論述影響車銑復(fù)合機床加工精度的因素有哪些？
點擊次數(shù)：1866 更新時間：2020-10-13
車銑復(fù)合機床是復(fù)合加工機床中發(fā)展zui快、使用zui廣泛的數(shù)控設(shè)備。對高速精密車銑復(fù)合數(shù)控機床來說，其主軸系統(tǒng)是電主軸結(jié)構(gòu)，機床的加工精度很大程度上取決于機床的電主軸系統(tǒng)的精度，并受刀架位置精度和機床整機動態(tài)性能的影響。因此在車銑復(fù)合機床制造與裝配過程中如何提高電主軸系統(tǒng)的精度、提高刀架的位置精度、改善機床的整機動態(tài)性能是機床設(shè)計的關(guān)鍵。本文從以下幾方面來分析影響車銑復(fù)合機床加工精度的因素，并提出相應(yīng)的解決方法。
一、車銑復(fù)合機床電主軸系統(tǒng)的精度
1.電主軸系統(tǒng)的分度精度和準(zhǔn)停精度
為實現(xiàn)上述目的，采取如下解決方法：
a.電機轉(zhuǎn)子與機床主軸采取特殊的裝配工藝，保證機床主軸與電機轉(zhuǎn)子內(nèi)孔的連接剛度，能傳遞大的切削扭矩。
b.電主軸組裝配時采用較高等級的高速動平衡，降低主軸組的剩余不平衡量，保證主軸在高速回轉(zhuǎn)時的平穩(wěn)性。
c.電主軸系統(tǒng)采用主軸制動和阻尼裝置，在需要主軸準(zhǔn)停銑削或鉆削時，主軸處制動狀態(tài)，以保證銑削時主軸不晃動。在連續(xù)分度銑削時，主軸處于阻尼狀態(tài)，以保證銑削時主軸回轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。制動狀態(tài)和阻尼狀態(tài)可以自動切換，由編程設(shè)定。通過以上措施，電主軸系統(tǒng)主軸的分度定位精度≤24”，主軸分度的重復(fù)定位精度≤12”。
2.電主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度
數(shù)控車銑復(fù)合加工中心為高精度加工機床，主軸組是關(guān)鍵部件，主軸組的回轉(zhuǎn)精度直接影響加工工件的精度。
為保證主軸組具有高的回轉(zhuǎn)精度，在電主軸系統(tǒng)中，主軸與電機轉(zhuǎn)子的連接、定子外套與主軸箱體的配合、主軸兩端與軸承組的配合等采取了以下一系列的工藝措施：
a.在電主軸裝配前先保證主軸箱體孔的精度，孔的圓度、尺寸公差、前后軸承孔的同軸度都在要求的范圍內(nèi);主軸軸頸的徑向跳動、前后軸頸的同軸度以及主軸端部的徑向跳動和端面跳動公差均控制在0.002mm之內(nèi)。
b.裝配時根據(jù)軸承外圈的尺寸，研磨主軸箱體孔，并使其與軸承外圓的配合公差嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍;電主軸的電機轉(zhuǎn)子與主軸采取特殊的裝配技術(shù)等。
二、電主軸系統(tǒng)的熱平衡
1.電主軸系統(tǒng)的熱平衡
a.主軸箱體采取熱對稱設(shè)計，箱體外的散熱筋兩邊對稱分布，讓主軸箱產(chǎn)生的熱量盡快通過散熱筋散發(fā)掉，同時由于散熱筋是對稱分布的，主軸發(fā)熱時主軸軸線不會產(chǎn)生偏移。
b.對主軸軸承的預(yù)加載荷和潤滑條件按設(shè)計要求予以控制，既保證主軸的剛度，又保證主軸在高速回轉(zhuǎn)時軸承發(fā)熱量zui小。
c.對電機這個主要發(fā)熱源采用外循環(huán)冷卻措施。在電主軸的定子外套外面裝有循環(huán)冷卻水套，冷卻水由獨立的溫控裝置進行控制，溫度控制在22±1℃，電機產(chǎn)生的熱量通過定子外面的冷卻水套的循環(huán)冷卻水迅速帶走。
