趙小亮，凌宏

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床NAS試件的孔位置精度超差研究

趙小亮，凌宏

（上海工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院；上海航天壹亙智能科技有限公司，上海 201806）

五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床試件切削是檢驗(yàn)機(jī)床精度的重要依據(jù)之一，通過對(duì)試件全方面要素的加工能夠全面地反映機(jī)床的加工精度能力。以試件中鏜孔位置度超差為例，理論分析各種因素，并針對(duì)每種可能的問題提出有效的解決措施，最終進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，優(yōu)化和縮短了機(jī)床調(diào)試周期，減少材料浪費(fèi)，高效檢測機(jī)床出廠精度。

數(shù)控機(jī)床；零件加工；加工工藝；零件精度

機(jī)床的精度主要包括機(jī)床的幾何精度、定位精度和切削精度3個(gè)方面。其中，更能綜合、真實(shí)反映數(shù)控機(jī)床實(shí)際應(yīng)用時(shí)工作精度的指標(biāo)是數(shù)控機(jī)床加工典型試件的切削精度。在零件加工中，影響精度的因素很多。其中位置尺寸精度難度較高，一般通過機(jī)床本身的幾何精度加以保證，這樣就對(duì)機(jī)床的幾何精度提出高的要求，作為最新研制的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，由于沒有之前的數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，在試切零件驗(yàn)證精度的環(huán)節(jié)中，問題的理論分析尤其重要。

1 問題來源

精加工試件圖紙如圖1所示。某五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床生產(chǎn)廠，在最新研制的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床上，根據(jù)精密加工中心檢驗(yàn)條件第七部分：精加工試件精度檢驗(yàn)[1]試切如圖1所示零件。根據(jù)國標(biāo)輪廓加工試件幾何精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)鏜孔要求，孔相對(duì)于中心孔C的位置度要求為Φ0.03 mm。

圖1 精加工試件圖紙（單位：mm）

根據(jù)工件三坐標(biāo)測量機(jī)檢測結(jié)果測出，鏜孔精度超差，報(bào)告顯示右下角孔位置度超差0.007 mm，其余檢測項(xiàng)目均符合要求。分析報(bào)告結(jié)果如表1所示。

表1 孔位置度檢測報(bào)告

位置實(shí)測值參考值超差 左上角孔0.0300.030－ 右下角孔0.0370.0300.007 右上角孔0.0230.030－ 左下角孔0.0230.030－

2 影響位置精度的原因分析

機(jī)床受到機(jī)械特性、控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、刀具選用、切削工藝、切削用量、刀具軌跡路線和加工方法等因素影響，零件加工精度是諸多因素的綜合反應(yīng)。

具體影響加工精度的因素包括零件的幾何形狀、零件的材料特性等。

加工方法因素包括切削參數(shù)、加工程序、刀柄選用、工件裝夾、冷卻液等。

機(jī)床因素包括機(jī)床的靜態(tài)精度、機(jī)床動(dòng)態(tài)精度、機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)度、機(jī)床結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度、機(jī)床動(dòng)態(tài)剛度、主軸功率與扭矩、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)、機(jī)床潤滑、運(yùn)動(dòng)慣性與阻尼等。

刀具因素包括刀具材質(zhì)、選用刀具參數(shù)、刀具幾何精度、刀具加工磨損等。

操作因素包含技工技術(shù)技能素質(zhì)、操作方法、操作環(huán)境條件等。測量方法包括檢測設(shè)備精度、測點(diǎn)數(shù)量以及測量溫差等[2]。

檢測報(bào)告如表2所示。

表2 檢測報(bào)告

項(xiàng)目實(shí)測值參考值超差 孔面垂直度0.0020.010－ 輪廓直線度0.0040.010－ Ｙ向傾斜度0.0050.013－ Ｘ向傾斜度0.0100.013－

通過對(duì)零件分析并結(jié)合三坐標(biāo)機(jī)測量報(bào)告，根據(jù)表2中其余位置的分析，其中在向傾斜度0.01 mm的實(shí)測值，逼近參考數(shù)值。綜合所有因素分析，排除得出影響此次零件精度有以下3個(gè)方面的因素：①機(jī)床軸精度因素；②測量溫度與加工溫度溫差因素；③裝夾因素。

