異形零件加工精度提升探索

寧夏小巨人機(jī)床有限公司 (銀川 750002)陳 斌 宋學(xué)寧 徐 杰

任何機(jī)床機(jī)械部分高精度是一切設(shè)計(jì)制造的最理想狀態(tài)，而實(shí)際的工作母機(jī)固有精度就決定生產(chǎn)零件加工精度。再者，機(jī)床不論精度高與低，經(jīng)過(guò)一定年限的使用，自然磨損、操作不當(dāng)撞機(jī)精度修復(fù)等，都會(huì)出現(xiàn)精度下降、或者在一定程度上無(wú)法修復(fù)。那么，依靠原有的加工方法、夾具，要加工理想的零件，就會(huì)遇到很多困難，并且不能達(dá)到目的。

本文基于以上問(wèn)題，與生產(chǎn)實(shí)際相接合，來(lái)介紹在異形零件加工精度提升方法上取得的經(jīng)驗(yàn)成果。

從大量的數(shù)據(jù)中進(jìn)行分析，可得出影響加工精度的因素:工藝、設(shè)備、環(huán)境、人員和材料。

1.材料對(duì)加工精度的影響

材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)分子，受溫度變化影響，在一定的范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)變化，就會(huì)影響零件精度。如毛坯材料從-15℃轉(zhuǎn)入20℃環(huán)境進(jìn)行加工，沒(méi)有恒溫處理，和恒溫24h 后再次測(cè)量，結(jié)果將會(huì)發(fā)生大的變化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出:粗加工后材料必須恒溫8h，精加工后送檢前恒溫5h。

2.環(huán)境溫度對(duì)機(jī)床的影響

機(jī)床開機(jī)前處于冷狀態(tài)，開機(jī)后經(jīng)過(guò)局部短時(shí)間運(yùn)作就會(huì)出現(xiàn)機(jī)床內(nèi)部各部件的溫差，產(chǎn)生熱變形;在加工過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)部件的移動(dòng)、切削等都會(huì)產(chǎn)生熱量，且溫度分布不均勻，造成溫差，使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生熱變形，這些都會(huì)影響零件加工精度。采用暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、采用樣件不斷擴(kuò)孔、向里繼續(xù)切面的方法驗(yàn)證機(jī)床狀態(tài)和補(bǔ)正過(guò)程實(shí)施，來(lái)保證加工精度。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出:機(jī)床開機(jī)后必須做3h 熱運(yùn)轉(zhuǎn)，并且在一個(gè)精加工時(shí)期，機(jī)床需要處于24h 運(yùn)作狀況，使用樣件加工的方法檢驗(yàn)機(jī)床的狀態(tài)!

3.設(shè)備精度對(duì)加工精度的影響

機(jī)床的精度包括幾何精度、傳動(dòng)精度、定位精度及工作精度等。而機(jī)床的加工精度是衡量機(jī)床性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。所以機(jī)床本身的精度又是影響加工精度的一個(gè)重要的因素。以下因素都會(huì)影響到零件的加工精度:由于切削力、夾緊力的作用，機(jī)床的零、部件會(huì)產(chǎn)生彈性變形;在機(jī)床內(nèi)部熱源(如電動(dòng)機(jī)、液壓傳動(dòng)裝置的發(fā)熱，軸承、齒輪等零件的摩擦發(fā)熱等)以及環(huán)境溫度變化的影響下，機(jī)床零、部件將產(chǎn)生熱變形;由于切削力和運(yùn)動(dòng)速度的影響，機(jī)床會(huì)產(chǎn)生振動(dòng);機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件以工作速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)面之間的油膜及其他因素的影響，其運(yùn)動(dòng)精度也與低速下測(cè)得的精度不同;所有這些都將引起機(jī)床精度的變化，影響工件的加工精度。

再者，機(jī)床不論精度高與低，經(jīng)過(guò)一定年限的使用，自然磨損、操作不當(dāng)撞機(jī)精度修復(fù)等，都會(huì)出現(xiàn)精度下降、或者在一定程度上無(wú)法修復(fù)。那么，依靠原有的加工方法、夾具，要加工理想的零件，就會(huì)遇到很多困難，并且不能達(dá)到目的。如圖1所示。

圖1 設(shè)備的影響

小結(jié):使用比零件加工精度更高一級(jí)的設(shè)備，還需要定期點(diǎn)檢設(shè)備，掌握設(shè)備的狀態(tài)，可有效保證加工精度。

4.人、夾具、刀具對(duì)加工精度的影響

(1)人的因素影響 在工藝因素影響中占之首，因?yàn)樗械淖鳂I(yè)過(guò)程都需要人來(lái)完成。即加工方法本身是相關(guān)的工藝人員按照自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的合理化安排，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)需要再依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷和處理，所以加工人員必須長(zhǎng)期穩(wěn)定，也就是相關(guān)經(jīng)驗(yàn)保留和傳承。以QTN200 主軸頭裝夾過(guò)程為例說(shuō)明人的因素影響，如果不按照步驟進(jìn)行，就會(huì)造成裝夾變形問(wèn)題，出現(xiàn)不合格，如圖2 所示。

