一種九軸縱切車床的主要裝配精度研究

王 勇，關集俱

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院 精密制造工程系，蘇州 215104）

0 引言

縱切車床也稱瑞士式車床或走心機，主要用于加工直徑為1mm～38mm的各種軸類零件[1]?？梢攒囅鞲鞣N圓弧、錐面、螺紋等各種回轉體零件，并能進行簡單的車-銑-鉆-攻的復合加工，能夠滿足各種金屬的切削速度要求，加工效率高，適合航空航天、汽車、儀器儀表、電子、通信、醫(yī)療器械等領域機械零件的高效大批量加工[2]。

數控縱切機床經過幾十年的發(fā)展，國外的產品技術已經較為完善，較為知名的廠家如瑞士特納斯，日本西鐵城、津上、Star等。目前，國內也有較為成熟的縱切機床產品出現，如西安北村、寧江機床生產的三軸、五軸縱切機床[3]，但九軸（Z1、Z2、Z3、X1、X2、X3、Y1、Y2、Y3）縱切機床的相關技術尚處于研發(fā)階段。本文以國外一種九軸縱切數控車床為研究對象，對其各軸精度，以及各軸之間精度的關聯(lián)性進行了分析研究，對九軸縱切機床的設計、以及精度裝配等具有一定的借鑒意義。

1 縱切機床的結構與主要裝配精度分析

1.1 結構介紹

一種九軸縱切數控機床的整體布局的模型圖如圖1所示，其機械結構主要有床身、運動單元、主軸、副主軸、刀架、導套、鉆孔座等部件構成。加工時，主軸（Z1）主要實現夾持工件并進給的功能，X1-Y1刀架可進行內徑加工、外徑加工和背面加工；Z3-X3-Y3刀架可在加工中對下一道工序的刀具進行分度，并與主軸分度并用，可進行橫向的鉆孔、攻絲、車銑等加工，大幅縮短換刀時間，實現高的生產效率；Y2軸背面動力頭可在正面加工的同時，進行背面的偏心孔、攻絲孔、車銑、橫向復合加工。主軸側加工完成后，可實現在不停機狀態(tài)下工件由主軸（或導套）到副主軸的自動傳遞，副軸再將工件接住后進行加工。

圖1 一種九軸縱切機床的布局模型

1.2 機床的裝配精度要求

在機床裝配前，先調整床身的水平，使床身精度保持穩(wěn)定后再進行精度調整，以保持精度的穩(wěn)定性。機床運動單元采用線性導軌，機床各軸移動時的直線度主要取決于導軌的精度和導軌安裝面的加工精度[4]。導軌安裝面的平面度要保證在0.005mm以內，導軌靠肩的平行度要保證在0.01mm以內，機床主要有以下精度要求：

1）主軸由最前端向后移動150mm，如圖1所示，要求在移動過程中，Z1方向在水平面和垂直面內的直線度保證在0.003mm以內。

2）在80mm行程內，Z2方向相對于Z1的平行度保證在0.01mm以內。

3）副軸由最前端向后移動110mm，要求在移動過程中，Z2方向自身的直線度要保證在0.003mm以內。

4）當主、副軸同時處于最前端的位置時，要求它們在水平面和垂直面內的同心度保證在0.01mm以內。

5）刀架上導套安裝孔中心與主軸回轉中心在水平面和垂直面內的同心度保證0.005mm以內；主軸由最前端向后移動80mm時，要求導套孔中心線相對主軸中心線的平行度保證在0.003mm以內。

6）副軸旋轉中心相對導套檢具中心的同心度保證在0.01mm以內。

7）在100mm行程內，Z3方向相對于Z1的平行度保證在0.01mm以內。

8）Y2立柱上背面鉆孔座的精度：背面鉆孔座上各孔中心線相對X2、Z2的平行度均要保證在0.003mm以內。

9）要求動力頭在X1方向的平行度保證在0.01mm以內，要求動力頭上安裝工具的回轉精度保證在0.005mm以內。

2 縱切機床主要裝配精度的調整方法

2.1 主軸側精度調整方法

圖2 主軸精度的調整方法

如圖2所示，調整主軸精度時，將主軸驗棒安裝到主軸軸心上，驗棒中心線可以近似替代主軸中心線。先將千分表座吸在刀架上，表針先打在驗棒側面，移動Y1軸找到測試棒側面最高點后將表針歸零。主軸由最前端向后移動150mm，移動的同時旋轉主軸軸心，讀取千分表示數，示數代數和的一半即為移動過程中的平行度誤差。調整主軸在水平面上傾斜的方向，使移動過程中的平行度誤差控制在0.003mm以內，同時確認直線度也要保證在此范圍內，如達不到要求，則需對導軌安裝面進行修磨或更換導軌[5]。水平面上的精度調整完成后，再調整垂直面上的精度，測量方法與水平方向的相同，而調整垂直方向的傾斜需要通過鏟刮安裝主軸的基座來實現。由于驗棒是圓形的，垂直和水平方向之間的精度會相互影響，因此，要求在精度調整前各部件的制造誤差均要在設計范圍內，以免出現難以調整的情況。

