臥式車床平面車削的波紋及治理

常博宇

(沈陽機床集團中捷機床有限公司，遼寧沈陽110142)

筆者我公司HTC 系列兩導軌數控臥式車床作為加工直徑1 000 mm 以上工件的大回轉直徑數控臥式車床，其1.5 m 短規格機床經常被用于懸卡狀態加工一些大規格盤類、閥門類工件。因此很多用戶對機床的端面精車能力十分看重。加工過程中產生的端面波紋影響工件的粗糙度以及形狀公差。本著提升機床品質的目的，懸卡類工件的端面加工品質成為我們必須要重視的問題。因此我們專門針對該問題進行了研究。目前基本掌握了端面波紋的成因及消除方法。

加工過程中出現的端面波紋主要有兩種:一種是環狀波紋，波紋的形狀如同石塊落入水中產生的環狀水波一樣，用手觸摸有時可觸摸到環狀凹凸，且不均勻;一種是放射狀波紋，其波紋沿工件中心呈放射狀的分布。我們對波紋產生的原因進行分析:從車削的角度來說，工件的旋轉與刀具的X向進給共同作用完成了端面的車削過程。無論何種波紋的產生只可能是車削過程中刀具與工件兩者之間發生了或宏觀或微觀的相對位移。

1 環狀波紋

首先我們來分析環狀波紋:環狀波紋一般是由車削過程中刀尖的偏擺形成，每一次偏擺都會形成一道突起或凹下的圓環。因此我們認為環形波紋產生是零件加工和裝配中精度及形狀的系統誤差體現。在車削端面時，刀具的進給由滑板的橫向移動實現，當絲杠旋轉推動螺母時，實際上存在著徑向和軸向兩個力，其軸向力推動滑板做軸向移動，而由于累計誤差的存在，絲母結合處絲杠的旋轉很難與絲杠兩支撐點的理論中心同心，因此造成絲杠每旋轉一周，徑向力360°方向上周期性變化一次，當橫滑板與床鞍導軌配合間隙不當時，絲杠旋轉產生的徑向力將使滑板做周期性的擺動。因此我們將采取有針對性的措施來解決此問題。我們的解決方案主要從加工、裝配、產品結構3 方面著手。

(1)加工方面:嚴格控制床鞍燕尾導軌精度，防止因床鞍導軌精度的問題造成滑板沿床鞍運動過程中直線性超差。因此我們首先在加工過程中對床鞍進行嚴格的時效處理，防止鑄件自身的變形造成床鞍扭曲。其次在加工過程中嚴格控制導軌面的加工精度，為使橫滑板能平穩自如地在導軌上運動，對于左右的平導軌面必須盡量保持在同一平面，用精密水平儀測量，扭曲允差≤0.02 mm/1 000 mm。左側基準燕尾導軌的直線性允差0.015 mm/全長。床鞍絲杠支撐孔軸心線對燕尾導軌及平導軌的平行度允差0.015 mm/全長。同時需保證主支撐支架結合端面與導軌必須垂直。

(2)裝配方面:嚴格控制滑板在床鞍上的滑動間隙與接觸剛度。首先對滑動間隙的控制通過刮研滑板鑲條來實現，要求鑲條平直，不能彎曲，刮研結合面內每平方英寸面積內不少于6 個研點。要做到鑲條裝配后調整敏感性良好，即在調整時，稍微松緊鑲條調整螺釘，對橫滑板的移動就會察覺到力度變化。另外，滑板與床鞍之間的結合面也要進行仔細的刮研，一般要求接觸面每平方英寸范圍內點數不少于10 點。

