陳彧龍，陶曉杰

（合肥工業(yè)大學儀器儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009）

隨著滾齒機床切削速度和切削功率的提高，其熱變形引起的誤差占到了滾齒機總誤差的70%左右，是機床的最大誤差源[1]。為此，減小或消除熱變形對滾齒機床的影響可有效地提高其加工精度?，F(xiàn)如今，通過建立機床熱誤差模型，對滾齒機實施熱誤差補償，是最主要的減小熱誤差方法。要想得到精確的熱誤差模型，溫度和熱誤差的檢測是關(guān)鍵。

1 滾齒機熱誤差分析

1.1 熱源分析

要研究滾齒機的熱變形規(guī)律，首先就要弄清楚機床的熱源。一般來講，滾齒機的熱源主要有以下幾個方面[2～3]：

（1）電機、油泵等產(chǎn)生的熱。滾齒機各軸電機等執(zhí)行能量轉(zhuǎn)換過程中所作的功，會產(chǎn)生相當一部分的熱，這些熱一部分發(fā)散到空氣中，而大部分都傳入機床與工件中，是引起機床內(nèi)部溫度變化的主要因素。

（2）軸承、導(dǎo)軌等運動件摩擦產(chǎn)生的熱。機床上導(dǎo)軌的運動件和承導(dǎo)件間、軸承中的運動件和承導(dǎo)件間會有摩擦，能產(chǎn)生大量的熱。

（3）切削熱。冷卻液會將切削熱及鐵屑通過噴淋的方式傳遞給機床床身，其中滾刀主軸、工件主軸離切削點最近，受熱最多，熱變形最明顯。

1.2 熱變形分析

圖1（a）是滾齒機床的簡易結(jié)構(gòu)圖，主要組成部分為：機床床身、刀具立柱、滾刀、工件立柱、工作臺和加工工件等。

圖1 滾齒機結(jié)構(gòu)簡圖及熱變形后示意圖

由上述熱源分析可知，切削熱、摩擦熱及電機熱是引起熱變形的主要熱源[4]，滾齒機工作時，熱量經(jīng)對流、傳導(dǎo)及輻射后，一部分擴散到空氣中，一部分被冷卻液吸收，剩余的部分被零部件及床身吸收，而切削熱大部分被噴淋的冷卻液吸收。隨著滾齒時間增加，沖淋到床身上被加熱的冷卻液與切削熱，工作臺導(dǎo)軌及蝸輪蝸桿摩擦熱將床身上表面、立柱內(nèi)側(cè)持續(xù)加熱。由于滾齒機結(jié)構(gòu)復(fù)雜且受熱不均衡，使床身發(fā)生上翹彎曲的熱變形伸長,立柱發(fā)生移動與彎曲熱變形，由此引起滾刀與工件主軸中心距發(fā)生變化，導(dǎo)致滾刀與工件切削點產(chǎn)生位置偏差，如圖1（b）所示。

2 熱變形對齒輪加工精度的影響

滾齒機的熱變形最終會導(dǎo)致滾刀與工件之間位置偏差，造成齒輪加工誤差，影響精度。下面從滾刀與工件之間位移偏差和旋轉(zhuǎn)偏差兩方面來討論[5～6]。

2.1 滾刀與工件之間相對位移偏差對齒輪加工精度的影響

在滾齒機加工時，X方向上的位移偏差會使被加工齒輪的加工深度變化，使得齒輪的齒厚和齒槽寬變形，從而影響齒輪精度；Y方向上的位移偏差首先會使?jié)L刀在Y方向上產(chǎn)生直線位移，由于這種位置誤差的存在，會影響了滾刀的對中，如圖2所示。滾刀對中出現(xiàn)問題時，被加工齒輪會出現(xiàn)倒牙的現(xiàn)象，即齒輪兩側(cè)漸開線齒形的對稱線不通過齒坯中心，影響齒輪精度；Z方向的位移偏差對加工直齒圓柱齒輪影響不大，但當滾切加工斜齒圓柱齒輪時，齒廓沿法向加工方向會出現(xiàn)偏差，相當于刀具沿Y方向有個移動，對齒輪加工精度產(chǎn)生了影響。

