精密機(jī)床升降絲杠加工工藝誤差分析

薛 翰

(惠州市技師學(xué)院 制造工程系，廣東 惠州 516003)

梯形螺紋是一種機(jī)械零件，主要用于傳給(進(jìn)給和升降)和位置調(diào)整裝置中，在機(jī)械行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。梯形螺紋牙型為等腰梯形，牙型角為30°，主要用于傳動(dòng)螺紋。對(duì)于龍門刨銑床，升降絲杠的精度直接影響設(shè)備的質(zhì)量；然而，在生產(chǎn)絲杠的過程中，由于技術(shù)的更新水平、工藝水平的提升不夠，致使升降絲杠的產(chǎn)品報(bào)廢率較高。

針對(duì)上述問題，筆者結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)狀況，進(jìn)行了傳統(tǒng)加工工藝的分析，找出了影響加工精度的主要因素，并進(jìn)行加工工藝試驗(yàn)和工藝調(diào)整，使加工質(zhì)量得到了大幅度提升。

1 升降絲杠的加工工藝要求

企業(yè)所加工龍門刨銑床的升降絲杠簡(jiǎn)圖如圖1所示。

在整部機(jī)床的運(yùn)行中，2根升降絲杠主要功能是同時(shí)快速移動(dòng)銑頭箱達(dá)到指定的位置，又要求同時(shí)快速移動(dòng)的距離準(zhǔn)確，這就要求傳動(dòng)絲杠的累計(jì)誤差精度必須達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)要求。

龍門刨銑床升降絲杠的螺距累計(jì)誤差允差見表1。表1中，長度每增加300 mm，可增加允差0.005 mm。同一機(jī)床的2根升降絲杠相對(duì)誤差允差為0.025 mm。

表1 龍門刨銑床升降絲杠的螺距累計(jì)誤差允差

2 升降絲杠加工工藝誤差分析

企業(yè)目前使用絲杠(機(jī)床CW6136加工生產(chǎn)的絲杠)的相對(duì)誤差和累計(jì)誤差長期處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和機(jī)床的交驗(yàn)合格出廠。

圖1 龍門刨銑床升降絲杠簡(jiǎn)圖

本文對(duì)10件產(chǎn)品進(jìn)行抽樣測(cè)量，300 mm長度的累計(jì)誤差的坐標(biāo)曲線圖如圖2所示。從圖2可以看出，10件絲杠中累計(jì)誤差超差的占40%。由于累計(jì)誤差的不穩(wěn)定直接造成2051升降絲杠相對(duì)誤差不合格率增加，而合格率僅約為10%。

圖2 坐標(biāo)曲線圖

按照華羅庚優(yōu)選法，采用魚刺圖(見圖3[1])找出影響累計(jì)誤差的主要因素。通過對(duì)3批絲杠進(jìn)行測(cè)量分析發(fā)現(xiàn)，造成累計(jì)誤差過大的原因主要有如下2個(gè)方面：1)導(dǎo)軌直線度；2)加工工藝。

圖3 魚刺分析圖

2.1 導(dǎo)軌直線度誤差對(duì)升降絲杠精度的影響

導(dǎo)軌直線度誤差包括水平面內(nèi)直線度誤差和垂直面內(nèi)直線度誤差。

水平面內(nèi)直線度誤差工件與刀具形態(tài)示意圖如圖4所示。導(dǎo)軌水平面內(nèi)直線度誤差在縱向(軸向)車削中，車刀運(yùn)動(dòng)軌跡呈S型與軸線忽前忽后運(yùn)動(dòng)，不能保持與軸線平行。在水平面內(nèi)產(chǎn)生位移Δy，并產(chǎn)生半徑誤差ΔR，誤差≤Δy。

