數(shù)控機(jī)床加工精度超差分析與維修

趙慧龍

（上海中船三井造船柴油機(jī)有限公司，上海 201306）

0 引言

數(shù)控機(jī)床應(yīng)用于制造業(yè)，可以提高加工精度滿足加工要求。但隨著設(shè)備使用年限的增加，機(jī)床各機(jī)械部件的磨損、潤(rùn)滑不良等原因，會(huì)出現(xiàn)表面粗糙度差、加工精度不良等諸多問(wèn)題。此類問(wèn)題常常涉及數(shù)控系統(tǒng)及加工工藝等許多方面。

1 傳動(dòng)部件

1.1 滾珠絲杠

滾珠絲桿是將電機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的重要部件，也是數(shù)控機(jī)床最常用的傳動(dòng)部件，具有精度高、摩擦阻力小等特點(diǎn)。

數(shù)控機(jī)床使用的滾珠絲桿大多為雙螺母消隙結(jié)構(gòu)。由絲桿、螺母、滾珠、消隙隔片、連接件及防塵圈組成。長(zhǎng)期使用后，螺母潤(rùn)滑不良、防塵圈的破損、絲桿表面灰塵的堆積，均會(huì)加劇絲杠滾珠的磨損，造成滾珠絲桿自身間隙增大。絲桿間隙調(diào)整裝置固定螺絲的松動(dòng)是造成此現(xiàn)象的另一因素。

滾珠絲杠兩端軸承的磨損或調(diào)整軸承游隙裝置松動(dòng)，滾珠絲杠兩端固定底座的螺絲松動(dòng)、固定銷釘?shù)臄嗔训?，同樣影響機(jī)床的加工精度。

此類問(wèn)題反應(yīng)在數(shù)控機(jī)床上，將造成機(jī)床坐標(biāo)軸反向間隙增大，機(jī)床定位不準(zhǔn)確等諸多問(wèn)題。此類問(wèn)題在鏜銑床加工時(shí)，對(duì)孔的圓度影響尤為明顯，且加工過(guò)程中極易產(chǎn)生刀抖動(dòng)現(xiàn)象。

1.2 直線導(dǎo)軌

直線導(dǎo)軌又被稱為線軌、滑軌或線性導(dǎo)軌，可承受一定的載荷，實(shí)現(xiàn)高精度直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、保養(yǎng)成本低等諸多因素，被機(jī)床廠家廣泛應(yīng)用于輕型機(jī)床，取代原有的靜壓導(dǎo)軌。

直線導(dǎo)軌的移動(dòng)元件（滑塊）和固定元件（線軌）之間不用中間介質(zhì)，而用滾動(dòng)鋼球。形式與滾珠絲杠相似，故直線導(dǎo)軌適應(yīng)于高速運(yùn)動(dòng)、摩擦因數(shù)小、靈敏度高，滿足運(yùn)動(dòng)部件的工作要求，如機(jī)床的刀架，拖板等。

因直線導(dǎo)軌有較高的精度，一般機(jī)床廠家在使用了直線導(dǎo)軌以后，不會(huì)另行安裝精度調(diào)節(jié)零件。一旦直線導(dǎo)軌損壞，機(jī)械剛性急劇下降，機(jī)床精度無(wú)法調(diào)整，直接影響工件加工時(shí)的表面光潔度、直線度、平面度等。直線導(dǎo)軌屬精密零件，維修時(shí)注意以下4點(diǎn)：

（1）防止銹蝕。直接用手接觸直線導(dǎo)軌時(shí)，要除去手上的汗液，應(yīng)先涂抹油液后再觸碰直線導(dǎo)軌。

（2）安裝時(shí)不允許直接敲擊線軌，更不能使用移動(dòng)原件（滑塊）傳遞力量。兩線軌軌道之間的間距應(yīng)保持一致。避免移動(dòng)原件（滑塊）受力不均以減少移動(dòng)原件（滑塊）的磨損。

