陳彧龍，陶曉杰

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著滾齒機(jī)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(jī)總誤差的70%左右，是機(jī)床的最大誤差源[1]。為此，減小或消除熱變形對(duì)滾齒機(jī)床的影響可有效地提高其加工精度?，F(xiàn)如今，通過(guò)建立機(jī)床熱誤差模型，對(duì)滾齒機(jī)實(shí)施熱誤差補(bǔ)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(cè)是關(guān)鍵。

1 滾齒機(jī)熱誤差分析

1.1 熱源分析

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

（1）電機(jī)、油泵等產(chǎn)生的熱。滾齒機(jī)各軸電機(jī)等執(zhí)行能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中所作的功，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)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(jī)床與工件中，是引起機(jī)床內(nèi)部溫度變化的主要因素。

（2）軸承、導(dǎo)軌等運(yùn)動(dòng)件摩擦產(chǎn)生的熱。機(jī)床上導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)件和承導(dǎo)件間、軸承中的運(yùn)動(dòng)件和承導(dǎo)件間會(huì)有摩擦，能產(chǎn)生大量的熱。

（3）切削熱。冷卻液會(huì)將切削熱及鐵屑通過(guò)噴淋的方式傳遞給機(jī)床床身，其中滾刀主軸、工件主軸離切削點(diǎn)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(jī)床的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖，主要組成部分為：機(jī)床床身、刀具立柱、滾刀、工件立柱、工作臺(tái)和加工工件等。

圖1 滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)熱是引起熱變形的主要熱源[4]，滾齒機(jī)工作時(shí)，熱量經(jīng)對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射后，一部分?jǐn)U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(shí)間增加，沖淋到床身上被加熱的冷卻液與切削熱，工作臺(tái)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(jī)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(zhǎng),立柱發(fā)生移動(dòng)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(diǎn)產(chǎn)生位置偏差，如圖1（b）所示。

2 熱變形對(duì)齒輪加工精度的影響

滾齒機(jī)的熱變形最終會(huì)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(lái)討論[5～6]。

2.1 滾刀與工件之間相對(duì)位移偏差對(duì)齒輪加工精度的影響

在滾齒機(jī)加工時(shí)，X方向上的位移偏差會(huì)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(huì)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(huì)影響了滾刀的對(duì)中，如圖2所示。滾刀對(duì)中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，被加工齒輪會(huì)出現(xiàn)倒牙的現(xiàn)象，即齒輪兩側(cè)漸開(kāi)線齒形的對(duì)稱線不通過(guò)齒坯中心，影響齒輪精度；Z方向的位移偏差對(duì)加工直齒圓柱齒輪影響不大，但當(dāng)滾切加工斜齒圓柱齒輪時(shí)，齒廓沿法向加工方向會(huì)出現(xiàn)偏差，相當(dāng)于刀具沿Y方向有個(gè)移動(dòng)，對(duì)齒輪加工精度產(chǎn)生了影響。

圖2 滾刀對(duì)中示意圖

2.2 滾刀與工件之間相對(duì)旋轉(zhuǎn)偏差對(duì)齒輪加工精度的影響

對(duì)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(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致了齒輪齒向出現(xiàn)偏差。滾刀的切削點(diǎn)也發(fā)生了微小的變動(dòng)，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(shí)，會(huì)導(dǎo)致滾刀運(yùn)行的軌道與所加工工件的軸線不平行，傾斜一個(gè)角度，那么齒輪的上端與齒輪的下端離刀具的距離就會(huì)產(chǎn)生變化，為此，在加工同一齒輪時(shí)，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(huì)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(shí)，加工出的齒輪螺旋角會(huì)發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致齒輪的齒形誤差。

3 滾刀與工件位置誤差檢測(cè)

由以上分析可知，滾刀與工件位置各個(gè)方向的誤差都會(huì)對(duì)齒輪加工精度造成影響。為此，提出一個(gè)可以全面檢測(cè)兩者之間6個(gè)自由度的方案十分有必要。

考慮到滾刀在切削工件過(guò)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(cè)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(chǎng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)熱誤差的檢測(cè)。需要注意的是，用于檢測(cè)的測(cè)試棒呈長(zhǎng)方體形狀，不適合轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)檢測(cè)，為此要限制工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

整套檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3（a）所示。它主要由測(cè)試棒A和裝有位移傳感器的固定裝置B兩部分組成[7]，測(cè)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(gè)位移傳感器1、2、3，可以測(cè)量x方向的位移，正面板上裝有4和5兩個(gè)位移傳感器，可以測(cè)量y方向上的位移，傳感器6可用固定夾具固定，位于測(cè)試棒的正上方，可測(cè)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(jī)床未運(yùn)行之前，沒(méi)有熱變形，L1=L2=L3，L4=L5，L6。在機(jī)床運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)生熱變形，傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生變化，變?yōu)長(zhǎng)1'、L2'、L3'、L4'、L5'、L6'。

圖3 檢測(cè)裝置簡(jiǎn)圖及傳感器位置關(guān)系

可據(jù)此位置關(guān)系計(jì)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(cè)裝置的設(shè)計(jì)，相當(dāng)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(cè)刀具與工件之間的相對(duì)位置關(guān)系，操作簡(jiǎn)單、有效。需要說(shuō)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(duì)測(cè)量帶來(lái)干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先從滾齒機(jī)熱源分布及機(jī)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(jī)的熱變形會(huì)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(duì)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(cè)方法，可以一步到位的檢測(cè)刀具與工件之間6個(gè)自由度的熱變形誤差，操作簡(jiǎn)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(cè)，檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際加工結(jié)果也會(huì)有一定的出入，有待通過(guò)以后的研究來(lái)進(jìn)一步改善。

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

[2]唐開(kāi)勇.熱變形對(duì)機(jī)床的影響與控制[J].設(shè)計(jì)與研究，2006，33（2）:20-23.

[3]王時(shí)龍，等.數(shù)控滾齒機(jī)熱變形誤差分析與補(bǔ)償新方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（3）:13-15.

[4]王時(shí)龍，楊 勇，等.雙柱立式數(shù)控滾齒機(jī)熱變形規(guī)律[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，43（3）:226-232.

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

[6]陶曉杰，王治森.機(jī)床變形速度對(duì)滾齒加工精度的影響[J].機(jī)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.