车削加工的误差

车削加工的误差（精选7篇）

车削加工的误差 第1篇

在车削加工中, 我们经常会存在对阶梯轴的数控车削加工的作业, 如果需要进行车削加工的阶梯轴的轴径梯度相对较大或者刚度又较小, 那么这个阶梯轴的加工就会出现对于阶梯轴的各段轴径加工结果的误差不同, 例如对于大轴径的尺寸偏差太厉害, 小轴径的误差却在公差可以允许的范围内。如果需要加工的轴径的梯度越大, 或者刚度越小, 那么加工的误差出现不一致的可能就会越高, 正是因为需要加工的元件存在的不受控因素导致了加工误差的不受控。本文针对加工工艺和力学两个方面对加工误差的不受控的原因进行了深入剖析, 并且对于这些因素给予了合理的解决方法, 另外, 这种解决方法对于提高阶梯轴的加工精度有着很大的推广价值。

2 对加工误差不同的分析

2.1 刀尖高误差对于轴径不相同的误差的分析结果

2.1.1 刀尖高偏离

如图1所示, 在刀尖低 (高) 于零件回转中心Z轴距离为h的条件下, 连续进行车削图不但引起相应的加工误差, 还有对于相差较大的阶梯轴将会给加工误差带来不同的误差后果。此误差的是可以通过以下的几何运算进行运算得到的。

设轴径半径为R, 轴径加工误差为δ, 刀尖偏离轴心高度为h, 如图1 (b) 所示。

当R=5时, 在Δoca中

如此我们可以算出R=10, R=15时的加工时候出现的误差和高度之间的关系。

2.1.2 分析结果

对阶梯轴的轴径的加工误差的加工计算的结果进行分析, 我们就能够对刀尖高误差h对需加工的阶梯轴的尺寸精度的影响得出以下结论:

(1) 对于同一刀尖高误差h, 而且不同轴径的阶梯轴进行加工时, 如果轴径越小, 那么加工产生的误差δ就会越大。

(2) 对于相同轴径的阶梯轴进行加工时, 如果刀尖高误差h越大, 那么阶梯轴的加工误差δ就会越大。

也就是说, 对于需要加工的阶梯轴, 如果阶梯轴的轴径梯度越大, 那么刀尖高误差产生的轴径加工误差差距越大。

2.2 切削力对加工轴类尺寸精度的影响

为了对于切削力的大小对阶梯轴尺寸的加工精度的影响, 我们就把切削力进行了力的分解, 这三个力相互垂直, 为切削力Fc、进给力Ff和背向力Fp, 如图2所示。

2.2.1 挠曲线方程分析

根据图3 (a) , 图3 (b) 以及相关的材料力学的知识, 能够得到任意切削力作用下的挠曲线:

公式里面y表示挠度变形量。

2.2.2 分析结果

从上面的式 (2) 、式 (3) 可以看出:

(1) 如果阶梯轴的轴径截面越小, 同时弯曲刚度EI越小, 那么引起“挠度变形量”的y值就会越大。

(2) 随着切削力Fp′的作用点位置的变化, “挠度变形量”y值也会进行相应的变化。

3 提高加工精度的动态补偿方法

3.1 对于梯度大的阶梯轴

根据上文的分析和计算, 为了降低加工误差, 所要采取的措施有:

(1) 对于装刀和对刀, 为了降低刀尖高误差h对阶梯轴的加工精度的影响, 刀尖都要尽量对准加工工件的回转中心,

(2) 对于梯度大的阶梯轴进行加工时, 我们要采用合适的补偿方法, 对阶梯轴进行精细加工之前要先用试车的方法对需要加工的工件的各个分段进行详细的检查。即后, 操作人员针对测量的要求误差范围对程序中相应的轴径尺寸进行对应的更改, 最后对整个工件进行彻底的精细加工, 达到降低误差的整体要求。

3.2 对于刚度小的阶梯轴

据上文分析得知, 对于在对阶梯轴进行加工的过程中, 不能忽略由于弯曲变形形成的“挠度让刀”误差。在每一次装夹的过程中都要对阶梯轴的各个轴径进行相应的计算, 然后根据误差随曲线的变化特点, 应用宏程序按照工件的弯曲变形的整个曲线编程, 并且对于不同位置的误差进行直接性的动态补偿措施。

4 小结

本文对数控车削加工存在的误差进行了相应的理论误差分析, 并且对刀尖高误差和切削力大小对加工误差的大小的影响进行了深入的理论分析。分析得出, 在对阶梯轴进行加工处理中, 始终做到尽量保持刀尖高和零件的回转中心保持到一个水平高度。另一方面, 本文指出对于切削力产生的轴的弯曲变形可以采用对应用宏程序进行动态补偿的方法适量的降低“挠度让刀”误差。

摘要：本文建立了阶梯轴车削加工的模型, 并且针对在车削加工过程运行中存在的不同轴径加工的误差不一致的现象进行了分析。

关键词：车削加工,加工误差,补偿

参考文献

[1]唐宗军.机械制造基础[M].北京:机械工业出版社, 2002.