（3）保持直線導(dǎo)軌使用環(huán)境的清潔。即使是肉眼看不見的微小灰塵進(jìn)入導(dǎo)軌，也會(huì)增加導(dǎo)軌的磨損、振動(dòng)和噪聲。

（4）保持移動(dòng)元件（滑塊）和固定元件（線軌）之間的良好潤(rùn)滑，可提高使用壽命。

大型數(shù)控鏜銑床長(zhǎng)距離坐標(biāo)軸，已采用雙齒輪消隙與齒條配合、靜壓蝸桿與蝸母條配合取代滾珠絲桿傳動(dòng)。

1.3 齒輪齒條消隙機(jī)構(gòu)

齒輪齒條傳動(dòng)常用于大型數(shù)控機(jī)床，可以得到大范圍的直線傳動(dòng)及較大的傳動(dòng)比，機(jī)械剛性及效率高，但傳動(dòng)精度不高，且不能自鎖，使運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不能準(zhǔn)確定位，需要采用消隙系統(tǒng)。否則在機(jī)床反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)作滯后于數(shù)控進(jìn)給信號(hào)，將對(duì)加工精度產(chǎn)生很大影響。常見的消隙機(jī)構(gòu)有3種。

（1）錯(cuò)齒消隙。2個(gè)相同齒數(shù)的齒輪A，B套裝在一起，并作相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)后與另一個(gè)齒輪C嚙合。使齒輪A，B的左右齒面分別緊貼齒輪C的左右2個(gè)齒面，從而消除齒輪間隙。這種結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在齒輪傳動(dòng)副的消隙上。一些設(shè)備的齒輪箱通過(guò)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行消隙。通常齒輪A，B在相對(duì)錯(cuò)位后，會(huì)有機(jī)構(gòu)將A，B齒輪鎖緊，通常使用彈簧或脹緊套，以保證正向和反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，能承受足夠的扭矩，否則將失去消隙功能。

（2）雙導(dǎo)程蝸桿消隙。雙導(dǎo)程蝸輪副中的蝸桿由2部分組成，如圖1所示：蝸桿軸及套在其上的空心蝸桿，二者通過(guò)脹緊套連接為一體，調(diào)整間隙時(shí)，只要將脹緊套的螺釘松開（不用拆下），使蝸桿軸的右齒面及空心蝸桿的左齒面分別與蝸輪的左右齒面接觸，重新擰緊脹緊套上的螺釘即可完成間隙的調(diào)整。長(zhǎng)時(shí)間使用磨損后只要重新調(diào)節(jié)蝸桿間隙，又可恢復(fù)出廠精度。

（3）斜齒輪蝶形彈簧消隙。原理與錯(cuò)齒消隙相同，斜齒輪A，B同時(shí)與另一斜齒輪C嚙合，通過(guò)蝶形彈簧的調(diào)節(jié)，使它保持一定壓力，達(dá)到消隙目的。蝶形彈簧的作用力必須適當(dāng)，壓力過(guò)小達(dá)不到消隙效果，壓力過(guò)大加快齒輪磨損。

圖1 OTT蝸輪蝸桿消隙

采用以上消隙機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)中，消隙軸預(yù)緊彈簧老化彈性喪失、緊固螺釘松動(dòng)均可造成消隙齒輪在軸向的位移，造成齒輪齒條間的間隙增加。

1.4 靜壓蝸桿和蝸母條

靜壓蝸桿和蝸母條是渦輪蝸桿傳動(dòng)的形式變換，受靜壓的影響極大。影響機(jī)床傳動(dòng)的主要原因是蝸桿出油孔的出油量，另一原因是蝸母條靜壓油腔鍍層的完整情況。如鍍層破損則無(wú)法建立靜壓，造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)或爬行。