通過以上技術(shù)措施，保證了主軸在高速回轉(zhuǎn)時前軸承溫升不超過25℃，后軸承溫升不超過20℃，實現(xiàn)了電主軸系統(tǒng)的熱平衡。
2.車銑復(fù)合機床動態(tài)性能
a.機床電主軸系統(tǒng)的動態(tài)性能。機床加工精度不僅受到前面各項因素的影響，還要受到電主軸一軸承系統(tǒng)的動態(tài)特性的影響，而機床的振動就取決電主軸一軸承系統(tǒng)的動態(tài)特性。由于電主軸一軸承系統(tǒng)是一個復(fù)雜的振動系統(tǒng)，其動態(tài)特性不僅與系統(tǒng)的阻尼和靜剛度有關(guān)，還與由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定的振型有關(guān)。因此在進行機床設(shè)計時，要進行動力學(xué)分析，計算出主軸箱體的一階、二階固有頻率，使其一階固有頻率要避開主軸的zui低轉(zhuǎn)速，二階固有頻率要避開電主軸的zui高轉(zhuǎn)速，以避免電主軸系統(tǒng)產(chǎn)生共振，消除由于振動造成的對機床加工精度的影響。
b.機床床身整體剛度對車銑復(fù)合機床的加工精度影響很大，在機床設(shè)計時還要對機床的床，身進行有限元分析，優(yōu)化機床床身結(jié)構(gòu)，提高機床的床身剛度，改善機床的整機動態(tài)性能，避免機床局部剛度不足引起機床結(jié)構(gòu)的變形，造成對機床加工精度的影響。
3.刀架分度定位精度及位置精度
車銑復(fù)合加工中心刀架的每個工位既可安裝車削刀具，又可安裝徑向和軸向動力刀具，并根據(jù)被加工工件的需要配置刀具的種類和數(shù)量。電動刀架的位置精度是影響車銑復(fù)合機床加工精度的重要因素，在機床設(shè)計和制造過程中要加以重視。為提高刀架的分度定位精度和位置精度，可采取如下解決方法：
a.刀架分度定位一致性的高低，對加工工件的尺寸一致性影響很大。為此選擇高分度精度的電動刀架，并對刀架采用專門的裝配工藝，保證刀架分度定位精度≤0.005mm。
b.實現(xiàn)刀架X紀(jì)向伺服運動的X/Z軸的位置精度也是_項重要的精度指標(biāo)，該項精度與加工工件的尺寸分散度及一致性直接有關(guān)。這是一項綜合精度，涉及到滾珠絲杠和軸承的精度、刀架拖板的伺服靈敏度、拖板的伺服慣量與負(fù)載慣量的匹配等多方面。在設(shè)計時，選擇高精度的滾珠幺幺杠和軸承配套件，進行合理的伺服慣量與負(fù)載慣量匹配;在裝配時對軸承進行負(fù)荷預(yù)緊并對滾珠絲杠進行預(yù)拉伸，消除由于熱變形對軸承和滾珠絲杠精度的影響，以保證刀架具有良好的伺服靈敏度以及刀架在X/Z向高的定位精度和重復(fù)定位精度。
四、結(jié)束語
通過以上分析可知，在車銑復(fù)合機床的制造與裝配過程中，只要合理地解決電主軸系統(tǒng)的精度、車銑復(fù)合機床動態(tài)性能、電動刀架的分度定位精度及位置精度等問題，就可以使車銑復(fù)合機床具有較高的加工精度和精度保持性
一、車銑復(fù)合機床電主軸系統(tǒng)的精度
1.電主軸系統(tǒng)的分度精度和準(zhǔn)停精度