3 因素分析與改進(jìn)措施

機(jī)床軸定位精度因素、測量與加工溫差因素、鏜孔刀具軌跡路線因素、工裝夾具因素在實(shí)踐中難以同時(shí)驗(yàn)證其對(duì)本例零件的影響，3個(gè)變量因素組成因素集合。

誤差=｛機(jī)床軸精度誤差，測量與加工溫差誤差，工裝夾具誤差，其他誤差｝，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上述4個(gè)變量其影響因子大小進(jìn)行排序，誤差＝｛機(jī)床軸精度誤差，工裝夾具誤差，測量與加工溫差誤差，其他誤差｝。

利用排除法，固定約束誤差集合中除一個(gè)誤差因子以外的其他誤差因子，進(jìn)行改進(jìn)，逐漸排除，直到零件精度符合要求。

3.1 Ｘ軸軸線精度誤差

軸軸線精度誤差主要測量標(biāo)定定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度主要是刀具的實(shí)際位置與理論位置的差值，越小越好。重復(fù)定位精度則主要反映軸在往返運(yùn)行過程中位置的重合差值。要獲取機(jī)床軸的定位精度與重復(fù)定位精度，必須應(yīng)用專業(yè)測量儀測量直接測量機(jī)床精度。根據(jù)測量需要選擇測量儀器如表3所示。

表3 測量儀選擇

儀器檢測內(nèi)容測量方式 激光干涉儀定位精度、重復(fù)定位精度激光非接觸式

通過查詢精密加工中心檢驗(yàn)條件第二部分：立式加工中心幾何精度檢驗(yàn)[3]并進(jìn)行激光干涉檢測，檢測報(bào)告如表4所示。

表4 檢測報(bào)告

項(xiàng)目實(shí)測值參考值超差 定位精度0.0020.008－ 重復(fù)定位精度0.0060.010－

由定位精度報(bào)告與分線性和回轉(zhuǎn)軸的定位精度和重復(fù)定位精和重復(fù)定位精度檢驗(yàn)[4]對(duì)比，可以直接排除機(jī)床定位精度對(duì)位置度的影響。

3.2 工裝夾具誤差

工件在機(jī)床上的安裝精度是影響零件制造精度的因素之一。在很多情況下安裝誤差占加工誤差的20%～60%。因此，尋求減少安裝誤差的方法是提高在機(jī)床上加工零件的精度和生產(chǎn)率的途徑之一。夾緊是安裝的重要組成部分，夾緊力通過工件傳至支承。造成工件變形和定位基準(zhǔn)位移，產(chǎn)生了誤差[5]。工裝夾具在零件加工中起到非常重要的作用。夾具在安裝時(shí)需要遵守六點(diǎn)定位原則，應(yīng)盡量避免重復(fù)定位。如果欠定位則需要在加工時(shí)注意切削受力。

本例在夾具選擇使用通用壓板進(jìn)行安裝，安裝面使用互換壓板的方式。

Ａ面裝夾如圖2所示。互換壓板如圖3所示。B面裝夾使用螺絲安裝如圖４所示。

圖2 A面一次裝夾示意圖

圖3 互換壓板示意圖

圖4 面裝夾使用螺絲安裝示意圖

3.3 測量與加工溫差誤差

在影響定位精度的諸因素中，機(jī)床工作尺與基準(zhǔn)尺溫差是很關(guān)鍵的因素之一[6]。

式（1）中：p和p為測量基準(zhǔn)尺或工件的溫度和線脹系數(shù)；N和N為機(jī)床工作尺的溫度和線脹系數(shù)。

本例中使用材料特性參數(shù)值如表5所示。

表5 AL6061T651材料特性參數(shù)值

主要特性參數(shù)值 抗拉強(qiáng)度σb/MPa≥470 條件屈服強(qiáng)度σ0.2/MPa≥420 膨脹系數(shù)μm/（m·k）20～200 ℃23.6 伸長率δ5/（%）≥6