[2]龚良贵.工程力学[M].北京:清华大学出版社, 2005.

[3]周旭光.数控车削对刀高度误差对加工精度影响[J].机床与液压, 2006 (7) :105-107.

虚拟数控车削加工误差建模技术研究 第2篇

如果没有加工误差,那么虚拟加工后的实际几何模型应与理论几何模型相符合。但由于在实际加工中存在着机床的各种误差以及各种物理误差,实际的切削点与理论点是不符合的,其位置的距离就是加工误差。

影响加工误差的因素很多,如机床本身存在的几何误差和运动误差。这些误差会使实际的刀尖轨迹偏离按数控指令运动的理想轨迹,这类误差主要是由切削运动中刀具和零件实际的相互位置来确定的。

物理误差主要是由切削过程中发生的各种物理变化所产生的,如刀具本身会发生磨损,若超过磨损极限则会影响零件的表面质量;切削产生的各种形状的切屑会绕在刀具上,使零件的表面粗糙度下降;机床本身和切削过程产生的热会使零件产生热变形;切削力会使零件发生弹性变形并引起振动等。所以,在虚拟加工中研究建立加工误差模型非常必要,能更好地用虚拟加工来研究实际加工。

2 加工误差模型的建立

在实际车削中,影响零件形状和尺寸的主要因素是刀位点与零件加工中心之间的距离,该距离是瞬时变化的,称为瞬时半径,瞬时半径需要经过很多的尺寸环来形成。为方便分析,把机床当成刚体,设各项误差之间满足叠加原理,分别在关键零部件上建立坐标系,如刀架、零件、主轴和导轨等,最后通过坐标变换来形成瞬时半径,瞬时半径与零件的理想半径之差就是最终的加工误差。

建立如图1所示的简化的工艺系统坐标系,其中,P点是零件加工中心在工艺系统坐标系中的坐标;∑OO是绝对坐标系,其可放置在虚拟场景中的任何位置上,为便于变换将其放置在理想零件坐标系上;∑OW是零件坐标系,用来表示零件的位置;∑OS是主轴坐标系,用来表示主轴旋转的精度和夹具安装误差;∑OR是导轨坐标系,用来表示与导轨有关的误差;∑OT是刀架坐标系,用来表示刀具安装误差、动态调整误差、切削力引起误差等直接影响刀尖位置的误差。图1中位于场景理论正确位置的理想坐标系用实线描述其坐标轴,而带有各种误差的实际坐标系用虚线描述其坐标轴。实际坐标系可由理想坐标系通过坐标变换得到,而由于每个理论坐标系和实际坐标系之间的变换量相对于各局部坐标系之间的变换量来说是微小的,所以图1中简化为原点重合,在场景实际控制时再将其分开。

∑OT中的向量roTp坐标变换到∑OO中即为零件的瞬时半径:

其中:ToS、ToR、ToT为各局部理想坐标系之间的坐标变换矩阵;T″oS、T″oR、T″oT为各理想坐标系与其自身实际坐标系之间的坐标变换矩阵。记TOOTO为总的误差变换矩阵,则:

3 总误差变换矩阵的求解

按照逆向的顺序,将k号坐标系转换到k-1号坐标系中,相当于k-1号坐标系先绕x轴旋转角α,再沿x轴平移距离l;接着绕y轴旋转角β,再沿y轴平移距离m;最终绕z轴旋转角γ,再沿z轴平移距离n就转换到了k号坐标系中。总的变换矩阵为:

为便于控制,采用齐次坐标表示为:

采用这种变换方法,可以求出每个局部坐标系间的变换矩阵ToS、T″oS、ToR、T″oR、ToT和T″oT,总的误差变换矩阵TooOT就是它们的连乘积,最后得它们代入roTp计算出roOp即可。

4 加工误差模型的分析验证

在Visual C++6.0平台上结合Open GL三维图形库对所建立的加工误差模型进行了分析验证。采用稳态切削力作为引起误差的主要因素,对细长轴进行了虚拟车削,如图2所示。从图2中可发现不用顶尖加工细长轴时,其远端产生较大的加工误差,零件形状表现出明显喇叭口,这与机械制造工艺学中的结论一致。

5 结论

本文对虚拟数控车削加工中影响加工误差的因素进行了分析,建立了简化的工艺系统坐标系,通过坐标系变换得出了零件瞬时半径的计算公式,并求解了总的误差变换矩阵,给出了其齐次坐标的表示形式。最后开发了测试平台,对该模型进行了分析验证,结果表明该模型可以有效地计算虚拟数控车削加工中的加工误差,为多重复杂因素物理仿真打下了基础。

参考文献

[1]肖田元.虚拟制造[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2]葛研军,卢碧红.车削加工物理仿真实现技术[J].机械科学与技术,2001(3):421-423.