2.2 副軸側精度調整方法

調整副軸側的精度時，主要以主軸為基準，副軸側的精度項目主要包括：Z2相對于Z1方向移動的平行度、副軸在Z2方向移動的平行度、直線度以及主副軸心的同心度。如圖3所示，確認Z2相對于Z1方向移動的平行度時，將主軸移至最前端，表座吸在副軸上，表針打在主軸驗棒上，移動X2軸找到驗棒在水平面上的最高點（垂直方向上的最高點需要目測找準）。找準最高點后，副軸在Z2方向上由最前端后退80mm，同時旋轉主軸驗棒并讀取千分表的示數，示數代數和的一半即為移動過程中的平行度誤差。這項精度主要取決于Z1和Z2導軌安裝面之間的平行度，如果達不到精度要求，則需對導軌安裝面進行重新加工。

圖3 Z2相對Z1方向精度的調整方法

如圖4所示，調整副軸在Z2方向移動的平行度和直線度時，將千分表座吸在刀架上，表針先打在副軸驗棒側面，移動Y1軸找到測試棒側面最高點。主軸由最前端向后移動110mm，移動的過程中旋轉軸心并讀取千分表示數，計算移動過程中的平行度和直線度誤差，要求誤差在0.005mm以內。水平面上的平行度調整完成后，將表針打在驗棒頂面，并移動X2軸找到最高點，再以相同的方法調整副軸在垂直方向上移動的平行度。需要注意本項精度與“Z2相對于Z1方向移動平行度”的區(qū)別。

圖4 副軸精度的調整方法

如圖5所示，調整主副軸的同心精度時，以主軸的軸心內孔作為基準，先用治具將千分表固定在副軸軸心上，表針打在主軸軸心內壁上。先調整副軸在X2方向上的位置，使主副軸的中心在水平面內處于同一位置，此時旋轉副軸軸心，千分表在水平方向上兩個極限位置的示數應該是“零對零”的，再將表針打在垂直方向上的最高點和最低點，表針示數最大差值的1/2即為主副中心的同心度在垂直方向上的誤差。根據誤差值的情況進行調整，如果計算值表明副軸中心高于主軸，則需要對安裝副軸的基座進行整體鏟刮，反之則需對安裝主軸的基座進行鏟刮，鏟刮、研磨時要注意均勻，否則會使主軸或副軸自身的直線度和平行度精度喪失。

圖5 主軸與副軸同心度的調整方法

2.3 刀架精度調整方法

刀架上安裝著導套和各種刀具，它相對于主副軸的位置精度十分關鍵。調整刀架精度時，以Z1方向的直線度和主軸的旋轉中心作為基準。調整時，先將環(huán)形檢具安裝到刀架的中心孔內，千分表通過專用治具固定在主軸軸心上，表針打在檢具的內壁上。需要調整的精度項目有：刀架孔的中心線與Z1方向的平行度、刀架孔的中心與主軸旋轉中心之間的同心度、副軸的旋轉中心與刀架孔中心的同心度。

圖6 刀架平行度的調整方法

如圖6所示，調整刀架孔的中心線與Z1方向之間的平行度時，先將表針打在測試環(huán)的中間位置，調整刀架在水平方向的位置，使刀架孔中心與主軸中心重合在水平面內重合。再移動主軸，使表針在測試環(huán)內壁的全程移動，調整刀架的傾斜，使其在水平和垂直方向上的平行度均控制在0.003mm以內，其中，垂直方向的傾斜度需要鏟刮刀架與床身的安裝面。

如圖7所示，調整刀架孔中心與主軸旋轉中心之間的同心度時，先將千分表打在測試環(huán)的中間位置，旋轉主軸軸心，主要測量主軸中心與刀架孔中心在垂直方向的誤差值。如果結果表明刀架孔中心高于主軸中心，需要鏟刮刀架底座安裝面，反之則需要鏟刮主軸安裝面。

圖7 主軸中心與刀架中心同心度的調整方法

如圖8所示，在主軸與副軸的同心度、主軸與刀架之間的精度調整完成后，最后還需再確認副軸與刀架的精度，此項精度主要是為了保證副軸能準確的從導套上接料。確認時，先在刀架孔上安裝專用的驗棒，千分表夾在副軸軸心上，確認副軸與治具棒的同心精度在0.005mm以內，如果不在范圍內，則需要重新調整主、副軸的同心度以及主軸與刀架之間的位置精度。

圖8 副軸中心與導套中心精度的調整方法

2.4 Z3刀架與背面鉆孔座的精度調整

如圖9所示，將測試棒安裝到主軸軸芯上，表座固定在Z3刀架上，千分表打在主軸側面和頂端，Z3軸由最前端向后移動60mm，確認相對于Z1軸的平行度在0.01mm以內。

