刀具安裝偏差對數(shù)控車削加工精度的影響

張報山 裴 毅

(①郴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南郴州423000；①湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長沙 410128)

很多從事數(shù)控車削加工的人員在進(jìn)行數(shù)控加工過程中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)這么一個問題，即在加工前確認(rèn)已按要求進(jìn)行了精確對刀，可當(dāng)自動加工完畢后卻發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的徑向尺寸超差了，并且在徑向尺寸大小不一的部位所產(chǎn)生的偏差大小也各不一樣。這個問題一直困惑著不少的數(shù)控車削加工人員，其根源到底是因為刀具磨損過快、對刀不準(zhǔn)確還是機床本身的精度不夠呢？不少人在替換加工刀具、認(rèn)真細(xì)致地進(jìn)行精確對刀，甚至在換了精度更高的機床后，同樣的問題還是出現(xiàn)了。筆者在碰到這個問題的時候也彷徨了很久，通過多方位的研究，把刀具磨損、對刀精度及機床精度等各個因素都一一排除了，最后發(fā)現(xiàn)該問題的出現(xiàn)是因為數(shù)控車床中所安裝刀具的刀尖未能等高于主軸的回轉(zhuǎn)中心而造成的。數(shù)控車床中所安裝刀具的刀尖未等高于主軸的回轉(zhuǎn)中心時為什么會造成這樣的偏差？其影響有多大？應(yīng)如何解決呢？這幾個問題正是本文重點研究的內(nèi)容。

1 造成偏差的原因

眾所周知，在進(jìn)行數(shù)控車削加工時，加工刀具僅在XZ平面上按照數(shù)控加工程序所指定的路線作二維曲線運動，即刀尖點只在某一高度進(jìn)行水平移動，如圖1所示。

當(dāng)?shù)都恻c與主軸的回轉(zhuǎn)中心處在同一高度(圖2)時，若車刀沿工件徑向(即X負(fù)方向)切入長度L，則切入線的起點A、終點B及回轉(zhuǎn)中心O都將在同一水平線上。根據(jù)數(shù)控加工原理(通常以主軸回轉(zhuǎn)中心為工件原點)可知，外圓1和2的理論直徑差ΔX=2L，實際直徑差ΔΦ=2r1-2r2。由圖中可看出，L=r1-r2，即有ΔX-ΔΦ=0，無徑向尺寸偏差。

當(dāng)?shù)都恻c與主軸的回轉(zhuǎn)中心未在同一高度時，車刀切入時的起點A、終點B及回轉(zhuǎn)中心O構(gòu)成的是一個三角形，如圖3所示，r1、r2、L分別為該三角形的三條邊，很明顯r1-r2≠L，且有r1-r2＜L，即兩個圓柱的實際直徑差ΔΦ≠ΔX，出現(xiàn)徑向尺寸偏差Δδ，Δδ=ΔX-ΔΦ。根據(jù)圖形分析可看出，只要刀尖點與主軸的回轉(zhuǎn)中心未在同一高度，即h≠0，偏差Δδ就必然出現(xiàn)。很明顯，該徑向尺寸偏差是受刀具安裝偏差大小影響而形成一個系統(tǒng)性誤差，它與機床精度、刀具磨損、對刀精度都無關(guān)，對數(shù)控加工的徑向尺寸精度有很大的影響，因此必須采取妥善的辦法予以消除。

2 偏差分析

如圖3所示，當(dāng)?shù)都恻c與主軸回轉(zhuǎn)中心不在同一高度時，切入線的起點A、終點B及回轉(zhuǎn)中心O將構(gòu)成一個三角形，該三角形的三條邊分別對應(yīng)工件兩個不同外圓1、2的實際半徑r1、r2和刀具的徑向(X方向)水平移動距離L。根據(jù)數(shù)控加工原理(以主軸回轉(zhuǎn)中心為工件原點)及圖形分析可得，工件半徑 r1=，r2=，很明顯外圓直徑Φ1=2r1≠X1，Φ2=2r2≠X2，理論上在外圓 1 處將產(chǎn)生徑向尺寸偏差 δ1=Φ1-X1=2-X1，在外圓2處將產(chǎn)生徑向尺寸偏差δ2=Φ2-X2=2-X2。理論徑向尺寸偏差δ與對應(yīng)圓柱面直徑Φ及刀尖相對于回轉(zhuǎn)中心的高差h之間的關(guān)系見附表1(δ偏差對應(yīng)分析表)，由表中數(shù)據(jù)可看出，偏差δ的大小隨h的大小而變，且h不變的情況下在徑向尺寸Φ不一樣的部位所產(chǎn)生的偏差也不一樣；同時也可看出，該偏差的數(shù)值還不小，大于工件上一般的尺寸允許偏差要求，不進(jìn)行有效處理勢必將影響工件的加工質(zhì)量。

