數控程序補償機床反向間隙精密車削
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摘要：基于圓弧回轉類零件的精密數控車削的所需要求，提出一種在數控機床絲杠磨損情況下提升機床加工精度的車削方法并進行試驗論證和批量生產檢驗。方法試驗階段：對應匹配關系對程序段中的R、U或W值及刀尖半徑補償進行修改，完成后測量加工表面的形狀精度，從而驗證該方法是否能夠提升機床在絲杠磨損情況下的加工精度，最終根據實驗及批量生產的結果表明該方法切實有效，產品質量得到有效提升且波動穩定。
0前言
隨著現代加工方案的日新月異，為滿足高精度零件的加工需求，越來越先進的精密數控加工設備逐漸取代了傳統的普工作業，然而圓弧結構在車削時的半徑值往往只能依靠具備較高精度的精密數控機床來保證，這便產生了兩個問題，一是精密數控機床資金投入太大；另一個便是機床服役較長時間后，絲杠磨損所產生的反向間隙問題。圓弧車削時，機床在接收到“G02”或“G03”的數控指令后需連續控制X軸與Z軸進行梯形插補作業，而較大的絲杠反向間隙便使機床的點位控制度和重復定位精度大幅下降，最終致使在批量加工中，零件產生尺寸漂移和質量離散不穩的情況，嚴重時還有可能產生扎刀或撞機等安全問題，然而絲杠的維修和更換則又給企業帶來了較大的維修成本和時間成本。故無論是使用普通經濟型數控機床還是精密數控機床，如何根據絲杠反向間隙值，最大限度保證車削精度便成了最大的問題，本文以某型號船用中速柴油機氣閥鎖夾槽為例，使用經濟型數控機床討論一種使用數控程序補償機床反向間隙的精密車削方法。
1工藝介紹
為保證產品的加工質量，根據設備和材料的不同，需要對氣閥進行前道預處理即機加工粗車，具體如下：
1．1傳統經濟型數控車床（手工裝夾）
1．1．1夾持φ14mm桿身（此道前已預留加工余量），根據材料選擇合適的車削參數即轉速、進給、背吃刀量，使用專用定位套（可使用弧形套或切角套），以粗車完成后的頸部圓弧作為定位支撐點，對精車時需要裝夾的盤外圓及端面位置進行定量車削，為后道創造精基準。1．1．2使用反齒爪頂推盤底面定位，手工鎖緊三爪卡盤（如用四爪則裝夾后需要打表進行校正桿身，以此來保證夾持基準無誤，但由于該道加工前桿身仍然為粗車狀態，故校正難度較大，且存在一定偏差），桿端使用內頂尖／凹頂尖定位（如桿端存有中心孔則可直接使用），車削φ14mm桿身，制作打孔基準。1．1．3掉頭裝夾，夾持車削后的φ14mm桿徑，以桿端面定位，將中心架移動至變徑處，同時將鉆頭尾座距離歸零，在盤底處鉆削中心孔。1．1．4裝夾于外圓磨床，可使用雙頂尖進行盤部外圓和盤底面磨削（底面磨削時的磨削長度僅需超越卡爪夾持距離即可），如該步驟使用無心磨床則先磨桿身，再以磨削后的桿身作為基準進行盤底面的中心孔加工。該步驟相對于一般經濟型數控的手工裝夾并不需要，如若尺寸問題較為嚴重則可利用磨床創造較為良好的夾持基準。1．1．5在普通車床上，采用夾持盤部＋輔助中心架的裝夾方法，以盤底面定位，手工裝夾后鎖緊卡爪，中心架移動至盡可能靠近桿端的位置（不影響進刀即可），根據桿端倒角角度，將主切削刃撥轉至與倒角角度相同，定位修正倒角，若加工材料較硬或表層含有耐磨涂層，則可使用走刀車削的方式修正。值得一提的是，該步驟雖為普工作業，但卻十分重要，因倒角未做修正工序前為粗車狀態時加工，在經過磨削后，常常容易出現偏心和半邊大小的情況（此在無心磨床加工時更為明顯），此道為重要的創造基準工序，若倒角偏移，則將會致使車削鎖夾槽時發生不規則的尺寸變化，往往還會出現位置度和同心度漂移較大的情況，也易在裝配時發生偏軸。1．1．6完成1－5步后，則使用“一夾一頂的方式”開始車削圖1中R12處鎖夾槽。
1．2使用液壓或氣動卡爪的數控車床
主要工序路徑不變，相比于采用手工裝夾的傳統經濟型數控車床，由于液壓或氣動卡爪裝夾后無法由人工自由調節，則更需要較為優良的基準，故第4－5步則十分重要，值得強調提出的是，現在的精密數控車床及智能車床正在逐步的向無人化，遠程化的方向發展，但同時也就意味著其對其他基準創造工序提出了更高的要求，萬不可產生某一臺設備或某一步工序做的好，就可保證整個產品質量的概念。
1．3使用伺服、液壓尾座、可編程尾座的數控車床