2 精度調(diào)節(jié)部件

拖板鑲條俗稱斜鐵、塞鐵，是調(diào)節(jié)機(jī)床運(yùn)行軌跡與導(dǎo)軌平行度，保證機(jī)床加工時(shí)不產(chǎn)生振動(dòng)、傾斜的重要元件。其調(diào)節(jié)螺絲的松動(dòng)，將造成機(jī)床正反向運(yùn)動(dòng)時(shí)擺動(dòng)較大。鑲條調(diào)節(jié)過(guò)緊或表面潤(rùn)滑不良，易產(chǎn)生機(jī)床加工時(shí)的爬行、振動(dòng)，影響車削平面度和銑削垂直度等加工精度。

3 軸承

軸承是軸系零件定位的重要部件。軸承間隙的大小取決于負(fù)載、轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑條件。

數(shù)控車床對(duì)零件外形圓度要求極高，影響此精度的主要因素是主軸及尾座軸承產(chǎn)生的徑向跳動(dòng)，即軸承對(duì)工件加工時(shí)X軸方向的影響。主軸及尾座后端平面軸承的損壞，將對(duì)零件加工時(shí)Z軸方向尺寸產(chǎn)生影響。

在數(shù)控鏜銑床中，主軸多采用角接觸軸承，一般成對(duì)配合使用，用以承受主軸正反2個(gè)方向的載荷。采用此類軸承，軸承的預(yù)緊及潤(rùn)滑條件尤為苛刻。預(yù)緊力不足，軸承徑向跳動(dòng)過(guò)大，在受到切削力影響后，主軸跳動(dòng)增大，易產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)，影響加工零件的表面粗糙度。在鏜孔或鉆孔加工時(shí)，孔內(nèi)徑尺寸精度不佳，影響圓度，且軸承極易損壞。在主軸中高速運(yùn)行的機(jī)床中，此類軸承大多采用油氣（油霧）潤(rùn)滑。主軸低速運(yùn)行時(shí)多采用油脂或油液潤(rùn)滑。

4 其他部件

數(shù)控車床系的主軸及尾座頂尖（即主軸與尾座的同心度）也是影響零件加工圓度、徑向跳動(dòng)、圓柱度的重要因素。

在數(shù)控鏜銑床主軸一般采用7：24錐孔定位刀具，刀具的夾緊力一般由蝶形彈簧提供。7：24錐孔內(nèi)部因冷卻液不干凈或刀具裝夾時(shí)的撞擊造成錐孔表面的不平整。主軸蝶形彈簧長(zhǎng)期使用后的失效及斷裂損壞。以上2點(diǎn)均會(huì)造成刀具中心與主軸軸心發(fā)生偏移，影響孔類加工零件的表面粗糙度及圓度。主軸蝶形彈簧安裝時(shí)都會(huì)有預(yù)緊，拆卸時(shí)需測(cè)量蝶形彈簧的壓縮量，以保證機(jī)床主軸有足夠的刀具拉緊力。建議在更換主軸蝶形彈簧后，使用刀具拉力計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。

5 維修實(shí)例

（1）齊重HT160數(shù)控車床加工時(shí)Z軸方向尺寸誤差大且不穩(wěn)定。機(jī)床已使用8 a，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)Z軸反向間隙較大，數(shù)控系統(tǒng)Z軸無(wú)法使用全閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)。半閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)下，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)Z軸反向間隙0.48 mm，而且在正反向換向時(shí)拖板振動(dòng)較大。經(jīng)檢查絲杠兩端固定底座產(chǎn)生間隙0.05 mm，滾珠絲杠的螺母形式為雙螺母消隙結(jié)構(gòu)。雙螺母鏈接件固定螺絲斷裂，使得雙螺母松動(dòng)無(wú)法夾緊消隙墊片，修復(fù)后檢測(cè)間隙消除0.18 mm。拖板鑲條固定螺釘斷裂，鑲條已向外側(cè)竄出。重新固定鑲條后，換向時(shí)的振動(dòng)消除。檢查Z軸傳動(dòng)齒輪箱，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸兩端圓錐滾子軸承損壞，更換軸承并調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊后間隙消除0.16 mm，剩余間隙無(wú)法通過(guò)機(jī)械消除，利用數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能消除，以保證機(jī)床加工精度。

