刀具安裝偏差引起的徑向尺寸誤差及補償?shù)难芯?/h1>
2013-09-29 01:26:10王大慶
制造技術與機床 2013年3期
程 輝 王大慶
（①河南工程學院電氣信息工程學院，河南鄭州451192;②中原工學院工業(yè)訓練中心，河南鄭州450007）
在工件加工的過程中，總是存在誤差的，人們希望了解可能造成誤差的各種因素，分析其成因和性質，逐一加以克服，最終獲得精確的控制結果。誤差的種類很多，比如機床本身誤差、測量誤差、定位誤差、控制誤差等等［1］，這些常見的誤差已經(jīng)逐一被人們認識并進行校正。本文提出的是由刀具安裝高度誤差引起的、貫穿整個控制徑向尺寸加工過程的誤差。由于刀具安裝高度誤差的存在，而工件徑向尺寸控制的算法不變，因此造成參數(shù)計算錯誤，最終導致控制目標不能準確完成。這種誤差從控制理論上來說，是客觀存在、而且普遍作用于所有的車削加工——徑向尺寸控制過程當中的，但一直以來被人們忽視。分析清楚這種誤差并進行準確地補償，不但從理論計算方面前進了一步，而且避免了由于算法不到位造成的加工誤差。本文在分析刀具安裝高度誤差成因、后果的基礎上，計算出在工件徑向尺寸控制時為有效消除這種誤差而給于補償?shù)亩筷P系，并推導出補償?shù)墓?。多次實驗后結果證明誤差計算與補償正確得當。在實際的加工過程中，對不同的加工類型都可以不同程度地提高精度、效率、避免廢品的產(chǎn)生，具有很明顯的實用價值。
1 “算法誤差”產(chǎn)生的原因
加工精度與多種誤差因素相關，其中長久以來被人們忽視的，就是由于刀尖安裝高度與主軸軸線不等高引起的徑向尺寸誤差。
標準狀態(tài)下，刀尖的實際安裝高度與工件的旋轉中心（即主軸軸線）等高，刀具的前進方向與基面是重合的，此時中拖板進刀方向即為徑向。暫不考慮其他誤差因素的話，以圓柱孔加工為例，刀具前進的距離與將被切除的材料厚度（切削深度、背吃刀量）是完全一致的。但是實際上刀具的安裝高度，是不可能與主軸軸線完全等高的，或多或少總有誤差存在，況且刀具高度多數(shù)依靠手工調整墊片確定，一般情況下也并不進行嚴格要求，就是說刀具安裝高度誤差是始終、普遍存在的，只是根據(jù)裝刀的具體情況，有程度上的不同。
此時，由于刀具安裝高度與主軸軸線不等高，而刀具隨中拖板水平移動時，進刀方向將不再與工作基面重合，而是呈一個隨刀尖距主軸軸線距離變化而變化的夾角，因此，刀具位移與實際切削深度（背吃刀量）之間將產(chǎn)生誤差。這將實際影響到尺寸控制的精度、增加測量和修正的工作量，甚至可能造成尺寸控制的最終失敗。
如圖1所示，當?shù)都獾母叨扰c主軸軸線高度有高度誤差e時，因為中拖板的運動方向受導軌限制，只能做水平運動，刀具前進的方向將不再是指向軸心的直徑方向B－C（B－C與實際工作基面的方向重合），而是與其呈一個夾角（α）保持水平的B－B'方向，此時不僅切削平面和基面都同時傾轉了一個角度（α），造成刀具的實際工作前、后角發(fā)生了變化（相關影響可參閱有關資料，此處不做分析）;而且同時出現(xiàn)的情況是:刀具沿B－B'方向前進B－C長度的距離時，將切除較B－C更少的材料厚度，即與理論上將被切除的材料厚度（理論切削深度）相比為小——無論刀尖是高還是低，從而使得原來計算出的數(shù)據(jù)不再準確。
2 誤差補償數(shù)據(jù)的計算
如果忽視了刀具前進方向的改變，不做任何補償，加工控制就產(chǎn)生誤差。這一情況不管是對于外輪廓還是內輪廓，在實際的車削控制徑向尺寸的過程中是始終、普遍存在的。為了提高加工精度，就需要能夠定量地計算補償數(shù)據(jù)。下面以圓柱孔加工為例，如圖1所示，此誤差的公式分析推導如下:
