機床導軌偏差對機械加工精度的影響與原因分析

楊雙江

摘要：機床導軌有無偏差直接影響到機械加工精度，機床導軌出現偏差會降低導軌導向精度，進而無法保證機械加工精度。不同的機床類型、加工方式以及零件特征，導軌偏差導致的精度誤差也是各不相同，通過車床加工軸類零件時，Δz方向不會出現偏差，但是在Δx以及Δy方向會出現偏差，而加工絲桿零件時，在Δx、Δy、Δz三個方向都會產生加工偏差。機床導軌偏差的出現主要是因為導軌運動磨損、機床的安裝以及導軌的熱變形三個方面。

關鍵詞：機床導軌;偏差;加工精度

0? 引言

機床導軌是機床設備正常運行中非常重要的一個部件，是將某些機構依照導軌路線精準輸送到指定位置的載體，也是確保機床加工中主要部件相對位置不改變的重要前提，是開展機床加工的主要基準。假如機床導軌出現偏差時，就會導致移動部件在運動過程中與固定部件的相對坐標產生改變，影響了部件運動的尺寸精確性，從而導致加工完成的零部件不滿足標準要求。所以，機床導軌誤差是影響零部件加工精度的主要因素，在機床總體誤差中也占據了較大成分，加強控制機床導軌偏差對于提高機械加工精度十分重要。

為此，本文以構建導軌導向的數學誤差模型為基礎，探討了導軌誤差與零部件加工精度的相互關系，尋找出機床出現導軌誤差的根本原因，在機械加工過程中采取有效的措施給予避免，從而提高機床機械加工品質。

1? 構建導軌導向誤差的數學模型

導軌導向精度表示為跟隨導軌共同運動的副運動部件實際和理論運動路徑之間的偏差程度，將兩者的數據相減就是導向偏差。

為了更好的探究機床加工過程中實際導向偏差的大小，在機床上設定一個位置不變的直角坐標系P[o，x，y，z]，初始點0與加工偏差的度量基準保持相對固定關系，并共同依附在導軌y軸指定位置上。于此同時在導軌運動平臺上設置一個直角坐標系P1[o，x′，y′，z′]以及一個輔助直角坐標系P2[o，x″，y″，z″][1-2]。初始點o1以及基準軸的確定需要依照導軌誤差測量方向。輔助坐標系以及固定坐標系的方向要保持一致，并保證各個軸線保持平行關系，在導軌線性運動過程中不會產生轉動。如圖1所示為導軌輔助坐標系示意圖。

2? 機床導軌誤差對加工精度的影響

機床導軌導向偏差根據機床類型、加工方式不同也會產生不同的影響，最終產生的加工偏差也不相同。

在使用車床進行軸類零部件加工時，Δz方向不會出現加工偏差，但是在Δx以及Δy方向會出現相對偏差，此時ΔRx=Δx、ΔRy≈（Δy）2/D[3]，如圖2所示為導向偏差對外圓周加工影響示意圖。ΔRy是建立在ΔY基礎出現的二次誤差，因此其產生的誤差影響微乎其微。

對圖2進行分析可以得出，該公式中H表示中心高度，B表示導軌寬度，γ表示導軌擺角，δ表示導軌扭曲程度[4]。通常情況下，普通車床高：寬=2：3，外圓磨床高與寬比例接近1：1，可見這個誤差會降低機床加工精度。

在使用普通車床進行絲桿零部件加工時，Δx、Δy、Δz三個方向都會產生加工偏差，主要表現為螺紋導程偏差以及螺紋牙尺寸偏差。出現牙形尺寸與圖紙要求不符的原因是，成形車刀各個切削點在坐標系中的位置無法做到全部相同，假如車床導軌產生角位移偏差時，就會引起刀具切削點線性偏差[5]。如圖3所示為車削絲桿部件的導軌副坐標系示意圖。

3? 導軌誤差產生的原因分析

3.1 導軌運動磨損

機床導軌在往復運動過程中，導軌與導軌副之間會產生一定的磨損，導軌副各個地方的磨損量不一致時，就會導致直線度以及垂直度誤差，嚴重影響到機床自身的導向精度，從而造成加工精度降低，難以保證尺寸精度要求。機床導軌磨損的大小受到了機床連續工作時間、工作環境溫度以及零件加工類型等因素的影響。

比如說傳統的車床在進行車削工作時，產生的切削力主要傳遞到導軌的前部分，因此，在長期工作中會使得前部導軌的磨損較大。對傳統車體進行實際測量可以得知，在正常兩班倒工作體系下，車床使用12個月以后前部導軌的最大磨損量可以達到0.06mm，而對于經常從事粗加工的機床來說磨損量更大，最大能夠達到0.13mm，此外，一些主要進行鑄鐵件加工的車床，前部導軌磨損量還會進一步加大[6]。于此同時，機床導軌中每個區間應用頻率以及工作強度不同，也會導致個別位置導軌誤差較大。通常情況下車床主軸線附近的導軌磨損量最大，而尾架附近的導軌磨損量最小。鋸床工作中一般處于導軌中部位置，所以鋸床導軌中間位置的磨損量比兩端都要大。

3.2 機床的安裝

機床安裝以及安裝場地的地基情況都會對機床加工精度產生較大影響，這是因為當機床安裝中四個支點不處于同一個水平面，或者安裝時處于同一水平面，但是由于地基不牢固、下沉等原因，在后期也會導致各個支撐點高度不一致，從而導致機床導軌產生扭曲或者變形，降低機床導軌導向精度，進而影響機床加工精度。

比如說兩個支撐點距離為1米的車床設備，當安裝面不平整時，對導致機床導軌產生0.19mm的扭曲誤差。此外，對于一些高精密機床、重型機床等，微小的安裝誤差會給機床精度產生更大的影響。而對于一些安裝尺寸較大的龍門銑床、導軌磨床等，由于機床自身長度非常長，剛度較差，受到自身重力因素的影響，在長時間使用中也會產生下垂，從而導致導軌變形或者扭曲。

3.3 導軌的熱變形

機床在進行工件加工時，運動副需要在導軌上做高速往復運動，必然會產生較大的摩擦熱量，隨著溫度的升高，導軌會產生熱膨脹，造成導軌導向精度降低，目前導軌受熱變形也是機床導軌偏差產生的重要原因。一些大型的、高精密的機床，當導軌出現熱變形時，會嚴重影響到機床的加工精度。比如說大型龍門刨床，其長度與寬度分別為10m、0.8m，當導軌持續受熱，自身溫度超過周圍環境溫度1℃時，導軌受熱變形產生的變形量就可以達到0.2mm，這樣的誤差范圍等同于整個導軌的精度誤差總和了[7]。

4? 結語

綜上所述，機床導軌偏差嚴重影響到機床加工精度，在一些大型機床、高精度機床上，導軌偏差產生的加工誤差更為明顯，為了降低機床導軌偏差對加工精度的影響，可以從降低導軌運動磨損、提高機床安裝精度以及控制導軌溫度三個方面進行。

參考文獻：

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