車銑復(fù)合機床電主軸系統(tǒng)的分度精度和準(zhǔn)停精度是考核機床主軸精度的一個重要指標(biāo)，是影響機床加工精度的重要因素。為了實現(xiàn)電主軸系統(tǒng)高的分度精度和準(zhǔn)停精度，上數(shù)控車銑復(fù)合加工中心均采用內(nèi)藏主軸式電機(簡稱電主軸)，主軸與電機轉(zhuǎn)子裝配成一體，減少中間傳動環(huán)節(jié)對主軸精度的影響。工作時，電機轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)即帶動主軸回轉(zhuǎn)。主軸回轉(zhuǎn)的速度環(huán)和位置環(huán)采用高精度的反饋元件，實現(xiàn)全閉環(huán)控制，反饋元件采集到的位置信號經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)分頻處理，使主軸分度的分辨率達到0.001°(主軸zui小分度單位為3.6”)或更小，從而使機床主軸系統(tǒng)具有很高的分度精度和準(zhǔn)停精度。
為實現(xiàn)上述目的，采取如下解決方法：
a.電機轉(zhuǎn)子與機床主軸采取特殊的裝配工藝，保證機床主軸與電機轉(zhuǎn)子內(nèi)孔的連接剛度，能傳遞大的切削扭矩。
b.電主軸組裝配時采用較高等級的高速動平衡，降低主軸組的剩余不平衡量，保證主軸在高速回轉(zhuǎn)時的平穩(wěn)性。
c.電主軸系統(tǒng)采用主軸制動和阻尼裝置，在需要主軸準(zhǔn)停銑削或鉆削時，主軸處制動狀態(tài)，以保證銑削時主軸不晃動。在連續(xù)分度銑削時，主軸處于阻尼狀態(tài)，以保證銑削時主軸回轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。制動狀態(tài)和阻尼狀態(tài)可以自動切換，由編程設(shè)定。通過以上措施，電主軸系統(tǒng)主軸的分度定位精度≤24”，主軸分度的重復(fù)定位精度≤12”。
2.電主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度
數(shù)控車銑復(fù)合加工中心為高精度加工機床，主軸組是關(guān)鍵部件，主軸組的回轉(zhuǎn)精度直接影響加工工件的精度。
為保證主軸組具有高的回轉(zhuǎn)精度，在電主軸系統(tǒng)中，主軸與電機轉(zhuǎn)子的連接、定子外套與主軸箱體的配合、主軸兩端與軸承組的配合等采取了以下一系列的工藝措施：
a.在電主軸裝配前先保證主軸箱體孔的精度，孔的圓度、尺寸公差、前后軸承孔的同軸度都在要求的范圍內(nèi);主軸軸頸的徑向跳動、前后軸頸的同軸度以及主軸端部的徑向跳動和端面跳動公差均控制在0.002mm之內(nèi)。
b.裝配時根據(jù)軸承外圈的尺寸，研磨主軸箱體孔，并使其與軸承外圓的配合公差嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍;電主軸的電機轉(zhuǎn)子與主軸采取特殊的裝配技術(shù)等。
采取以上措施后，電主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度得到了保證，主軸的徑向跳動和端面跳動都在0.002mm之內(nèi)，為保證工件的加工精度奠定了基礎(chǔ)。
二、電主軸系統(tǒng)的熱平衡
1.電主軸系統(tǒng)的熱平衡
電主軸系統(tǒng)中電機是個發(fā)熱體，高速回轉(zhuǎn)的前后軸承也是發(fā)熱體，這會使電主軸的溫度上升，影響電主軸系統(tǒng)的加工精度。如何消除熱源對機床主軸精度的影響，實現(xiàn)電主軸系統(tǒng)的熱平衡是車銑復(fù)合機床設(shè)計和制造過程中要解決的關(guān)鍵問題。為此采取以下幾項措施：
a.主軸箱體采取熱對稱設(shè)計，箱體外的散熱筋兩邊對稱分布，讓主軸箱產(chǎn)生的熱量盡快通過散熱筋散發(fā)掉，同時由于散熱筋是對稱分布的，主軸發(fā)熱時主軸軸線不會產(chǎn)生偏移。
