王 勇，關(guān)集俱

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jī)，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(zhuǎn)體零件，并能進(jìn)行簡單的車-銑-鉆-攻的復(fù)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(lǐng)域機(jī)械零件的高效大批量加工[2]。

數(shù)控縱切機(jī)床經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國外的產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)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(nèi)也有較為成熟的縱切機(jī)床產(chǎn)品出現(xiàn)，如西安北村、寧江機(jī)床生產(chǎn)的三軸、五軸縱切機(jī)床[3]，但九軸（Z1、Z2、Z3、X1、X2、X3、Y1、Y2、Y3）縱切機(jī)床的相關(guān)技術(shù)尚處于研發(fā)階段。本文以國外一種九軸縱切數(shù)控車床為研究對象，對其各軸精度，以及各軸之間精度的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了分析研究，對九軸縱切機(jī)床的設(shè)計(jì)、以及精度裝配等具有一定的借鑒意義。

1 縱切機(jī)床的結(jié)構(gòu)與主要裝配精度分析

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

一種九軸縱切數(shù)控機(jī)床的整體布局的模型圖如圖1所示，其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有床身、運(yùn)動(dòng)單元、主軸、副主軸、刀架、導(dǎo)套、鉆孔座等部件構(gòu)成。加工時(shí)，主軸（Z1）主要實(shí)現(xiàn)夾持工件并進(jìn)給的功能，X1-Y1刀架可進(jìn)行內(nèi)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(jìn)行分度，并與主軸分度并用，可進(jìn)行橫向的鉆孔、攻絲、車銑等加工，大幅縮短換刀時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高的生產(chǎn)效率；Y2軸背面動(dòng)力頭可在正面加工的同時(shí)，進(jìn)行背面的偏心孔、攻絲孔、車銑、橫向復(fù)合加工。主軸側(cè)加工完成后，可實(shí)現(xiàn)在不停機(jī)狀態(tài)下工件由主軸（或?qū)祝┑礁敝鬏S的自動(dòng)傳遞，副軸再將工件接住后進(jìn)行加工。

圖1 一種九軸縱切機(jī)床的布局模型

1.2 機(jī)床的裝配精度要求

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

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

2）在80mm行程內(nèi)，Z2方向相對于Z1的平行度保證在0.01mm以內(nèi)。

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

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

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

6）副軸旋轉(zhuǎn)中心相對導(dǎo)套檢具中心的同心度保證在0.01mm以內(nèi)。

7）在100mm行程內(nèi)，Z3方向相對于Z1的平行度保證在0.01mm以內(nèi)。

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(nèi)。

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

2 縱切機(jī)床主要裝配精度的調(diào)整方法

2.1 主軸側(cè)精度調(diào)整方法

圖2 主軸精度的調(diào)整方法

如圖2所示，調(diào)整主軸精度時(shí)，將主軸驗(yàn)棒安裝到主軸軸心上，驗(yàn)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(yàn)棒側(cè)面，移動(dòng)Y1軸找到測試棒側(cè)面最高點(diǎn)后將表針歸零。主軸由最前端向后移動(dòng)150mm，移動(dòng)的同時(shí)旋轉(zhuǎn)主軸軸心，讀取千分表示數(shù)，示數(shù)代數(shù)和的一半即為移動(dòng)過程中的平行度誤差。調(diào)整主軸在水平面上傾斜的方向，使移動(dòng)過程中的平行度誤差控制在0.003mm以內(nèi)，同時(shí)確認(rèn)直線度也要保證在此范圍內(nèi)，如達(dá)不到要求，則需對導(dǎo)軌安裝面進(jìn)行修磨或更換導(dǎo)軌[5]。水平面上的精度調(diào)整完成后，再調(diào)整垂直面上的精度，測量方法與水平方向的相同，而調(diào)整垂直方向的傾斜需要通過鏟刮安裝主軸的基座來實(shí)現(xiàn)。由于驗(yàn)棒是圓形的，垂直和水平方向之間的精度會(huì)相互影響，因此，要求在精度調(diào)整前各部件的制造誤差均要在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，以免出現(xiàn)難以調(diào)整的情況。

2.2 副軸側(cè)精度調(diào)整方法

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

圖3 Z2相對Z1方向精度的調(diào)整方法

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

圖4 副軸精度的調(diào)整方法

如圖5所示，調(diào)整主副軸的同心精度時(shí)，以主軸的軸心內(nèi)孔作為基準(zhǔn)，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(nèi)壁上。先調(diào)整副軸在X2方向上的位置，使主副軸的中心在水平面內(nèi)處于同一位置，此時(shí)旋轉(zhuǎn)副軸軸心，千分表在水平方向上兩個(gè)極限位置的示數(shù)應(yīng)該是“零對零”的，再將表針打在垂直方向上的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，表針示數(shù)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(jù)誤差值的情況進(jìn)行調(diào)整，如果計(jì)算值表明副軸中心高于主軸，則需要對安裝副軸的基座進(jìn)行整體鏟刮，反之則需對安裝主軸的基座進(jìn)行鏟刮，鏟刮、研磨時(shí)要注意均勻，否則會(huì)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(diào)整方法