主體加工流程不變，但在執行第6步時，需要測試頂尖的頂推壓力的合理性，可打表檢測桿身是否存在彎曲情況，如長徑比不大的情況下，則需要根據頂尖聲音和中心孔的發熱情況判斷，現在的精密機床大多帶有監測壓力的反饋機制，以防發生工件彎曲或頂尖碎裂的情況。
1．4成型數控機床
該種機床情況比較特殊，多為定制機，刀片成型加工，但對被加工工件的回轉同心度要求較高，具體如下：1．4．1執行1－3步；1．4．2雙頂尖定位磨削桿身，如車床本身直線度及重復定位精度較高則可直接在車床上進行加工，無需再上磨床磨削，值得注意的是由于使用雙頂尖車削，車削余量較小，加工效率較低。1．4．3在桿身磨削／車削完成后可直接進行車刀成型切入，如槽深較大，則需先用外圓車刀進行開粗，最后再使用成型刀進行光整，傳統加工方式中，該道光整加工多為滾壓，但刀片和滾輪的損耗都比較大，此處介紹該種加工方式僅供參考。
2實驗方案
采用SK40P經濟型數控車床作為被測機床，選擇某型號船用中速柴油機氣閥鎖夾槽作為加工零件，材料為20Cr21Ni12N，桿徑φ14，圓弧半徑R12＋0．050，弧底直徑為φ10．50－0．05，以半徑值和批量加工的離散程度作為判定指標，氣閥產品示意圖見圖1。
3實驗過程及數據記錄
3．1測量機床反向間隙
以卡爪齒底面為Z軸零位，以氣閥中心線為X軸零位，打表檢測機床X軸與Z軸機床的反向間隙，見圖2（Z軸間隙）、圖3（X軸間隙），記錄檢測數據見表1（SK40P反向間隙測量值）。經上表數據可得車床的X軸反向間隙為0．06mm，Z軸反向間隙為0．07mm，對應將測量值輸入車床的0034和0035中，此步為正常狀態下機床調節反向間隙的通用方法，因加工位置固定則僅需要對所需使用位置進行檢測即可。
3．2程序編制及路徑模擬
圓弧段程序為“G02U－3．5W－6．25R12．03”、“G02U3．5W－6．25R12．03”，刀尖半徑補償為R0．4mm，將程序導入仿真軟件中，根據刀路仿真實線圖和模型試車圖可知，刀路正常，程序無誤，未有干涉和失圓情況，見圖4（刀路仿真模擬圖）。
3．3試車圓弧
在同一根氣閥上按10mm的相同間隔連續加工10個鎖夾槽，完成后按1－10的順序進行編號，檢驗階段，將氣閥垂直放置于軸類檢測儀平臺上，桿端倒角使用凹頂尖／內頂尖進行裝夾，定位光學測量圓弧R值，測量值見表2（半徑測量值），尺寸離散情況見圖5（程序調整前半徑值離散情況分布圖）。分析：據圖表及記錄數據分析，尺寸最大離散值為0．1791mm，公差波動范圍為－0．1791～＋0．1584mm，尺寸公差帶為0．3375mm，合格率僅為10％；
3．4修改程序及刀補
將刀尖半徑補償由R0．4修改為R0．42，程序段指令修改為“G02U－3．54W－6．3R12．03”、“G02U3．54W－6．3R12．03”，0034和0035中的機床間隙補償值不變。
3．5圓弧試車
按照修改后的程序導入機床開始加工，完成后按A－J編號，檢驗階段，將氣閥垂直放置于軸類檢測儀平臺上，桿端倒角使用凹頂尖／內頂尖進行裝夾，定位光學測量圓弧R值，得出修改后的圓弧半徑值見表3（平均半徑測量值），尺寸離散情況見圖6（程序調整后半徑值離散情況分布圖）。分析：據上圖表及記錄數據分析，尺寸最大離散值為0．0288mm，公差波動范圍為－0．0288～＋0．0187mm尺寸公差帶為0．0475mm，10支均全部符合圖紙尺寸要求。3．6對比分析根據上述實驗數據制作質量折線對比圖表，見圖7（程序調整前后半徑值離散情況對比圖），從表中可以清晰的看出程序及刀補修改前后的尺寸公差帶由0．3375mm縮減至0．0475mm，尺寸波動幅度由－0．1791～＋0．1584mm縮減至－0．0288～＋0．0187mm，符合產品圖紙要求的同時，質量波動減小，加工精度提升，該方案應切實有效。
4結論
根據上述兩組實驗對比圖7可以看出，機床在執行梯形插補類的指令時，受絲杠反向間隙的影響是較大的，利用程序和刀尖圓弧半徑來控制絲杠執行距離的方法應可以達到補償機床絲杠反向間隙，提升車削精度，從而達到保障回轉類零件圓弧形狀及尺寸精度的目的。
參考文獻：
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作者:王洋 單位:南京中遠海運船舶設備配件有限公司