式中:BC為理論切削深度;R為要求加工完成后表面半徑;r為待加工表面半徑;α為實際基面方向與實際進刀方向的夾角。則
從空間點的坐標關系可分析出:
設誤差（補償）值為σ，則:
需要強調的是這一公式同樣適用于所有的車削加工徑向尺寸控制過程分析。
下面舉例說明公式的計算和運用過程:
例:要將直徑為20 mm的孔加工到25 mm，實測刀尖高度比主軸軸線高出5 mm，由此造成的徑向尺寸誤差計算如下:
那么在基本的切削深度（背吃刀量）2.5 mm的基礎上再加上補償值0.296 mm，就得到了補償后的實際切削深度2.796 mm。
3 實驗結果
為驗證刀尖高度誤差在車削加工中對工件徑向尺寸控制時影響的大小及補償后對精度的影響，同時盡可能地減小其他誤差的影響，本文用同一臺車床相同的操作測量工具和相同的刀具做了多次試驗，實驗時工件徑向尺寸控制類型及加工目標、條件等基本內容如表1所示，其結果如表2所示。
表2中加工精度是以表1中的目標定位為基量，補償前后的數(shù)據(jù)平均后與之作差，求出補償前后公差帶后計算的。忽略其他誤差從數(shù)據(jù)中明顯可看出刀尖高度誤差引起的加工誤差時刻存在，對不同加工類型影響有較大差別;補償后的加工精度都有提高，特別是在細加工和小直徑加工中，達到了90%以上，小孔徑由于空間過小，補償有一定的限制，但也達到60%充分說明了本文所涉及的誤差計算與補償正確有效。
4 不同加工類型的應用需求分析
實際車削加工中有很多不同的加工類型和控制目標，針對不同的控制需求，此誤差補償所起到的實際作用也有很大不同，上述實驗也證明如此。為更好地運用到實踐中去，可以從4個方面作應用需求分析:
表1 實驗基本內容與要求
表2 實驗結果
（1）精度要求
粗加工時，由于對尺寸精度的要求不高，此誤差雖然存在，但基本可以忽略。在本文實驗中盡管補償后精度相對于補償前有提高，但補償前的精度已基本滿足加工要求;精加工時，尺寸精度是重要的控制目標，此誤差應予以重視。
（2）測量因素
加工過程中存在大量的中間測量時（如:普通車床單件加工），由于多次試切過程中此誤差可以被加工者及時發(fā)現(xiàn)，并得到人工補償，雖然誤差不能忽略，但一般不會造成最終的控制失敗;在沒有或很少中間測量時，如數(shù)控編程加工，此誤差將不會被及時發(fā)現(xiàn)，并可能造成工件精度控制的失?。ㄈ?造成更多試制件浪費）。
（3）直徑影響
從公式推算可以看出，加工直徑較大的工件時，同樣的刀尖高度誤差，所產(chǎn)生的夾角較小，對精度影響也會較小;而加工直徑較小的工件時，刀尖高度誤差所產(chǎn)生的夾角就比較大，對精度影響也較大。
（4）孔加工
車削直徑較大的內孔，刀桿較易順利進入，刀尖的安裝高度也比較容易與主軸軸線等高;車削直徑較小的內孔時，為便于刀桿順利進入孔內，一般需要有意地抬高刀具［2］，則刀尖高度明顯高于主軸軸線（特制鏜孔刀除外），此時的實際進刀方向與徑向的夾角（α）也會很大，使得此誤差同步變大，不可忽略。
5 結語
刀尖高度誤差引起的徑向尺寸控制誤差在多數(shù)情況下是普遍、客觀存在而不應被忽視的，對于一些特殊的加工類型及加工要求嚴格的，在實際工作中就需要進行計算補償，不但可以節(jié)約時間與勞力，也可節(jié)省材料與成本。本文所做的實驗結果也證明了本文的誤差分析與補償計算正確得當，具有很好的使用價值。
［1］林艷華.機械制造技術基礎［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2010:97－115.
［2］王公安.車工工藝學［M］.北京:中國勞動社會保障出版社，1996:47.
