楊雙江

摘要：機(jī)床導(dǎo)軌有無偏差直接影響到機(jī)械加工精度，機(jī)床導(dǎo)軌出現(xiàn)偏差會降低導(dǎo)軌導(dǎo)向精度，進(jìn)而無法保證機(jī)械加工精度。不同的機(jī)床類型、加工方式以及零件特征，導(dǎo)軌偏差導(dǎo)致的精度誤差也是各不相同，通過車床加工軸類零件時，Δz方向不會出現(xiàn)偏差，但是在Δx以及Δy方向會出現(xiàn)偏差，而加工絲桿零件時，在Δx、Δy、Δz三個方向都會產(chǎn)生加工偏差。機(jī)床導(dǎo)軌偏差的出現(xiàn)主要是因為導(dǎo)軌運動磨損、機(jī)床的安裝以及導(dǎo)軌的熱變形三個方面。

關(guān)鍵詞：機(jī)床導(dǎo)軌;偏差;加工精度

0? 引言

機(jī)床導(dǎo)軌是機(jī)床設(shè)備正常運行中非常重要的一個部件，是將某些機(jī)構(gòu)依照導(dǎo)軌路線精準(zhǔn)輸送到指定位置的載體，也是確保機(jī)床加工中主要部件相對位置不改變的重要前提，是開展機(jī)床加工的主要基準(zhǔn)。假如機(jī)床導(dǎo)軌出現(xiàn)偏差時，就會導(dǎo)致移動部件在運動過程中與固定部件的相對坐標(biāo)產(chǎn)生改變，影響了部件運動的尺寸精確性，從而導(dǎo)致加工完成的零部件不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。所以，機(jī)床導(dǎo)軌誤差是影響零部件加工精度的主要因素，在機(jī)床總體誤差中也占據(jù)了較大成分，加強控制機(jī)床導(dǎo)軌偏差對于提高機(jī)械加工精度十分重要。

為此，本文以構(gòu)建導(dǎo)軌導(dǎo)向的數(shù)學(xué)誤差模型為基礎(chǔ)，探討了導(dǎo)軌誤差與零部件加工精度的相互關(guān)系，尋找出機(jī)床出現(xiàn)導(dǎo)軌誤差的根本原因，在機(jī)械加工過程中采取有效的措施給予避免，從而提高機(jī)床機(jī)械加工品質(zhì)。

1? 構(gòu)建導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差的數(shù)學(xué)模型

導(dǎo)軌導(dǎo)向精度表示為跟隨導(dǎo)軌共同運動的副運動部件實際和理論運動路徑之間的偏差程度，將兩者的數(shù)據(jù)相減就是導(dǎo)向偏差。

為了更好的探究機(jī)床加工過程中實際導(dǎo)向偏差的大小，在機(jī)床上設(shè)定一個位置不變的直角坐標(biāo)系P[o，x，y，z]，初始點0與加工偏差的度量基準(zhǔn)保持相對固定關(guān)系，并共同依附在導(dǎo)軌y軸指定位置上。于此同時在導(dǎo)軌運動平臺上設(shè)置一個直角坐標(biāo)系P1[o，x′，y′，z′]以及一個輔助直角坐標(biāo)系P2[o，x″，y″，z″][1-2]。初始點o1以及基準(zhǔn)軸的確定需要依照導(dǎo)軌誤差測量方向。輔助坐標(biāo)系以及固定坐標(biāo)系的方向要保持一致，并保證各個軸線保持平行關(guān)系，在導(dǎo)軌線性運動過程中不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。如圖1所示為導(dǎo)軌輔助坐標(biāo)系示意圖。

2? 機(jī)床導(dǎo)軌誤差對加工精度的影響

機(jī)床導(dǎo)軌導(dǎo)向偏差根據(jù)機(jī)床類型、加工方式不同也會產(chǎn)生不同的影響，最終產(chǎn)生的加工偏差也不相同。

在使用車床進(jìn)行軸類零部件加工時，Δz方向不會出現(xiàn)加工偏差，但是在Δx以及Δy方向會出現(xiàn)相對偏差，此時ΔRx=Δx、ΔRy≈（Δy）2/D[3]，如圖2所示為導(dǎo)向偏差對外圓周加工影響示意圖。ΔRy是建立在ΔY基礎(chǔ)出現(xiàn)的二次誤差，因此其產(chǎn)生的誤差影響微乎其微。

對圖2進(jìn)行分析可以得出，該公式中H表示中心高度，B表示導(dǎo)軌寬度，γ表示導(dǎo)軌擺角，δ表示導(dǎo)軌扭曲程度[4]。通常情況下，普通車床高：寬=2：3，外圓磨床高與寬比例接近1：1，可見這個誤差會降低機(jī)床加工精度。

在使用普通車床進(jìn)行絲桿零部件加工時，Δx、Δy、Δz三個方向都會產(chǎn)生加工偏差，主要表現(xiàn)為螺紋導(dǎo)程偏差以及螺紋牙尺寸偏差。出現(xiàn)牙形尺寸與圖紙要求不符的原因是，成形車刀各個切削點在坐標(biāo)系中的位置無法做到全部相同，假如車床導(dǎo)軌產(chǎn)生角位移偏差時，就會引起刀具切削點線性偏差[5]。如圖3所示為車削絲桿部件的導(dǎo)軌副坐標(biāo)系示意圖。

