插齒機(jī)插削加工熱穩(wěn)定性研究

羅天元 羅成 盧宇 陳曉莉

摘 要：為了提高插齒機(jī)插削時(shí)零件尺寸的穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)插齒機(jī)加工跟蹤研究，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的需要，初步建立了一個(gè)誤差補(bǔ)償模型，針對(duì)不同環(huán)境、不同工況填入相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)即可保證加工尺寸的穩(wěn)定性。最后，通過(guò)某公司老式的高精度小模數(shù)數(shù)控插齒機(jī)為實(shí)例，對(duì)其進(jìn)行了熱穩(wěn)定性測(cè)量，證明了該方法容易實(shí)施，有效可行，保證了工件尺寸的一致性穩(wěn)定性，提高了插齒機(jī)的工序能力指數(shù)，滿足了批量生產(chǎn)加工需求。同時(shí)，該方法對(duì)插齒機(jī)的設(shè)計(jì)制造具有重要的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：插齒機(jī)；熱穩(wěn)定性；熱補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.24.092

目前插齒機(jī)仍然廣泛應(yīng)用于加工小孔內(nèi)齒輪以及臺(tái)階齒輪，其加工通用性強(qiáng)，精度較高。但由于小孔內(nèi)齒輪因其本身模數(shù)小，分度圓小，齒輪跨棒距要求在0～0.03mm以內(nèi)，尺寸要求比較嚴(yán)格，基于用戶現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，隨著環(huán)境溫度的不同以及切削工況不一樣，機(jī)床的熱機(jī)時(shí)間各異，有時(shí)甚至為了保證機(jī)床熱機(jī)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)需要非常長(zhǎng)的時(shí)間。所以，從冷機(jī)到熱機(jī)的一段時(shí)間內(nèi)，工件的加工尺寸一直在變化，導(dǎo)致部分零件報(bào)廢，影響了零件產(chǎn)出。在加工過(guò)程中也需要時(shí)刻檢測(cè)零件尺寸，反復(fù)修改機(jī)床進(jìn)刀參數(shù)，直到尺寸合格為止，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。長(zhǎng)時(shí)間的熱機(jī)程序也導(dǎo)致了機(jī)床以及能源的消耗，增加成本。研究插齒機(jī)熱穩(wěn)定性對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 插齒機(jī)熱變形產(chǎn)生的原因

插齒機(jī)加工時(shí)是通過(guò)刀具的上下切削運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具對(duì)工件的切削，如圖1所示，插齒刀每次空行程退刀時(shí)為避免刀具和齒輪已加工表面進(jìn)行摩擦，刀具有遠(yuǎn)離工件的讓刀運(yùn)動(dòng)，刀具的進(jìn)給是通過(guò)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)刀具部件進(jìn)給實(shí)現(xiàn)的。從圖中可以分析出，刀具與工作的相對(duì)位置與讓刀運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性有關(guān)，與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性有關(guān)，同時(shí)，工件與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都在一個(gè)基體上實(shí)現(xiàn)，所以工件和刀具的相對(duì)位置與基體的穩(wěn)定性有關(guān)。

2 插齒機(jī)誤差補(bǔ)償分析模型

2.1 讓刀機(jī)構(gòu)熱變形量

插齒機(jī)的讓刀運(yùn)動(dòng)普遍采用凸輪滾子進(jìn)行讓刀，彈簧進(jìn)行復(fù)位的方式。如圖2所示，由于插齒機(jī)切削方式為斷續(xù)切削，切削受力變化比較大，為了保證準(zhǔn)確的讓刀運(yùn)動(dòng)，凸輪與滾子必需保持嚴(yán)格接觸，因此，彈簧具有很高的彈簧剛度，從而導(dǎo)致凸輪和滾子受力較大，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行凸輪和滾子摩擦發(fā)熱產(chǎn)生熱膨脹，使刀具的軌跡發(fā)生變化，影響到零件加工尺寸。則讓刀機(jī)構(gòu)熱變形量為：

2.2 基座熱變形量

插齒機(jī)的基座即支撐工件又支撐整個(gè)刀具移動(dòng)部件，如圖2所示，理論設(shè)計(jì)上刀具和工件的相對(duì)位置是由進(jìn)給系統(tǒng)直接決定的，但是由于基座需收集切削并排除切削，切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，同時(shí)基座還承受著切削力，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行將使部分熱量傳遞到了基座上，使基座生產(chǎn)熱變形，改變了工件與刀具的相對(duì)位置，影響到零件加工尺寸。則基座熱變形量為：