圖4 水平面內(nèi)直線度誤差工件與刀具形態(tài)示意圖

垂直面內(nèi)直線度誤差工件與刀具形態(tài)示意圖如圖5所示。垂直面內(nèi)直線度誤差會(huì)產(chǎn)生刀尖位置的變化，車刀在縱向移動(dòng)中忽高忽低，在導(dǎo)軌的凸凹位置刀尖上下位移量為Δz。垂直面內(nèi)直線度誤差會(huì)造成車刀前后角的變化，向上移動(dòng)可造成車刀前角增大、后角減小，下移時(shí)可造成前角減小、后角增大。車削出現(xiàn)因吃刀大小不一而產(chǎn)生螺距車削誤差。

圖5 垂直面內(nèi)直線度誤差工件與刀具形態(tài)示意圖

2.2 加工工藝對(duì)升降絲杠精度的影響

由于軸的剛度較差，故車削過程中過大的切削力將會(huì)產(chǎn)生過多的切削熱，從而造成工件變形，不能滿足精度要求。

2.2.1 切削力的影響

1)主切削力。主切削力是一種與切削速度方向相同且垂直于基面的力。為此，與車削相關(guān)的是刀具受到垂直向下的壓力。如果刀具的刀體過小或車刀剛度不足都將造成車削時(shí)的反作用力，影響到工件振動(dòng)，車削軌跡也隨之出現(xiàn)不規(guī)則的變化。

2)徑向切削分力。徑向切削分力是在基面內(nèi)與徑向進(jìn)給方向平行的力。它的作用力為工件的徑向。為此，車刀的主偏角越小，徑向力越大。如75°偏刀切削時(shí)徑向力矢量增大，此徑向力必然會(huì)增加工件彎曲的可能，并增大跟刀架后支撐頂?shù)哪Σ粒涌熘雾數(shù)哪p，造成細(xì)長軸中途出現(xiàn)“打嘟嚕”等停車現(xiàn)象。

3)軸向切削力。軸向切削方向分力是在基面內(nèi)與縱向進(jìn)給平行的力，它的切削反作用力即阻力與進(jìn)行方向相反，其可導(dǎo)致刀具產(chǎn)生移動(dòng)，造成尺寸變化。故一般情況下，背吃刀量ap增大一倍，切削力也增加一倍，進(jìn)給量增大一倍，切削力約增加70%。

2.2.2 切削熱的影響

在軸的車削中，切削熱可以使工件軸向延長，如處理不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生工件的徑向跳動(dòng)和工件彎曲。對(duì)于<90°的偏刀車削工件，因徑向分力的增加而使后支撐頂?shù)哪p加大，從而出現(xiàn)細(xì)長軸兩頭小、中間大的狀況。對(duì)于>90°的偏刀車削工件，在背吃刀量ap不變的情況下，由于刀具截面增加，而使切削刃增長，造成切屑變薄，切削熱增加。

3 加工工藝試驗(yàn)和工藝調(diào)整

3.1 導(dǎo)軌直線度誤差調(diào)整[2]

垂直面內(nèi)、水平面內(nèi)直線度誤差示意圖如圖6所示。

圖6 垂直面內(nèi)、水平面內(nèi)直線度誤差示意圖

測(cè)量?jī)x器選用自準(zhǔn)直儀(光學(xué)平直儀)。首先，應(yīng)找到問題點(diǎn)，并確定直線度誤差最大處的位置，共測(cè)量9～10個(gè)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果見表2；然后采取1組4次微調(diào)的方法將機(jī)床導(dǎo)軌垂直面內(nèi)和水平面內(nèi)直線度誤差控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果見表3。由表3可知，調(diào)整后，導(dǎo)軌垂直面內(nèi)和水平面內(nèi)直線度誤差控制在0.04 mm之內(nèi)，滿足精度要求。

表2 導(dǎo)軌直線度誤差測(cè)量數(shù)據(jù) (mm)

表3 調(diào)整后導(dǎo)軌直線度誤差測(cè)量數(shù)據(jù) (mm)