3? 導(dǎo)軌誤差產(chǎn)生的原因分析

3.1 導(dǎo)軌運動磨損

機(jī)床導(dǎo)軌在往復(fù)運動過程中，導(dǎo)軌與導(dǎo)軌副之間會產(chǎn)生一定的磨損，導(dǎo)軌副各個地方的磨損量不一致時，就會導(dǎo)致直線度以及垂直度誤差，嚴(yán)重影響到機(jī)床自身的導(dǎo)向精度，從而造成加工精度降低，難以保證尺寸精度要求。機(jī)床導(dǎo)軌磨損的大小受到了機(jī)床連續(xù)工作時間、工作環(huán)境溫度以及零件加工類型等因素的影響。

比如說傳統(tǒng)的車床在進(jìn)行車削工作時，產(chǎn)生的切削力主要傳遞到導(dǎo)軌的前部分，因此，在長期工作中會使得前部導(dǎo)軌的磨損較大。對傳統(tǒng)車體進(jìn)行實際測量可以得知，在正常兩班倒工作體系下，車床使用12個月以后前部導(dǎo)軌的最大磨損量可以達(dá)到0.06mm，而對于經(jīng)常從事粗加工的機(jī)床來說磨損量更大，最大能夠達(dá)到0.13mm，此外，一些主要進(jìn)行鑄鐵件加工的車床，前部導(dǎo)軌磨損量還會進(jìn)一步加大[6]。于此同時，機(jī)床導(dǎo)軌中每個區(qū)間應(yīng)用頻率以及工作強度不同，也會導(dǎo)致個別位置導(dǎo)軌誤差較大。通常情況下車床主軸線附近的導(dǎo)軌磨損量最大，而尾架附近的導(dǎo)軌磨損量最小。鋸床工作中一般處于導(dǎo)軌中部位置，所以鋸床導(dǎo)軌中間位置的磨損量比兩端都要大。

3.2 機(jī)床的安裝

機(jī)床安裝以及安裝場地的地基情況都會對機(jī)床加工精度產(chǎn)生較大影響，這是因為當(dāng)機(jī)床安裝中四個支點不處于同一個水平面，或者安裝時處于同一水平面，但是由于地基不牢固、下沉等原因，在后期也會導(dǎo)致各個支撐點高度不一致，從而導(dǎo)致機(jī)床導(dǎo)軌產(chǎn)生扭曲或者變形，降低機(jī)床導(dǎo)軌導(dǎo)向精度，進(jìn)而影響機(jī)床加工精度。

比如說兩個支撐點距離為1米的車床設(shè)備，當(dāng)安裝面不平整時，對導(dǎo)致機(jī)床導(dǎo)軌產(chǎn)生0.19mm的扭曲誤差。此外，對于一些高精密機(jī)床、重型機(jī)床等，微小的安裝誤差會給機(jī)床精度產(chǎn)生更大的影響。而對于一些安裝尺寸較大的龍門銑床、導(dǎo)軌磨床等，由于機(jī)床自身長度非常長，剛度較差，受到自身重力因素的影響，在長時間使用中也會產(chǎn)生下垂，從而導(dǎo)致導(dǎo)軌變形或者扭曲。

3.3 導(dǎo)軌的熱變形

機(jī)床在進(jìn)行工件加工時，運動副需要在導(dǎo)軌上做高速往復(fù)運動，必然會產(chǎn)生較大的摩擦熱量，隨著溫度的升高，導(dǎo)軌會產(chǎn)生熱膨脹，造成導(dǎo)軌導(dǎo)向精度降低，目前導(dǎo)軌受熱變形也是機(jī)床導(dǎo)軌偏差產(chǎn)生的重要原因。一些大型的、高精密的機(jī)床，當(dāng)導(dǎo)軌出現(xiàn)熱變形時，會嚴(yán)重影響到機(jī)床的加工精度。比如說大型龍門刨床，其長度與寬度分別為10m、0.8m，當(dāng)導(dǎo)軌持續(xù)受熱，自身溫度超過周圍環(huán)境溫度1℃時，導(dǎo)軌受熱變形產(chǎn)生的變形量就可以達(dá)到0.2mm，這樣的誤差范圍等同于整個導(dǎo)軌的精度誤差總和了[7]。

4? 結(jié)語

綜上所述，機(jī)床導(dǎo)軌偏差嚴(yán)重影響到機(jī)床加工精度，在一些大型機(jī)床、高精度機(jī)床上，導(dǎo)軌偏差產(chǎn)生的加工誤差更為明顯，為了降低機(jī)床導(dǎo)軌偏差對加工精度的影響，可以從降低導(dǎo)軌運動磨損、提高機(jī)床安裝精度以及控制導(dǎo)軌溫度三個方面進(jìn)行。

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