數控機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有限公司，上海 201306）

0 引言

數控機床應用于制造業，可以提高加工精度滿足加工要求。但隨著設備使用年限的增加，機床各機械部件的磨損、潤滑不良等原因，會出現表面粗糙度差、加工精度不良等諸多問題。此類問題常常涉及數控系統及加工工藝等許多方面。

1 傳動部件

1.1 滾珠絲杠

滾珠絲桿是將電機回轉運動轉化為直線運動的重要部件，也是數控機床最常用的傳動部件，具有精度高、摩擦阻力小等特點。

數控機床使用的滾珠絲桿大多為雙螺母消隙結構。由絲桿、螺母、滾珠、消隙隔片、連接件及防塵圈組成。長期使用后，螺母潤滑不良、防塵圈的破損、絲桿表面灰塵的堆積，均會加劇絲杠滾珠的磨損，造成滾珠絲桿自身間隙增大。絲桿間隙調整裝置固定螺絲的松動是造成此現象的另一因素。

滾珠絲杠兩端軸承的磨損或調整軸承游隙裝置松動，滾珠絲杠兩端固定底座的螺絲松動、固定銷釘的斷裂等，同樣影響機床的加工精度。

此類問題反應在數控機床上，將造成機床坐標軸反向間隙增大，機床定位不準確等諸多問題。此類問題在鏜銑床加工時，對孔的圓度影響尤為明顯，且加工過程中極易產生刀抖動現象。

1.2 直線導軌

直線導軌又被稱為線軌、滑軌或線性導軌，可承受一定的載荷，實現高精度直線往復運動。由于結構簡單、安裝方便、保養成本低等諸多因素，被機床廠家廣泛應用于輕型機床，取代原有的靜壓導軌。

直線導軌的移動元件（滑塊）和固定元件（線軌）之間不用中間介質，而用滾動鋼球。形式與滾珠絲杠相似，故直線導軌適應于高速運動、摩擦因數小、靈敏度高，滿足運動部件的工作要求，如機床的刀架，拖板等。

因直線導軌有較高的精度，一般機床廠家在使用了直線導軌以后，不會另行安裝精度調節零件。一旦直線導軌損壞，機械剛性急劇下降，機床精度無法調整，直接影響工件加工時的表面光潔度、直線度、平面度等。直線導軌屬精密零件，維修時注意以下4點：

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

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

（3）保持直線導軌使用環境的清潔。即使是肉眼看不見的微小灰塵進入導軌，也會增加導軌的磨損、振動和噪聲。

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

大型數控鏜銑床長距離坐標軸，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。

1.3 齒輪齒條消隙機構

齒輪齒條傳動常用于大型數控機床，可以得到大范圍的直線傳動及較大的傳動比，機械剛性及效率高，但傳動精度不高，且不能自鎖，使運動機構不能準確定位，需要采用消隙系統。否則在機床反向運動時，動作滯后于數控進給信號，將對加工精度產生很大影響。常見的消隙機構有3種。

（1）錯齒消隙。2個相同齒數的齒輪A，B套裝在一起，并作相對的轉動后與另一個齒輪C嚙合。使齒輪A，B的左右齒面分別緊貼齒輪C的左右2個齒面，從而消除齒輪間隙。這種結構被廣泛應用在齒輪傳動副的消隙上。一些設備的齒輪箱通過這種結構進行消隙。通常齒輪A，B在相對錯位后，會有機構將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時，能承受足夠的扭矩，否則將失去消隙功能。

（2）雙導程蝸桿消隙。雙導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，二者通過脹緊套連接為一體，調整間隙時，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整。長時間使用磨損后只要重新調節蝸桿間隙，又可恢復出廠精度。

（3）斜齒輪蝶形彈簧消隙。原理與錯齒消隙相同，斜齒輪A，B同時與另一斜齒輪C嚙合，通過蝶形彈簧的調節，使它保持一定壓力，達到消隙目的。蝶形彈簧的作用力必須適當，壓力過小達不到消隙效果，壓力過大加快齒輪磨損。

圖1 OTT蝸輪蝸桿消隙

采用以上消隙機構的傳動中，消隙軸預緊彈簧老化彈性喪失、緊固螺釘松動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的形式變換，受靜壓的影響極大。影響機床傳動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。如鍍層破損則無法建立靜壓，造成傳動機構的抖動或爬行。