圖2

小結(jié):有經(jīng)驗(yàn)豐富的加工人員，才會(huì)有合理的工藝方案。

(2)夾具因素的影響 同樣也是關(guān)鍵因素。夾具自身的精度若不好，工件在裝夾過(guò)程中，如果工件剛度較低或夾緊力的方向和施力點(diǎn)選擇不當(dāng)，將會(huì)因夾具精度引起工件變形，造成相應(yīng)的加工誤差;若夾具的剛性、強(qiáng)度不好，工件在實(shí)際加工中，受到加工力的影響，出現(xiàn)夾具內(nèi)部的變形及振動(dòng)傳遞，造成相應(yīng)的加工誤差，如日常中所說(shuō)的夾具弱等。如圖3 所示。

小結(jié):提高夾具剛性、強(qiáng)度及自身精度，減小加工中的振動(dòng)，可減小因夾具方面造成的精度不良。

(3)刀具因素的影響 加工刀具將直接影響到工件的尺寸精度和表面粗糙度，如圖4 所示。

所以在刀具方面需要注意:刀具的剛性問(wèn)題就會(huì)造成加工顫動(dòng)，影響平面度，在滿足加工要求的

圖3 夾具因素對(duì)加工精度的影響

圖4

前提下，刀具越短越好;選擇復(fù)合和成形刀具，降低加工難度;刀具磨損到一定程度需要立即更換和調(diào)整;盡量是刀具的長(zhǎng)度保持一致性，以彌補(bǔ)設(shè)備狀態(tài)的一些問(wèn)題，如圖5 所示。

圖5 刀具的影響

小結(jié):實(shí)際加工中選擇合適的精加工刀具，針對(duì)加工狀況及時(shí)更換和調(diào)整刀具，將會(huì)減少因刀具因素造成的精度不良。

以上三方面從人、夾具、刀具方面闡述了工藝對(duì)異形零件的加工精度的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中，并不是很容易一次加工合格，會(huì)出現(xiàn)反復(fù)修正，致使工時(shí)浪費(fèi)、工件廢棄，制造成本上升，生產(chǎn)周期無(wú)法滿足等;下面主要針對(duì)彌補(bǔ)工藝因素帶來(lái)的異形零件精度不合格總結(jié)出的一些經(jīng)驗(yàn)辦法——逆向思維考慮，反向插補(bǔ)的方法。

5.反向插補(bǔ)法的基本思想

以三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)，逆向思維考慮、反向補(bǔ)正控制加工的方法，其核心思想是:

(1)原加工工件的精度狀況，反映機(jī)床精度。

(2)依據(jù)圖樣信息，建立測(cè)量基準(zhǔn)(測(cè)量基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)重合原則)，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量出相對(duì)基準(zhǔn)在兩個(gè)坐標(biāo)軸上的絕對(duì)分解值，獲得數(shù)據(jù)信息。

(3)以測(cè)量獲得的絕對(duì)數(shù)據(jù)反補(bǔ)加工程序校正精度面存在的誤差，從而保證高精密零件的制造精度。

6.反向插補(bǔ)的加工過(guò)程

在高精度的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器的幫助下，利用DOLD VAST 探頭高速掃描測(cè)量能力，實(shí)時(shí)的曲線和數(shù)據(jù)反饋，為此方法的成功運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)。工件的實(shí)時(shí)測(cè)量是非常困難的，此反向插補(bǔ)的補(bǔ)償加工只采用誤差記憶控制方式，位置誤差和形狀誤差反饋來(lái)自加工后的工件測(cè)量結(jié)果。

(1)直線反向插補(bǔ) 直線插補(bǔ)分別運(yùn)用解決零件的平行和平面度問(wèn)題，主要解決受刀具的剛性和機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度不良的影響。

對(duì)剛加工完成的工件，可通過(guò)打表找正法，確認(rèn)其加工的平行狀況，在不能達(dá)到要求的情況下，通過(guò)機(jī)床的行程來(lái)確定偏移量，或者通過(guò)三坐標(biāo)的測(cè)量，根據(jù)相對(duì)的距離值來(lái)確定其偏移量，將偏移量補(bǔ)正到加工程序中去;直觀地?cái)⑹鼍褪窃谥本€加工不能滿足要求時(shí)根據(jù)補(bǔ)正偏移量偏執(zhí)為斜線加工。

同樣的方法解決加工平面度問(wèn)題，不能滿足要求時(shí)運(yùn)用數(shù)控機(jī)床的三軸聯(lián)動(dòng)走刀，根據(jù)測(cè)量反饋的變化趨勢(shì)采用相對(duì)反方向補(bǔ)正加工法補(bǔ)入程序中。

采用直線反向插補(bǔ)，在很大程度上可以解決機(jī)床各軸直線度造成的加工不良問(wèn)題和受刀具剛性不良或進(jìn)刀點(diǎn)的讓刀造成的問(wèn)題。如圖6 所示。

(2)圓弧面反向插補(bǔ)和軸心同心反向插補(bǔ)這兩種方法的配合運(yùn)用主要可以解決工件的軸線與端面的垂直和孔與孔的不同心問(wèn)題(完全可以忽略加工設(shè)備各軸的角度)。起因分為機(jī)床的精度下降和主軸拉緊力下降或刀具自重偏大帶來(lái)加工精度的影響。