2.3 刀架精度調(diào)整方法

刀架上安裝著導(dǎo)套和各種刀具，它相對于主副軸的位置精度十分關(guān)鍵。調(diào)整刀架精度時(shí)，以Z1方向的直線度和主軸的旋轉(zhuǎn)中心作為基準(zhǔn)。調(diào)整時(shí)，先將環(huán)形檢具安裝到刀架的中心孔內(nèi)，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(nèi)壁上。需要調(diào)整的精度項(xiàng)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(zhuǎn)中心之間的同心度、副軸的旋轉(zhuǎn)中心與刀架孔中心的同心度。

圖6 刀架平行度的調(diào)整方法

如圖6所示，調(diào)整刀架孔的中心線與Z1方向之間的平行度時(shí)，先將表針打在測試環(huán)的中間位置，調(diào)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(nèi)重合。再移動(dòng)主軸，使表針在測試環(huán)內(nèi)壁的全程移動(dòng)，調(diào)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(nèi)，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(diào)整刀架孔中心與主軸旋轉(zhuǎn)中心之間的同心度時(shí)，先將千分表打在測試環(huán)的中間位置，旋轉(zhuǎn)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(jié)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(diào)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(diào)整完成后，最后還需再確認(rèn)副軸與刀架的精度，此項(xiàng)精度主要是為了保證副軸能準(zhǔn)確的從導(dǎo)套上接料。確認(rèn)時(shí)，先在刀架孔上安裝專用的驗(yàn)棒，千分表夾在副軸軸心上，確認(rèn)副軸與治具棒的同心精度在0.005mm以內(nèi)，如果不在范圍內(nèi)，則需要重新調(diào)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(dǎo)套中心精度的調(diào)整方法

2.4 Z3刀架與背面鉆孔座的精度調(diào)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(cè)面和頂端，Z3軸由最前端向后移動(dòng)60mm，確認(rèn)相對于Z1軸的平行度在0.01mm以內(nèi)。

圖9 Z3軸精度的調(diào)整方法

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

圖10 Z3背面鉆孔座的精度調(diào)整方法

Y2副軸背面鉆孔座上有4個(gè)孔位，可以安裝4個(gè)鉆頭，可實(shí)現(xiàn)在副軸側(cè)鉆端面孔。鉆孔座安裝在底座上，五軸機(jī)的底座為固定式，而六軸機(jī)的底座可在Y2方向移動(dòng)。如圖11所示，以五軸機(jī)為例，調(diào)整時(shí)先將驗(yàn)棒安裝在1、4孔內(nèi)并用5N.m的力矩壓緊，以Z2方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，調(diào)整孔中心線在水平和垂直面的傾斜精度；以副軸X2方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，調(diào)整1～4孔系中心的平行度；以副軸旋轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)，調(diào)整各孔中心的位置。

圖11 副軸背面鉆孔座的精度調(diào)整方法

2.5 動(dòng)力頭的精度調(diào)整方法

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

圖12 動(dòng)力頭精度的調(diào)整方法

3 精度分析

3.1 精度之間的關(guān)聯(lián)性

表1 縱切機(jī)床的主要精度項(xiàng)目

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

3.2 機(jī)床的冷態(tài)精度與熱態(tài)精度

機(jī)床的冷態(tài)裝配精度調(diào)整完成后，要進(jìn)行24h的空運(yùn)轉(zhuǎn)使其達(dá)到穩(wěn)定工作溫度，這時(shí)由于主軸、導(dǎo)軌、滾珠絲杠等部件受溫度變化的影響，會(huì)導(dǎo)致機(jī)床精度出現(xiàn)一定變化[8]。因此，在機(jī)床進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)后需要再次檢查機(jī)床精度，確保機(jī)床精度仍在范圍內(nèi)，然后再設(shè)定機(jī)床各軸的原點(diǎn)。需要注意的是，機(jī)床熱態(tài)的情況下，X2軸的滾珠絲杠熱變形量大，會(huì)導(dǎo)致d和g項(xiàng)精度有變化，在加工時(shí)需待精度穩(wěn)定后對X2軸進(jìn)行補(bǔ)正。

3.3 檢具精度的影響

調(diào)整縱切機(jī)床裝配精度時(shí)，所用檢具主要有主軸驗(yàn)棒、副軸驗(yàn)棒和導(dǎo)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(diào)整出的精度可再現(xiàn)性不好。因此，需要準(zhǔn)備幾套檢具，按公差帶對檢具進(jìn)行分組，調(diào)整機(jī)床精度時(shí)，根據(jù)孔的大小選擇合適的檢具，盡量減小配合間隙，以提高實(shí)際精度。

4 結(jié)論

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