2.3 插齒機(jī)誤差求解

插齒機(jī)理論位移量S與機(jī)床的進(jìn)給量X是一致的，但是受熱變形影響，S修正如下：

通過(guò)在數(shù)控系統(tǒng)里植入一個(gè)關(guān)于K的補(bǔ)償系數(shù)，K設(shè)定為插齒機(jī)從冷機(jī)狀態(tài)到熱穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。

2.4 變形量值的確定

由于機(jī)床所處的加工外部環(huán)境不同，零件以及對(duì)應(yīng)不同的加工參數(shù)導(dǎo)致補(bǔ)償系數(shù)K設(shè)定不一樣。因此，很難在機(jī)床里預(yù)先設(shè)定K值，需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)床達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間來(lái)設(shè)定K值。由于機(jī)床結(jié)構(gòu)部件比較多，傳動(dòng)復(fù)雜，機(jī)床的整體熱變形量很難直接就表達(dá)出來(lái)，需根據(jù)機(jī)床的初始狀態(tài)與熱穩(wěn)定狀態(tài)的變化來(lái)確定變形量1、2。如圖3所示，在機(jī)床中固定兩個(gè)千分表，表一的表座吸在導(dǎo)軌上，用千分表檢測(cè)進(jìn)給值與理論值的誤差ΔX，表三的表座吸在刀頭固定部分，用千分表檢測(cè)刀具穩(wěn)定運(yùn)行后的變形量1。通過(guò)表二測(cè)量加工齒輪的跨棒距M值，可以很快得出基座的變形量2。如果條件可以，1、2值可通過(guò)激光干涉儀直接測(cè)距得出。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究

以某公司生產(chǎn)的老式高精度小模數(shù)數(shù)控插齒機(jī)為實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)激光干涉儀測(cè)得參數(shù)如表1、表2所示。機(jī)床在加工過(guò)程中隨著加工不斷進(jìn)行，機(jī)床的熱變形比較明顯，按計(jì)算一般齒輪跨棒距變化是機(jī)床熱變形量的1.5～2倍，從表中可以看出，機(jī)床從開機(jī)到熱穩(wěn)定這一段時(shí)間內(nèi)齒輪的跨棒距變化達(dá)到了0.07mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了齒輪允許的變動(dòng)范圍。

根據(jù)測(cè)得的變形量，將1、2值入到系統(tǒng)誤差補(bǔ)償中，設(shè)定誤差補(bǔ)償系數(shù)K值為40，然后對(duì)機(jī)床進(jìn)行重新驗(yàn)證。

在機(jī)床的工況條件以及加工參數(shù)不變的情況下，機(jī)床從冷機(jī)狀態(tài)開始加工零件，連續(xù)加工到50分鐘為止，測(cè)量齒輪的尺寸變動(dòng)誤差即跨棒距M如表3（零件跨棒距要求M=54.163（0～0.03））。

從表中可以看出，將插齒機(jī)進(jìn)行誤差補(bǔ)償后，零件的加工尺寸穩(wěn)定性得到了很好的補(bǔ)償控制，尺寸都在齒輪允許的范圍內(nèi)，滿足了生產(chǎn)的需求。防止因機(jī)床熱變形的影響導(dǎo)致零件報(bào)廢，同時(shí)也避免出現(xiàn)在開始加工過(guò)程中人為不斷測(cè)量零件尺寸，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床在冷、熱機(jī)狀態(tài)下零件加工尺寸不一致性問(wèn)題，提出了一種熱變形補(bǔ)償模型，通過(guò)對(duì)機(jī)床負(fù)載運(yùn)行下熱變形量的測(cè)量以及從初始狀態(tài)到熱穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間的確定，快速確定了機(jī)床系統(tǒng)的補(bǔ)償系數(shù)，避免了機(jī)床各部件以及結(jié)構(gòu)熱變形的復(fù)雜計(jì)算分析，簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)了機(jī)床熱誤差補(bǔ)償，保證了機(jī)床任意時(shí)刻尺寸的穩(wěn)定和一致性。

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