圖6 實(shí)現(xiàn)各軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)，導(dǎo)軌平面凹形插補(bǔ)

以QTN200 主軸頭為例說(shuō)明此方法，首先選用圖樣中的基準(zhǔn)為測(cè)量基準(zhǔn)，消除或盡量減小測(cè)量空間計(jì)算時(shí)投影關(guān)系的影響如圖7 所示。

圖7 坐標(biāo)軸建立

測(cè)量出各孔心相對(duì)坐標(biāo)軸在各個(gè)方向的分解適量值，如圖8 所示。

圖8 分解值

補(bǔ)正基準(zhǔn)A 面與軸線的垂直:因?yàn)锳 面是測(cè)量基準(zhǔn)面，不能補(bǔ)正;測(cè)量與加工坐標(biāo)軸的建立相反，所以依據(jù)φ240mm 孔坐標(biāo)值反方向補(bǔ)正X 向(圖示方向補(bǔ)正):-1μm，Z 向:+2μm，即采用掰孔心坐標(biāo)辦法，保證軸線與基準(zhǔn)面的垂直，如圖9 所示。

圖9

補(bǔ)正B 面與軸線的垂直:由于A 面與軸線已經(jīng)確定，只有在B 面上進(jìn)行插補(bǔ)補(bǔ)正面，同時(shí)也需要考慮判斷軸線相對(duì)B 面的偏斜量，插補(bǔ)的平面B 要是平滑過(guò)渡面，以保證平面度，還需要考慮與A 面的平行問(wèn)題。即修正面的辦法，保證軸線與B 面的垂直。插補(bǔ)面也就是圓弧面反向插補(bǔ)，是將平面由上下左右分為四點(diǎn)，檢測(cè)數(shù)值可直觀反映出其與理想平面實(shí)際狀況，然后采用G 代碼的定點(diǎn)功能，運(yùn)用三軸聯(lián)動(dòng)反向方法切除，以達(dá)到理想平面。如圖10 所示。

圖10 反補(bǔ)面

軸心同心反向插補(bǔ)是取一基準(zhǔn)孔心作為參考，測(cè)量出其他孔心在X/Y 兩個(gè)方向上的偏心量，并對(duì)X/Y 反方向進(jìn)行孔心坐標(biāo)的補(bǔ)正，以獲得好的同心度。其可解決由于主軸拉緊力下降或刀具自重偏大，造成的同一位置鏜孔偏心問(wèn)題。如圖11 所示。

圖11 同軸補(bǔ)正

(3)分度反向插補(bǔ) 分度反向插補(bǔ)是通過(guò)檢測(cè)結(jié)果的反饋，對(duì)原有的角度根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行角度插補(bǔ)，消除數(shù)控機(jī)床第四軸(B 軸)的分度不到位或者反向間隙等因素造成的影響，以達(dá)到偏轉(zhuǎn)角度，解決垂直度等問(wèn)題。如圖12 所示。

角度每旋轉(zhuǎn)0.001°，在100mm 范圍內(nèi)變化0.01mm。

小結(jié):利用逆向思維考慮，反向插補(bǔ)的方法可以有效保證異形零件的加工精度。

7.研究零件加工精度的方法

研究零件加工精度的方法有統(tǒng)計(jì)分析法和實(shí)踐處理法。當(dāng)工件發(fā)生不合格后，首先不要盲目地修正或者補(bǔ)正，必須針對(duì)工藝要求的各個(gè)項(xiàng)目做數(shù)據(jù)收集，分析判斷該不合格項(xiàng)目的穩(wěn)定性以及原因所在，在原因分析上，應(yīng)遵循由簡(jiǎn)單易控到復(fù)雜不可控這個(gè)流程，一一分析和排除;并對(duì)分析統(tǒng)計(jì)得出的問(wèn)題總結(jié)，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)實(shí)踐驗(yàn)證。

8.結(jié)語(yǔ)

異形零件精度加工合格控制流程如下:①粗加工后恒溫8h。②精加工前環(huán)境溫度(20 ±1)℃，超溫加工就會(huì)出現(xiàn)不合格。用廢棄的零件，按照程序擴(kuò)孔加工，驗(yàn)證機(jī)床的狀態(tài)和對(duì)不良項(xiàng)目提前修正。④精加工刀具每周或者根據(jù)加工狀態(tài)更換1 次，并進(jìn)行相關(guān)精度確認(rèn)。⑤量具使用1h 前恒溫。送檢前恒溫5h (20 ±1)℃環(huán)境溫度的要求中。實(shí)施改進(jìn)驗(yàn)證的步驟如圖13 所示。

圖12 分度的反向插補(bǔ)

圖13

異形零件加工精度合格結(jié)論(經(jīng)驗(yàn)方法)為:合格零件=穩(wěn)定的高精度機(jī)床+穩(wěn)定的環(huán)境溫度(20)+固定人員+穩(wěn)定的工藝、夾具+反向插補(bǔ)法。