3.2 加工工藝調(diào)整

3.2.1 軸加工工藝

在軸的車削加工中，切削熱和徑向車削分力是工件變形、彎曲、腰鼓和竹節(jié)等現(xiàn)象產(chǎn)生的主要因素。如何合理地選擇切削用量、合理選擇刀具的幾何角度是車削技巧中的基礎(chǔ)要素，是車削加工的核心[3-4]。軸加工工藝調(diào)整如下。

1)刀具的選擇如下：選擇主偏角90°的刀具，γ=10°～30°；車刀前角斷屑槽寬約3 mm，深2 mm；切屑形狀呈螺旋桿狀；斷屑槽底面應(yīng)與+5°刃傾角平行。

2)切削用量的選擇如下：ap=2.5 mm；f=0.3 mm/r；n=130 r/min。

3)為減小因剛度差而造成的振動(dòng)，在光軸的中部應(yīng)配重鉈，起到減振作用。

4)工件超出機(jī)床主軸箱部分應(yīng)配備活動(dòng)支架，以避免擺動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)。

5)細(xì)長軸車削中因切削熱產(chǎn)生的軸向伸長，采用如下方法可避免造成工件彎曲：利用后尾座調(diào)整，將尾座與輪柄停在約2點(diǎn)位置，進(jìn)行調(diào)整；利用可調(diào)活頂尖；工件熱脹時(shí)尾座手柄應(yīng)按順時(shí)針方向輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，套筒移動(dòng)距離以拇指食指在頂尖轉(zhuǎn)動(dòng)部位指力所到頂尖即可停止轉(zhuǎn)動(dòng)為好。

3.2.2 梯形螺紋的加工工藝

3.2.2.1 梯形螺紋粗車

梯形螺紋粗車工藝調(diào)整如下。

1)為減少因切削力過大造成的工件變形，采用高速鋼車刀(W18Gr4V)低速車削。

2)采用大前角螺紋粗車刀(見圖7)。車刀前刀面為圓弧型前角可達(dá)25°[5]，刀頭長度10 mm，刀頭寬度2 mm。

圖7 大前角螺紋粗車刀示意圖

采用直進(jìn)法加左右進(jìn)刀法。順刀方向的主后角為ap=0.1 mm；背刀方向的主后角為ap=0.1 mm。ap=0.1 mm，從第5刀開始采用右進(jìn)刀法加直進(jìn)車削，總計(jì)ap=2 mm。

3)粗車刀的安裝。在螺紋車削過程中由于螺紋升角的作用，車削中出現(xiàn)順刀面前角增大，表現(xiàn)為正切削，而背刀面由于前角減小出現(xiàn)負(fù)前角現(xiàn)象，并產(chǎn)生無規(guī)律的啃刀，造成切削困難，切削熱增加，變形增大；因此應(yīng)以水平安裝為準(zhǔn)，只有水平裝刀法才能保證齒形的正確。而蝸桿粗車刀的安裝一般以垂直安裝為宜。在沒有旋轉(zhuǎn)刀桿的情況下可以通過刀具的刃磨方法獲得，即磨成兩側(cè)切削刃與兩齒面垂直(見圖8)。

圖8 蝸桿粗車刀安裝示意圖

采用法向裝刀的方法，人為地使車刀前刀面向順刀面傾斜一個(gè)螺旋角，則可以大大改善切削條件，減小工件變形。

3.2.2.2 梯形螺紋的精車

梯形螺紋的精車采用雙面吃刀，一次一刀的車削方法，具體如下。

1)由于車刀磨有10°徑向前角刀具的牙型角將發(fā)生變化，刃磨時(shí)牙型角應(yīng)略小于ap(0.02 mm)；刀頭寬度應(yīng)小于槽底寬(見圖9)。