依據(jù)表5，鋁的p為23.6 μm，在溫度變化情況將嚴(yán)重影響零件精度。其中，加工溫度與測量溫度差值越大，定位精度影響也越大。天氣溫度如圖5所示。

在測量的500 mm長度內(nèi)使用式（1）計(jì)算為非線性曲線。其膨脹系數(shù)與工作尺相差較大，使用空調(diào)設(shè)備對(duì)工作機(jī)床環(huán)境降溫，以縮小溫度差，或者在加工前啟用空調(diào)設(shè)備2～3 h，將環(huán)境溫度降至接近三坐標(biāo)測量機(jī)溫度18～22 ℃。一般坐標(biāo)機(jī)床要2～3 h才能趨于平衡。

圖5 天氣溫度示意圖

高檔坐標(biāo)機(jī)床采用熱補(bǔ)償技術(shù)或熱補(bǔ)償裝置縮短熱平衡時(shí)間，在機(jī)床間斷工作過程中，縮小溫度差，從而減少熱平衡引起的誤差[6]。

4 改進(jìn)措施與驗(yàn)證

4.1 夾緊力與加緊順序改進(jìn)

適當(dāng)調(diào)制加工順序，先粗精加工安裝面，其次使用扭力扳手。順序施加夾緊力，工件位置發(fā)生位置變化是由于工件與夾具元件接合處出現(xiàn)不同的摩擦力而引起的。因此合理選擇夾緊力的大小和順序及摩擦系數(shù)，就能控制摩擦力，使工件位置的變化減至最小[5]。

扭力扳手夾緊力如表6所示。

表6 夾緊力

項(xiàng)目參考值公差 零件粗加工/（N·m）18±1 零件粗加工/（N·m）3±1

4.2 加工溫差改進(jìn)

零件加工前，啟動(dòng)車間空調(diào)對(duì)車間進(jìn)行調(diào)溫，使環(huán)境溫度三坐標(biāo)測量機(jī)溫度為18～22 ℃，再完成零件加工。

4.3 驗(yàn)證

通過改進(jìn)方案后，加工零件精度位置度如表7所示，符合要求。

5 結(jié)語

試件加工檢驗(yàn)機(jī)床綜合精度通過對(duì)孔位置度超差分析得出相應(yīng)的解決方案。應(yīng)用實(shí)踐工程經(jīng)驗(yàn)，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。試件精度分析的方法與步驟，對(duì)相似問題有一定的指導(dǎo)意義。

表7 孔位置度檢測報(bào)告

位置實(shí)測值參考值超差 左上角孔0.020 50.030－ 右下角孔0.024 30.030－ 右上角孔0.027 70.030－ 左下角孔0.024 10.030－

［1］北京銑床研究所，北京機(jī)床研究所，交大昆機(jī)科技股份有限公司，等.GB/T 20957.7—2007 精密加工中心檢驗(yàn)條件第七部分：精加工試件精度檢驗(yàn)［S］.北京：中國質(zhì)檢出版社，2007.

［2］仇健.數(shù)控機(jī)床切削性能測試典型試件綜述［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2014（9）：11.

［3］北京銑床研究所，北京機(jī)床研究所，交大昆機(jī)科技股份有限公司，等.GB/T 20957.7—2007 精密加工中心檢驗(yàn)條件第二部分：立式加工幾何精度檢驗(yàn)［S］.北京：中國質(zhì)檢出版社，2007.

［4］北京銑床研究所，北京機(jī)床研究所，交大昆機(jī)科技股份有限公司，等.GB/T 20957.4—2007 精密加工中心檢驗(yàn)條件第四部分：線性和回轉(zhuǎn)軸的定位精度和重復(fù)定位精和重復(fù)定位精度檢驗(yàn)［S］.北京：中國質(zhì)檢出版社，2007.

［5］張紀(jì)梁.夾緊力的順序?qū)ぜ惭b精度的影響［J］.機(jī)械，2003，30（2）：3.

［6］狄錦如.高精度坐標(biāo)機(jī)床使用中溫度對(duì)機(jī)床精度的影響［J］.機(jī)床，1990（8）：3.

TH161

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.010

2095－6835（2019）20－0026－03

〔編輯：張思楠〕