b.對主軸軸承的預(yù)加載荷和潤滑條件按設(shè)計要求予以控制，既保證主軸的剛度，又保證主軸在高速回轉(zhuǎn)時軸承發(fā)熱量zui小。
c.對電機這個主要發(fā)熱源采用外循環(huán)冷卻措施。在電主軸的定子外套外面裝有循環(huán)冷卻水套，冷卻水由獨立的溫控裝置進行控制，溫度控制在22±1℃，電機產(chǎn)生的熱量通過定子外面的冷卻水套的循環(huán)冷卻水迅速帶走。
通過以上技術(shù)措施，保證了主軸在高速回轉(zhuǎn)時前軸承溫升不超過25℃，后軸承溫升不超過20℃，實現(xiàn)了電主軸系統(tǒng)的熱平衡。
2.車銑復(fù)合機床動態(tài)性能
a.機床電主軸系統(tǒng)的動態(tài)性能。機床加工精度不僅受到前面各項因素的影響，還要受到電主軸一軸承系統(tǒng)的動態(tài)特性的影響，而機床的振動就取決電主軸一軸承系統(tǒng)的動態(tài)特性。由于電主軸一軸承系統(tǒng)是一個復(fù)雜的振動系統(tǒng)，其動態(tài)特性不僅與系統(tǒng)的阻尼和靜剛度有關(guān)，還與由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定的振型有關(guān)。因此在進行機床設(shè)計時，要進行動力學(xué)分析，計算出主軸箱體的一階、二階固有頻率，使其一階固有頻率要避開主軸的zui低轉(zhuǎn)速，二階固有頻率要避開電主軸的zui高轉(zhuǎn)速，以避免電主軸系統(tǒng)產(chǎn)生共振，消除由于振動造成的對機床加工精度的影響。
b.機床床身整體剛度對車銑復(fù)合機床的加工精度影響很大，在機床設(shè)計時還要對機床的床，身進行有限元分析，優(yōu)化機床床身結(jié)構(gòu)，提高機床的床身剛度，改善機床的整機動態(tài)性能，避免機床局部剛度不足引起機床結(jié)構(gòu)的變形，造成對機床加工精度的影響。
3.刀架分度定位精度及位置精度
車銑復(fù)合加工中心刀架的每個工位既可安裝車削刀具，又可安裝徑向和軸向動力刀具，并根據(jù)被加工工件的需要配置刀具的種類和數(shù)量。電動刀架的位置精度是影響車銑復(fù)合機床加工精度的重要因素，在機床設(shè)計和制造過程中要加以重視。為提高刀架的分度定位精度和位置精度，可采取如下解決方法：
a.刀架分度定位一致性的高低，對加工工件的尺寸一致性影響很大。為此選擇高分度精度的電動刀架，并對刀架采用專門的裝配工藝，保證刀架分度定位精度≤0.005mm。
b.實現(xiàn)刀架X紀(jì)向伺服運動的X/Z軸的位置精度也是_項重要的精度指標(biāo)，該項精度與加工工件的尺寸分散度及一致性直接有關(guān)。這是一項綜合精度，涉及到滾珠絲杠和軸承的精度、刀架拖板的伺服靈敏度、拖板的伺服慣量與負(fù)載慣量的匹配等多方面。在設(shè)計時，選擇高精度的滾珠幺幺杠和軸承配套件，進行合理的伺服慣量與負(fù)載慣量匹配;在裝配時對軸承進行負(fù)荷預(yù)緊并對滾珠絲杠進行預(yù)拉伸，消除由于熱變形對軸承和滾珠絲杠精度的影響，以保證刀架具有良好的伺服靈敏度以及刀架在X/Z向高的定位精度和重復(fù)定位精度。
四、結(jié)束語
通過以上分析可知，在車銑復(fù)合機床的制造與裝配過程中，只要合理地解決電主軸系統(tǒng)的精度、車銑復(fù)合機床動態(tài)性能、電動刀架的分度定位精度及位置精度等問題，就可以使車銑復(fù)合機床具有較高的加工精度和精度保持性