由于在生產(chǎn)中通常都采用試切法對刀，即以試切的圓柱面所對應(yīng)的直徑值Φ為刀尖在該處的X值，即在試切部位的實際偏差Δδ0=Φ-X=0，該部位徑向尺寸偏差已在對刀過程中被自動補償。如圖3所示，假設(shè)外圓1是對刀時的試切圓柱面，則將認(rèn)定X1=Φ1=2r1，即Δδ1=0，若以此對刀數(shù)據(jù)加工外圓2，在外圓2處所產(chǎn)生的徑向尺寸實際偏差為Δδ，則有Δδ=ΔX- ΔΦ = δ2- δ1=［2- X2］-［2-X1］。

表1 理論徑向尺寸偏差δ對應(yīng)分析表

3 解決辦法

從以上分析可知，只要數(shù)控車床刀具的刀尖不等高于回轉(zhuǎn)中心，這種偏差就必然存在，且高差越大，產(chǎn)生的偏差也越大。為了保證工件加工的準(zhǔn)確性，在條件允許的情況下，首先應(yīng)盡量避免這種偏差的影響，即在安裝刀具時應(yīng)盡可能保證車刀刀尖能等高于回轉(zhuǎn)中心。

在安裝條件不夠，即不能保證刀尖等高于回轉(zhuǎn)中心時，必須從另外的角度進(jìn)行解決。由于數(shù)控加工狀態(tài)是由數(shù)控加工程序及對刀數(shù)據(jù)所決定的，根據(jù)偏差Δδ形成的特點，在進(jìn)行實際加工中可參照以下兩種方法進(jìn)行選擇性處理：

(1)當(dāng)工件某道工序的精加工部位徑向尺寸無變化或變化不大，即工件各部位產(chǎn)生的偏差基本一致，相對偏差保持在允許范圍之內(nèi)時，只要將所測算的平均偏差Δδ在相應(yīng)刀具的對刀參數(shù)中進(jìn)行參數(shù)補償即可實現(xiàn)該偏差的修正，其它加工要求不變。如圖4a中工件所示，假設(shè)對刀試切圓直徑約70 mm，h約1.5 mm，則在Φ48 mm處的Δδ偏差約為+0.029 mm，在Φ44 mm處的 Δδ偏差約為 +0.037 mm，平均偏差為 +0.033 mm，兩者與其平均偏差的偏差僅有0.004 mm，在一般的產(chǎn)品加工中該偏差值可忽略不計，故以平均偏差替代即可滿足加工要求。此時只要在圖5所示的對應(yīng)刀具刀偏數(shù)據(jù)的X值上減去平均偏差值+0.033 mm即可實現(xiàn)對該偏差的修正。

(2)若所加工工件的徑向尺寸變化較大，如圖4b工件所示，由于工件各部位偏差大小不一且相差較大(假設(shè)對刀試切圓直徑約70 mm，h約1.5 mm，則在Φ68 mm處的Δδ偏差約為+0.002 mm，在Φ40 mm處的Δδ偏差約為+0.046 mm，在Φ20 mm處的Δδ偏差約為+0.156 mm，三者的平均偏差為“ +0.068 mm”，Φ20 mm處與該平均偏差的偏差達(dá)0.088 mm)，很明顯若只調(diào)整其一，必然會顧此失彼，取其平均偏差替代也將超差，方法(1)已不能滿足偏差修正要求。此時必須通過對加工程序的有關(guān)徑向尺寸進(jìn)行偏差補償，即直接對加工程序上各部位的精加工徑向尺寸數(shù)據(jù)按該處可能出現(xiàn)的偏差值Δδ進(jìn)行調(diào)整，即差多少就補償多少，具體調(diào)整方法可見表2。只有這樣才能保證不同尺寸的部位所形成的不同偏差都能得到合適的補償，才能同時滿足各部位的加工要求。

表2 圖4b所示工件精加工程序調(diào)整前后對比表

4 結(jié)語

上述方法在生產(chǎn)實踐得到了驗證，為解決因刀具安裝精度不夠而造成工件加工尺寸精度受影響這一問題提供了一條切實可行的途徑，對企業(yè)的生產(chǎn)有一定的促進(jìn)作用，具有一定的社會推廣意義。

［1］陳向榮，張報山，等.數(shù)控編程與操作［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［2］刀具幾何參數(shù)對數(shù)控車床加工精度的影響.中國金屬加工在線，2006(4).

［3］劉雄偉.數(shù)控機床編程與操作［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.