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加工精度與多種誤差因素相關，其中長久以來被人們忽視的，就是由于刀尖安裝高度與主軸軸線不等高引起的徑向尺寸誤差。
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此時，由于刀具安裝高度與主軸軸線不等高，而刀具隨中拖板水平移動時，進刀方向將不再與工作基面重合，而是呈一個隨刀尖距主軸軸線距離變化而變化的夾角，因此，刀具位移與實際切削深度（背吃刀量）之間將產(chǎn)生誤差。這將實際影響到尺寸控制的精度、增加測量和修正的工作量，甚至可能造成尺寸控制的最終失敗。
如圖1所示，當?shù)都獾母叨扰c主軸軸線高度有高度誤差e時，因為中拖板的運動方向受導軌限制，只能做水平運動，刀具前進的方向將不再是指向軸心的直徑方向B－C（B－C與實際工作基面的方向重合），而是與其呈一個夾角（α）保持水平的B－B'方向，此時不僅切削平面和基面都同時傾轉了一個角度（α），造成刀具的實際工作前、后角發(fā)生了變化（相關影響可參閱有關資料，此處不做分析）;而且同時出現(xiàn)的情況是:刀具沿B－B'方向前進B－C長度的距離時，將切除較B－C更少的材料厚度，即與理論上將被切除的材料厚度（理論切削深度）相比為小——無論刀尖是高還是低，從而使得原來計算出的數(shù)據(jù)不再準確。
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式中:BC為理論切削深度;R為要求加工完成后表面半徑;r為待加工表面半徑;α為實際基面方向與實際進刀方向的夾角。則
從空間點的坐標關系可分析出:
設誤差（補償）值為σ，則:
需要強調的是這一公式同樣適用于所有的車削加工徑向尺寸控制過程分析。
下面舉例說明公式的計算和運用過程:
例:要將直徑為20 mm的孔加工到25 mm，實測刀尖高度比主軸軸線高出5 mm，由此造成的徑向尺寸誤差計算如下:
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4 不同加工類型的應用需求分析
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表2 實驗結果
（1）精度要求
粗加工時，由于對尺寸精度的要求不高，此誤差雖然存在，但基本可以忽略。在本文實驗中盡管補償后精度相對于補償前有提高，但補償前的精度已基本滿足加工要求;精加工時，尺寸精度是重要的控制目標，此誤差應予以重視。
（2）測量因素
加工過程中存在大量的中間測量時（如:普通車床單件加工），由于多次試切過程中此誤差可以被加工者及時發(fā)現(xiàn)，并得到人工補償，雖然誤差不能忽略，但一般不會造成最終的控制失敗;在沒有或很少中間測量時，如數(shù)控編程加工，此誤差將不會被及時發(fā)現(xiàn)，并可能造成工件精度控制的失?。ㄈ?造成更多試制件浪費）。
（3）直徑影響
從公式推算可以看出，加工直徑較大的工件時，同樣的刀尖高度誤差，所產(chǎn)生的夾角較小，對精度影響也會較小;而加工直徑較小的工件時，刀尖高度誤差所產(chǎn)生的夾角就比較大，對精度影響也較大。
（4）孔加工
車削直徑較大的內孔，刀桿較易順利進入，刀尖的安裝高度也比較容易與主軸軸線等高;車削直徑較小的內孔時，為便于刀桿順利進入孔內，一般需要有意地抬高刀具［2］，則刀尖高度明顯高于主軸軸線（特制鏜孔刀除外），此時的實際進刀方向與徑向的夾角（α）也會很大，使得此誤差同步變大，不可忽略。
5 結語
刀尖高度誤差引起的徑向尺寸控制誤差在多數(shù)情況下是普遍、客觀存在而不應被忽視的，對于一些特殊的加工類型及加工要求嚴格的，在實際工作中就需要進行計算補償，不但可以節(jié)約時間與勞力，也可節(jié)省材料與成本。本文所做的實驗結果也證明了本文的誤差分析與補償計算正確得當，具有很好的使用價值。
［1］林艷華.機械制造技術基礎［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2010:97－115.
［2］王公安.車工工藝學［M］.北京:中國勞動社會保障出版社，1996:47.
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