圖2 滾刀對中示意圖

2.2 滾刀與工件之間相對旋轉(zhuǎn)偏差對齒輪加工精度的影響

對于滾刀與工件之間出現(xiàn)的繞X軸方向旋轉(zhuǎn)誤差，加工出的零件螺旋角會產(chǎn)生變化，導(dǎo)致了齒輪齒向出現(xiàn)偏差。滾刀的切削點也發(fā)生了微小的變動，引起齒形誤差。而滾刀與工件之間出現(xiàn)繞Y軸方向旋轉(zhuǎn)誤差時，會導(dǎo)致滾刀運行的軌道與所加工工件的軸線不平行，傾斜一個角度，那么齒輪的上端與齒輪的下端離刀具的距離就會產(chǎn)生變化，為此，在加工同一齒輪時，滾刀沿軸線方向離工件間的距離在不斷發(fā)生變化，這樣顯然會產(chǎn)生加工誤差，造成齒厚等方面齒形誤差。另外，滾刀與工件之間出現(xiàn)繞Z軸方向旋轉(zhuǎn)誤差時，加工出的齒輪螺旋角會發(fā)生變化，也會導(dǎo)致齒輪的齒形誤差。

3 滾刀與工件位置誤差檢測

由以上分析可知，滾刀與工件位置各個方向的誤差都會對齒輪加工精度造成影響。為此，提出一個可以全面檢測兩者之間6個自由度的方案十分有必要。

考慮到滾刀在切削工件過程中，傳感器的固定、安裝比較困難，且加工中工件形狀也在不斷變化，誤差的檢測難度大，故采用在非切削加工情況下，弄清熱源分布，人為提供熱源，模擬加工現(xiàn)場的方法來實現(xiàn)熱誤差的檢測。需要注意的是，用于檢測的測試棒呈長方體形狀，不適合轉(zhuǎn)動時檢測，為此要限制工作臺的轉(zhuǎn)動。

整套檢測裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖3（a）所示。它主要由測試棒A和裝有位移傳感器的固定裝置B兩部分組成[7]，測試棒裝在工件所裝的位置，固定裝置裝在滾刀刀架上，其側(cè)板上裝有三個位移傳感器1、2、3，可以測量x方向的位移，正面板上裝有4和5兩個位移傳感器，可以測量y方向上的位移，傳感器6可用固定夾具固定，位于測試棒的正上方，可測量z方向的位移。傳感器之間的具體位置分布關(guān)系如圖3（b）所示，顯然在機床未運行之前，沒有熱變形，L1=L2=L3，L4=L5，L6。在機床運行一段時間后，發(fā)生熱變形，傳感器所測得的數(shù)據(jù)會發(fā)生變化，變?yōu)長1'、L2'、L3'、L4'、L5'、L6'。

圖3 檢測裝置簡圖及傳感器位置關(guān)系

可據(jù)此位置關(guān)系計算出相應(yīng)的誤差：

X方向誤差：ΔX=L3'-L3

Y方向誤差：ΔY=L5'-L5

Z方向誤差：ΔZ=L6'-L6

該檢測裝置的設(shè)計，相當于將位移傳感器固定在刀具上，這種形式可以一步到位也檢測刀具與工件之間的相對位置關(guān)系，操作簡單、有效。需要說明的是，固定裝置材料要選用熱膨脹系數(shù)小的，以免裝置自身的熱誤差對測量帶來干擾。

4 結(jié)束語

本文首先從滾齒機熱源分布及機床結(jié)構(gòu)方面入手，分析了基本的熱變形規(guī)律，得出滾齒機的熱變形會造成滾刀與工件之間位置偏差的結(jié)論。接著，從滾刀與工件兩者之間位移偏差和旋轉(zhuǎn)偏差兩方面分析了位置偏差對齒輪加工精度的影響。最后，給出了一種新型的位置偏差檢測方法，可以一步到位的檢測刀具與工件之間6個自由度的熱變形誤差，操作簡單、有效。但這種方法也有其局限性，只適合非加工狀態(tài)檢測，檢測結(jié)果和實際加工結(jié)果也會有一定的出入，有待通過以后的研究來進一步改善。

[1]莊 磊，王 珉，左敦穩(wěn).齒輪加工機床的發(fā)展特點及相關(guān)技術(shù)[J].江蘇機械制造與自動化，2000(5):9-10.

[2]唐開勇.熱變形對機床的影響與控制[J].設(shè)計與研究，2006，33（2）:20-23.

[3]王時龍，等.數(shù)控滾齒機熱變形誤差分析與補償新方法[J].重慶大學學報，2011，34（3）:13-15.

[4]王時龍，楊 勇，等.雙柱立式數(shù)控滾齒機熱變形規(guī)律[J].四川大學學報，2011，43（3）:226-232.

[5]陶曉杰，王治森.滾齒機床熱變形對加工精度的影響[J].機械傳動，2005，29（3）：54-56.

[6]陶曉杰，王治森.機床變形速度對滾齒加工精度的影響[J].機床與液壓，2006（8）：3-5.

[7]Jae Ha Lee,Yu Liu,Seung-Han Yang.Accuracy improvement of miniaturized machine tool:Geometric error modeling and compensation[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2006（46）：1508-1516.