(3)機床結構技術改進方面:我們也進行了深入的研究，對機床進給機構進行了較大的改進。機床原X軸進給機構見圖1，伺服電動機安裝在電動機支座上，電動機支座安裝在床鞍后側。伺服電動機通過聯軸器直聯高精度滾珠絲杠，滾珠絲杠通過絲母帶動安裝在絲母座上的滑板沿床鞍導軌X向移動。床鞍通過精鏜加工出兩端的絲杠支撐孔，其中絲杠后支撐為主支撐，安裝在電動機支座內，通過組合軸承進行徑向及軸向定位。電動機支座通過床鞍止口安裝在床鞍后側。絲杠前支撐為浮動支撐，可沿絲杠軸向熱伸長。這是一種比較傳統的絲杠支撐方式。很多規格的臥式車床均采用該種結構方式。但在實際應用中我們發現床鞍的絲杠兩端定位孔采用鏜孔加工方式存在一些弊端。首先大回轉直徑機床其X軸行程較大造成其絲杠兩端支撐跨距較大，這就造成在加工中絲杠兩端支撐孔很難保證很高的同軸度，由此導致絲杠軸心線與導軌不平行。因此當絲杠旋轉進給時，微觀上來看，絲杠與導軌形成了一定的角度。因此當絲母在絲杠上移動時，將不可避免地造成一定的偏擺，這樣滑板運動將會產生一定的“憋勁”現象。如果滑板與床鞍之間間隙較小的時候，“憋勁”現象的發生將增加X軸負載。在機床精度方面則影響X軸的重復定位精度。如果間隙較大，則滑板在運動過程中將發生偏擺，車削端面時的環形波紋將由此發生。因此我們側重于通過結構改進解決安裝后絲杠母線與床鞍導軌不平行的問題。通過方案論證我們采取了以下解決方案:將絲杠兩端的支撐孔全部打開，均采用活動支撐，通過調整墊調整上母線平行，通過支座螺孔與螺釘的間隙調整絲杠的側母線。這種調整方式可以將絲杠母線與床鞍導軌的平行度控制在0.01 mm/全長以內，完全實現了設計預定要求。同時因切削時絲杠支座的受力方向沿絲杠軸線，因此支座改為可調整形式后并未降低X軸抵抗切削力的能力。通過我們的驗證，改進后的結構具有以下優點:降低了床鞍的加工難度、降低了X軸的空載功率、提高了X軸重復定位精度、消除了絲杠運行中的偏擺問題。因此在根本上消除了端面環形波紋產生的基礎。

2 放射狀波紋

放射狀波紋產生的原因主要與主軸剛度不足有關。車削端面時，當刀尖穩定進給時，主軸振動傳導到工件上造成工件振動，工件與刀尖接觸后即發生了點狀的磕碰，強迫振動造成了相對規律的放射狀波紋。因此在解決放射狀波紋的時候我們從提高主軸系統的剛度著手。影響主軸振動的因素很多，如箱體內零部件加工和裝配不當，回轉體的運動不平衡，軸承間隙、主軸轉速和車削條件影響等因素。其中振動的動力主要來自于主軸輸出終端斜齒輪旋轉嚙合過程中齒與齒間產生的沖擊及軸向力。當主軸支撐剛度不足時這種周期性的沖擊會使主軸產生強迫振動。綜合上述因素，我們采取的方案仍從加工、裝配、結構3 方面著手:

(1)加工方面:嚴格控制關鍵件加工精度，提高機床抗振性能。例如:主軸孔根據軸承外圓尺寸配鏜;主軸根據軸承內徑尺寸配車;對終端輸出斜齒輪的齒形齒向誤差進行嚴格控制，確保齒輪嚙合的平穩;控制主軸孔及主軸的圓度、同軸度等。

(2)裝配方面:對主軸前軸承采取軸承內環低點與主軸軸頸高點相配裝入;對前軸承外徑高點與箱體孔內徑高點配合裝入，以此抵消加工誤差，提高旋轉精度及穩定性。

(3)機床結構技術改進方面:為了避免齒輪旋轉時的沖擊對工件造成的影響，必須提高主軸前支撐的剛度。主軸前支撐結構見圖2。該結構緊湊，裝配及調整方便。后端兩個背帽可分別調整主軸徑向和軸向間隙。前支撐套件可整體裝配后一同裝入主軸孔。因此該種結構在CW 系列普通車床以及很多大型平床身數控臥式車床的主軸上獲得了廣泛的應用。但我們在實際使用中發現該結構也存在著一定的問題，首先是平墊2 被前端蓋3 通過圓柱滾子軸承的外環及甩油環4 固定在主軸箱體1 的端面上。但主軸箱體1 的端面與平墊2 加工中均不可避免存在形狀誤差。因此平墊2 安裝固定后的累積誤差造成平墊2 兩端面與主軸中心很難有較高的垂直度，造成平面軸承容易出現“偏載”受力現象，降低軸承使用壽命。同時平面軸承旋轉過程中會出現間歇狀間隙，導致終端齒輪嚙合受力沖擊主軸使其產生軸向竄動的趨勢。向前竄動時前端蓋3 會受力。綜合以上分析我們對主軸前支撐做了改進。首先取消平墊2，將平墊與主軸箱體1 合成一體。這樣將平墊2 在主軸箱體1 加工時一次加工成型，大大提高了平墊兩端面與主軸中心的垂直度，避免了平面軸承的安裝累積誤差。同時將主軸前端蓋加強加厚，這樣將完全限制住主軸的軸向竄動間隙誤差，提高主軸徑向剛度。通過我們的驗證，上述方法的綜合使用極大提高了機床主軸的剛度，有效防止了放射狀波紋的發生。

通過我們的相關技術改進，從各環節消除了產生環形波紋的因素，提高了產品品質，同時為其他同類產品消除端面車削波紋找到了解決方法。

［1］鄒春光.車削端面環形振紋及其產生因素的探討［J］. 哈爾濱軸承，

2007 (3):12 -13.

［2］陳心昭，權義魯.現代實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2006.