（2）昆明TOS130落地鏜銑床振動(dòng)較大且加工表面粗糙。現(xiàn)場(chǎng)檢查機(jī)床工況，設(shè)備工作臺(tái)空載運(yùn)行時(shí)有明顯振動(dòng)，排除工件的材料問(wèn)題及加工使用的刀具問(wèn)題。檢查工作臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，滾珠絲杠表面銹蝕明顯，缺少潤(rùn)滑。修復(fù)其潤(rùn)滑后檢查滾珠絲杠，在靠近機(jī)床主軸端反向間隙明顯增大最大為0.09 mm。同時(shí)發(fā)現(xiàn)靠近主軸端的線軌滑塊有明顯的磨損痕跡，更換線軌及滑塊，振動(dòng)情況得到改善?？紤]滾珠絲杠的間隙仍可滿足日常加工，且采購(gòu)周期及備件價(jià)格問(wèn)題，故暫時(shí)未更換。

（3）意大利PAMA200數(shù)控鏜銑床加工時(shí)孔內(nèi)圓度誤差為0.04 mm。檢查主軸7：24錐孔及刀具拉緊力，排除了刀具及拉緊力的影響。模擬主軸加工工況，利用百分表測(cè)量于主軸端部外圓面，通過(guò)對(duì)刀具人為施加外力推動(dòng)，可以看到百分表有0.06 mm左右的擺動(dòng)，判斷為主軸軸承預(yù)緊不足或預(yù)緊螺母松動(dòng)，受到切削力后主軸徑向跳動(dòng)加大，影響加工精度。拆卸主軸，軸承為2個(gè)角接觸軸承，通過(guò)內(nèi)外2個(gè)隔圈組合在一起。將內(nèi)隔圈進(jìn)行修磨，使內(nèi)外圈產(chǎn)生一定的高度差，增加軸承的預(yù)緊力。后經(jīng)加工切削證實(shí)，此方法可行。同樣的鏜孔工藝，圓度誤差降低至0.01 mm，滿足零件加工要求。

（4）昆機(jī)160鏜床加工的孔壁表面粗糙且圓度誤差0.05 mm。在排除主軸軸承等其他因素的影響后，對(duì)刀具拉緊機(jī)構(gòu)及主軸7：24錐孔進(jìn)行檢查。主軸拉取芯棒利用百分表檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)7：24錐孔內(nèi)部毛糙，后經(jīng)查實(shí)因手動(dòng)裝卸刀具，刀柄與主軸錐孔經(jīng)常發(fā)生敲擊，造成內(nèi)壁嚴(yán)重?fù)p傷。利用專業(yè)研磨工具對(duì)主軸錐孔磨削加工，加工后調(diào)節(jié)拉爪墊片厚度，恢復(fù)主軸拉緊力。進(jìn)行加工測(cè)試，圓度誤差約0.01 mm，機(jī)床恢復(fù)正常加工精度。

6 結(jié)語(yǔ)

維修實(shí)例僅從機(jī)械角度解決數(shù)控機(jī)床加工精度超差問(wèn)題，實(shí)際生產(chǎn)中影響加工精度的因素多種多樣，如工藝、工件材料、夾具、刀具等，情況更為復(fù)雜。有時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)也會(huì)影響加工精度，針對(duì)問(wèn)題具體分析，密切關(guān)注機(jī)床的特征及運(yùn)行狀況，通過(guò)測(cè)量、測(cè)試等手段，找出影響加工精度的主要原因，采取相應(yīng)措施解決問(wèn)題。