提高主軸精度，主運(yùn)動(dòng)采用分離式傳動(dòng)，把主軸箱和變速箱分開(kāi)，使主運(yùn)動(dòng)的大部分的傳動(dòng)件和變速機(jī)構(gòu)都安放在遠(yuǎn)離主軸的單獨(dú)變速箱內(nèi)，可大幅度減少熱變形和振動(dòng)對(duì)機(jī)床主軸的影響。同時(shí)，傳動(dòng)皮帶輪采用卸荷式結(jié)構(gòu)，皮帶輪不是直接安裝在主軸上，而是安裝在軸套上，皮帶輪的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)離合器傳給主軸，以避免機(jī)床主軸承受皮帶傳動(dòng)的徑向力。

如下頁(yè)圖6所示，在鏜削加工中采用浮動(dòng)鏜桿，可避免主軸回轉(zhuǎn)誤差對(duì)工件加工精度的影響，鏜桿由鏜模套徑向支撐定位并與主軸柔性聯(lián)接，鏜桿的回轉(zhuǎn)誤差取決于鏜模套和鏜桿制造精度。

圖6 用鏜模提高鏜桿回轉(zhuǎn)精度

如下頁(yè)圖7所示，在外圓磨削加工中，工件支撐在兩個(gè)固定頂尖上，工件頭架主軸的回轉(zhuǎn)精度不會(huì)影響工件的回轉(zhuǎn)精度。

圖7 兩固定頂尖支撐寬作磨外圓

3 機(jī)床導(dǎo)軌誤差

導(dǎo)軌是機(jī)床幾何精度的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)刀具與工件準(zhǔn)確的相對(duì)成形運(yùn)動(dòng)的重要保證。以車床為例，溜板箱沿導(dǎo)軌做縱向直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差會(huì)使溜板箱在水平面內(nèi)沿導(dǎo)軌的變形方向產(chǎn)生位移誤差。由于誤差敏感方向在水平面內(nèi)垂直于導(dǎo)軌，因此導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差將會(huì)1∶1地復(fù)映到工件上，使工件在加工內(nèi)外圓表面時(shí)，產(chǎn)生圓柱度誤差，如圖8所示。龍門刨床、龍門銑床、平面磨床和鏜床在垂直面內(nèi)的直線度誤差，使工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)臺(tái)面在垂直方向上起伏和傾斜，從而使加工表面產(chǎn)生平面度誤差，如圖9所示。

圖8 導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差對(duì)工件加工誤差的影響

圖9 導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線誤差對(duì)工件加工誤差的影響

車床前后導(dǎo)軌的平行度誤差，會(huì)使溜板箱在移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生傾斜，因而使刀尖產(chǎn)生Y方向（誤差敏感方向）和Z方向的位移，如圖10所示。

圖10 前后導(dǎo)軌平等度誤差引起的加工誤差

導(dǎo)軌與主軸實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線不平等，在車、鏜加工中會(huì)使加工表面形成錐面，產(chǎn)生圓柱度誤差；導(dǎo)軌與主軸實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線不垂直，在鉆、鏜、銑加工中會(huì)使被加工的孔歪斜，被加工的平面凹，加工平面相對(duì)工件安裝平面不平行或不垂直等。高精度的車床導(dǎo)軌采用對(duì)稱的凸V形導(dǎo)軌，可使后導(dǎo)軌能分擔(dān)前導(dǎo)軌一部分載荷。前后導(dǎo)軌的磨損比較均勻。S7332螺紋磨床等許多精密機(jī)床中采用滾動(dòng)導(dǎo)軌比較廣泛，這種導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，運(yùn)動(dòng)輕便靈活，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無(wú)爬行，精度保持性好。M50150導(dǎo)軌磨床及MM7160臥軸矩臺(tái)平面磨床等采用靜壓導(dǎo)軌，導(dǎo)軌副的工作表面完全處于純液體摩擦狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生磨損，能長(zhǎng)期保持導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。同時(shí)，油液具有吸振作用，因此，靜壓導(dǎo)軌的抗振性好。

4 機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差

機(jī)床內(nèi)從工件到刀具的傳動(dòng)系統(tǒng)誤差，主要由各傳動(dòng)零部件的誤差引起。在切削運(yùn)動(dòng)中，某些加工表面的成形，要求刀具與工件有準(zhǔn)確的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。如車床加工螺桿和蝸桿的螺紋時(shí)，要求主軸回轉(zhuǎn)一周，溜板箱準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程；用單頭滾刀滾齒，要求滾刀轉(zhuǎn)一周工件轉(zhuǎn)過(guò)一分齒角。

為了減少傳動(dòng)鏈誤差，Y38-1滾齒機(jī)、Y7131齒輪磨床等齒輪加工機(jī)床的分度蝸輪副精度，比被加工齒輪的精度高1～2級(jí)，這樣可以保證加工中有較高的運(yùn)動(dòng)精度。SG8630高精度絲桿車床結(jié)構(gòu)上傳動(dòng)鏈短，傳動(dòng)件精度高，沒(méi)有設(shè)置進(jìn)給箱、變速箱和溜板箱。除了這些措施外，為補(bǔ)償機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差產(chǎn)生的螺距加工誤差，還采用如圖11所示誤差校正機(jī)構(gòu)，使傳動(dòng)鏈得到一個(gè)附加運(yùn)動(dòng)來(lái)抵消傳動(dòng)誤差。其原理就是用該機(jī)構(gòu)人為的造就一種誤差，去補(bǔ)償或抵消機(jī)床原有的相反方向的誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

圖11 絲桿螺距誤差校正裝置原理圖

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，精密零件的加工精度要求不斷提高。精密機(jī)床是保證精密加工零件達(dá)到所要求精度和表面質(zhì)量的手段。從分析精密零件加工工藝中，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)床的靜動(dòng)態(tài)性能、微量進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、定位檢測(cè)、誤差的補(bǔ)償及分度等問(wèn)題是解決精密零件精度的關(guān)鍵。