2 精度調節部件

拖板鑲條俗稱斜鐵、塞鐵，是調節機床運行軌跡與導軌平行度，保證機床加工時不產生振動、傾斜的重要元件。其調節螺絲的松動，將造成機床正反向運動時擺動較大。鑲條調節過緊或表面潤滑不良，易產生機床加工時的爬行、振動，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載、轉速和潤滑條件。

數控車床對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生的徑向跳動，即軸承對工件加工時X軸方向的影響。主軸及尾座后端平面軸承的損壞，將對零件加工時Z軸方向尺寸產生影響。

在數控鏜銑床中，主軸多采用角接觸軸承，一般成對配合使用，用以承受主軸正反2個方向的載荷。采用此類軸承，軸承的預緊及潤滑條件尤為苛刻。預緊力不足，軸承徑向跳動過大，在受到切削力影響后，主軸跳動增大，易產生噪聲、振動，影響加工零件的表面粗糙度。在鏜孔或鉆孔加工時，孔內徑尺寸精度不佳，影響圓度，且軸承極易損壞。在主軸中高速運行的機床中，此類軸承大多采用油氣（油霧）潤滑。主軸低速運行時多采用油脂或油液潤滑。

4 其他部件

數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、圓柱度的重要因素。

在數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錐孔內部因冷卻液不干凈或刀具裝夾時的撞擊造成錐孔表面的不平整。主軸蝶形彈簧長期使用后的失效及斷裂損壞。以上2點均會造成刀具中心與主軸軸心發生偏移，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都會有預緊，拆卸時需測量蝶形彈簧的壓縮量，以保證機床主軸有足夠的刀具拉緊力。建議在更換主軸蝶形彈簧后，使用刀具拉力計進行檢測。

5 維修實例

（1）齊重HT160數控車床加工時Z軸方向尺寸誤差大且不穩定。機床已使用8 a，經檢查發現Z軸反向間隙較大，數控系統Z軸無法使用全閉環測量系統。半閉環測量系統下，檢測發現Z軸反向間隙0.48 mm，而且在正反向換向時拖板振動較大。經檢查絲杠兩端固定底座產生間隙0.05 mm，滾珠絲杠的螺母形式為雙螺母消隙結構。雙螺母鏈接件固定螺絲斷裂，使得雙螺母松動無法夾緊消隙墊片，修復后檢測間隙消除0.18 mm。拖板鑲條固定螺釘斷裂，鑲條已向外側竄出。重新固定鑲條后，換向時的振動消除。檢查Z軸傳動齒輪箱，發現轉動軸兩端圓錐滾子軸承損壞，更換軸承并調節軸承預緊后間隙消除0.16 mm，剩余間隙無法通過機械消除，利用數控系統的補償功能消除，以保證機床加工精度。

（2）昆明TOS130落地鏜銑床振動較大且加工表面粗糙。現場檢查機床工況，設備工作臺空載運行時有明顯振動，排除工件的材料問題及加工使用的刀具問題。檢查工作臺傳動機構，滾珠絲杠表面銹蝕明顯，缺少潤滑。修復其潤滑后檢查滾珠絲杠，在靠近機床主軸端反向間隙明顯增大最大為0.09 mm。同時發現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，振動情況得到改善。考慮滾珠絲杠的間隙仍可滿足日常加工，且采購周期及備件價格問題，故暫時未更換。

（3）意大利PAMA200數控鏜銑床加工時孔內圓度誤差為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，利用百分表測量于主軸端部外圓面，通過對刀具人為施加外力推動，可以看到百分表有0.06 mm左右的擺動，判斷為主軸軸承預緊不足或預緊螺母松動，受到切削力后主軸徑向跳動加大，影響加工精度。拆卸主軸，軸承為2個角接觸軸承，通過內外2個隔圈組合在一起。將內隔圈進行修磨，使內外圈產生一定的高度差，增加軸承的預緊力。后經加工切削證實，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，對刀具拉緊機構及主軸7：24錐孔進行檢查。主軸拉取芯棒利用百分表檢測，發現7：24錐孔內部毛糙，后經查實因手動裝卸刀具，刀柄與主軸錐孔經常發生敲擊，造成內壁嚴重損傷。利用專業研磨工具對主軸錐孔磨削加工，加工后調節拉爪墊片厚度，恢復主軸拉緊力。進行加工測試，圓度誤差約0.01 mm，機床恢復正常加工精度。

6 結語

維修實例僅從機械角度解決數控機床加工精度超差問題，實際生產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，情況更為復雜。有時數控系統的參數也會影響加工精度，針對問題具體分析，密切關注機床的特征及運行狀況，通過測量、測試等手段，找出影響加工精度的主要原因，采取相應措施解決問題。