圖9 螺紋精車刀

2)梯形螺紋精車一般采用單面車削，即徑向定到零位移動(dòng)小刀架，ap=0.02 mm，轉(zhuǎn)速n=30 r/min。

3)精車的最后四五刀選擇轉(zhuǎn)速n≤25 r/min，螺紋表面ap≤0.005 mm。

4)在沒有恒溫條件的工廠可采用夏天一早一晚、冬天中午車削的方法，可確保螺距誤差的減少。以45鋼為材料的絲杠精車可采用菜籽油70%+柴油30%為冷卻潤滑劑。

3.2.2.3 螺紋車削注意事項(xiàng)

螺紋車削注意事項(xiàng)如下。

1)粗車螺紋時(shí)，由于螺距較大，絲杠長度較長，要求切削剛性好，故采用一夾一頂?shù)难b夾方式，增強(qiáng)工件剛度；粗車齒形時(shí)，采用法向安裝法安裝粗車刀，彌補(bǔ)導(dǎo)程角對(duì)車刀工作前、后角的影響，防止產(chǎn)生振動(dòng)或造成“扎刀”現(xiàn)象。粗車時(shí)宜用齒厚游標(biāo)卡尺測(cè)量蝸桿法向齒厚。

2)半精車、精車螺紋，在采用兩頂尖頂持的同時(shí)，還需采用夾板和帶限位裝置的撥盤，以提高裝夾的安全性和可靠性。

3)精車齒形時(shí)，采用低轉(zhuǎn)速、小進(jìn)刀等方法，正確選擇車刀幾何角度和切削用量；精車螺紋時(shí)，采用軸向安裝法安裝精車刀，必須單面順刀車削。

4)絲杠的接頭精車是精車中最難控制的部位。

最好的方法是采用接刀處遠(yuǎn)離卡盤或后尾座使其接刀部位處于中心架的掌控中。

5)為保證切削順利，使齒面獲得較高質(zhì)量，粗、精車齒形應(yīng)分別采用以冷卻、潤滑為主的切削液進(jìn)行充分澆注。

6)M135磨要求φ44的一致性≤0.03 mm，即φ44-0.20誤差上下，公差為0.03 mm。大小頭≤0.02 mm。

7)鉗工校直全長直線度誤差≤0.05 mm。即控制彎曲。

8)背吃刀量ap數(shù)值具體見表4。

表4 背吃刀量對(duì)照表

為消除熱量對(duì)誤差的影響，夏季加工從第4刀后必須停車休息或卸活，第2次上車加工第5刀～第7刀。

4 抽樣測(cè)量結(jié)果

通過多次試驗(yàn)測(cè)量、分析調(diào)試等工作后，升降絲杠(2051)的質(zhì)量得到了很大改善，各項(xiàng)誤差，特別是累計(jì)誤差和相對(duì)誤差得到了比較理想的數(shù)據(jù)，合格率均由原來的10%～40%，提高到了目前的100%。

抽樣測(cè)量1對(duì)絲杠，在300～3 000 mm的相同位置上累計(jì)誤差和相對(duì)誤差的數(shù)據(jù)測(cè)量，得到坐標(biāo)圖如圖10所示。

圖10 坐標(biāo)圖

從圖10可以看出，絲杠2 500 mm內(nèi)累計(jì)誤差上線最大為+0.016 mm，下線最大為-0.005 mm，總計(jì)累計(jì)誤差≤0.021 mm，在各個(gè)部位上配對(duì)，其相對(duì)誤差都可控制在0.021mm以內(nèi)，完全達(dá)到圖樣要求，質(zhì)量穩(wěn)定。

5 結(jié)語

通過對(duì)影響升降絲杠精度的車削加工誤差進(jìn)行分析，對(duì)機(jī)床加工范圍進(jìn)行改進(jìn)，以及對(duì)工藝、工裝等技術(shù)問題進(jìn)行周密的設(shè)計(jì)與制定，從而解決了存在的技術(shù)難題，使絲杠的精度達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)要求，圓滿地完成了生產(chǎn)任務(wù)。

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