圖9 Z3軸精度的調整方法

鉆孔座安裝在Z3刀架上，可隨刀架在X3、Y3方向移動，鉆孔座上有5個可以安裝鉆頭的孔位，以實現在主軸側鉆端面孔。如圖10所示，調整主軸鉆孔座的精度時，先將2個驗棒安裝在孔內并用5N.m的扭矩壓緊，水平方向上的精度調整以Z2方向作為基準，使驗棒全程的誤差在0.003mm以內，如不良，需鏟刮鉆孔座底面；垂直方向上的精度調整以Y1軸為基準，要求兩個驗棒最高點處的誤差保證在0.003mm以內，超出范圍時調整鉆孔座的傾斜即可。精度調整完成后，需要選擇其中的一個孔作為基準設定鉆孔座的原點。

圖10 Z3背面鉆孔座的精度調整方法

Y2副軸背面鉆孔座上有4個孔位，可以安裝4個鉆頭，可實現在副軸側鉆端面孔。鉆孔座安裝在底座上，五軸機的底座為固定式，而六軸機的底座可在Y2方向移動。如圖11所示，以五軸機為例，調整時先將驗棒安裝在1、4孔內并用5N.m的力矩壓緊，以Z2方向為基準，調整孔中心線在水平和垂直面的傾斜精度；以副軸X2方向為基準，調整1～4孔系中心的平行度；以副軸旋轉中心為基準，調整各孔中心的位置。

圖11 副軸背面鉆孔座的精度調整方法

2.5 動力頭的精度調整方法

動力頭上的幾個錐孔可以安裝小型鉆頭、銑刀等刀具，從而對工件側面進行加工，要求刀具安裝后具有較高的旋轉精度和位置精度[6]。如圖12所示，調整動力頭上回轉工具的精度時，先將驗棒安裝在某個錐孔上，表座吸在副軸上，表針打在驗棒最前端，旋轉驗棒，要求跳動在0.005mm以內，如不良，則需研磨動力頭的內錐孔面。調整動力頭的位置精度時，將表針分別打在驗棒的頂端和側面，移動Z2和Y1軸，分別找到水平和垂直方向上的最高點，再移動X1軸測定驗棒移動的平行度，通過調整動力頭的位置，使動力頭在X1方向的平行度保證在0.01mm以內。

圖12 動力頭精度的調整方法

3 精度分析

3.1 精度之間的關聯(lián)性

表1 縱切機床的主要精度項目

由上述裝配精度調整的方法可發(fā)現：調整某一項精度時，一般需要以別的精度作為基準，這使得各主要精度項目之間存在關聯(lián)性[7]。表1列出了縱切機床的主要精度指標，其中主軸移動時的平行度為機床的主要精度基準，精度的關聯(lián)性主要體現在以下兩個方面：1）a～c項精度決定d項精度，其中a、c項精度可以通過修磨、調整達到最佳，而b項精度只與床身的制造精度有關，因此床身在加工時必須嚴格檢驗，確保達到精度要求；2）a～f項精度的誤差最終會傳遞到g項，g項精度達到要求時，整機的冷態(tài)裝配精度就完成了。調整主軸和副軸的垂直方向的平行度時，要求上偏差，其余則需要合理調整精度的上下偏差值，以最終保證g項精度的要求。另外，要求主、副軸軸心具有較高的旋轉精度，主軸軸心的徑向跳動要求0.002mm以內，副軸軸心的徑向跳動要求在0.002mm以內，以避免驗棒旋轉時偏差過大。

3.2 機床的冷態(tài)精度與熱態(tài)精度

機床的冷態(tài)裝配精度調整完成后，要進行24h的空運轉使其達到穩(wěn)定工作溫度，這時由于主軸、導軌、滾珠絲杠等部件受溫度變化的影響，會導致機床精度出現一定變化[8]。因此，在機床進行空運轉后需要再次檢查機床精度，確保機床精度仍在范圍內，然后再設定機床各軸的原點。需要注意的是，機床熱態(tài)的情況下，X2軸的滾珠絲杠熱變形量大，會導致d和g項精度有變化，在加工時需待精度穩(wěn)定后對X2軸進行補正。

3.3 檢具精度的影響

調整縱切機床裝配精度時，所用檢具主要有主軸驗棒、副軸驗棒和導套檢具。由于檢具與孔之間是間隙配合，如果配合間隙過大，則調整出的精度可再現性不好。因此，需要準備幾套檢具，按公差帶對檢具進行分組，調整機床精度時，根據孔的大小選擇合適的檢具，盡量減小配合間隙，以提高實際精度。

4 結論

多軸縱切數控機床精度復雜、要求高，機床精度的穩(wěn)定性直接影響著機床加工性能。因此，在調整機床的裝配精度時：首先，必須保證部件材料的穩(wěn)定性和加工精度；其次，修磨裝配面時，要確保裝配面具有足夠的接觸面積，安裝檢具使時，保證檢具與機床的配合間隙盡可能小，并盡量將機床精度調整至理想值。本文對五軸縱切機床主要裝配精度和調整方法的研究與分析，為類似機床的精密裝配方法提供了參考，具有一定的實際意義。