[3]郑阿齐.Visual C++实用教程[M].北京:电子工业出版社,2004.

车削加工的误差 第3篇

虚拟制造 (Virtual Manufacture) 利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真, 以发现制造中可能出现的问题, 在产品实际生产前就采取预防措施, 达到了降低成本、缩短产品开发周期, 增强产品竞争力的目的。

本文主要是讨论原始制造误差对加工圆柱零件的影响, 并对在虚拟环境下数控加工的关键技术进行了研究, 给出了仿真系统的总体结构, 并建立其数学模型。

1虚拟车削系统的建立

1.1 虚拟车削系统

虚拟车削系统结构框图见图1。

一个零件在进行机械加工时, 首先要选择加工时所用的机床、夹具、刀具等, 而这些加工设备和工艺设备都是三维空间的几何构成体, 本身有制造误差存在, 把这类原始误差叫做工艺系统的原始误差;其次要进行工件的安装, 这时就产生了定位误差和夹紧误差 , 刀具在切削过程中还会产生磨损误差[1]。总之在零件加工时, 工艺系统中各个部分都有原始误差输入, 经由各种干扰因素的作用和影响, 最后在被加工零件上形成总的加工误差。

1.2 建立虚拟加工环境

在VC++平台上采用OpenGL技术建立虚拟加工环境, 利用C++语言建立几何仿真模型和物理仿真模型, 通过调用数据库支持几何仿真的图形算法和物理仿真的数值计算, 实现虚拟加工环境下数控车削加工的几何仿真和物理仿真。

图2为虚拟车削几何仿真系统, 根据实际情况再现数控加工环境, 对数控车间、车床总体等进行特征建模, 建立机床信息库、机床库、刀具库、材质库等, 为几何仿真中的求交运算和物理仿真中加工误差等数值的计算提供相关数据信息。

2数学模型的建立

2.1 机床导轨系统空间误差模型

为了描述导轨系统误差的变化, 在导轨和溜板上各建立一个直角坐标系O-xyz和O1-x1y1z1。O-xyz为参考坐标系, 原点O通常随同测量基准一起固定在导轨上, x轴在导轨理想运动方向上, y轴在刀具径向进给方向与x轴所形成的平面上, 且与x轴垂直, z轴方向采用右手定则确定;O1-x1y1z1为构件坐标系, 固定在溜板上, 随同溜板一起运动, 构建坐标系的x1、y1、z1坐标轴分别与参考坐标系的x、y、z坐标轴平行且方向相同。

溜板在x、y、z轴方向的移动误差分别为δx、δy、δz, 绕x1、y1、z1轴的转动误差分别为εx、εy、εz, 这6项误差随溜板位置的不同而不同, 它们是溜板运动距离x的函数, 可表示为εx (x) 、εy (x) 、εz (x) 、δx (x) 、δy (x) 、δz (x) 。溜板上某点的实际位置与理想位置之间的距离即为该点的空间误差, 在直角坐标系中为一个向量, 可通过齐次变换求得。溜板在导轨上运动x距离时, 溜板上某点在构件坐标系O1-x1y1z1中的齐次坐标为[x1y1z1 1]T。设机床导轨系统的空间误差Δ (x) 在x、y、z方向上的分量分别为Δx (x) 、Δy (x) 、Δz (x) , 其计算公式如下:

Δx (x) =δx (x) -y1εz (x) +z1εy (x) ,

Δy (x) =δy (x) +x1εz (x) -z1εx (x) ,

Δz (x) =δz (x) -x1εy (x) +y1εx (x) 。

由机床导轨引起的工件半径方向的加工误差为:

Δr1 (x) =Δy (x) +[Δz (x) ]2/D≈Δy (x) 。

其中:D为工件直径。

2.2 主轴误差的数学模型

为了描述主轴误差的变化, 在导轨和主轴上各建立一个直角坐标系O-xyz和O2-x2y2z2。O2-x2y2z2为主轴坐标系, 固定在溜板上, 随同溜板一起运动, 构建坐标系的x2、y2、z2坐标轴分别与参考坐标系的x、y、z坐标轴平行且方向相同。主轴上某点在主轴坐标系O2-x2y2z2中的齐次坐标为[x2y2z2 1]T。根据车削加工的特点, 主轴回转误差在z轴方向的分量对加工结果的影响是高阶小量, 因此不必考虑;主轴回转误差在y方向的分量对加工结果的影响是1∶1, 这里对其进行最小二乘回归, 得到误差表达式[3], 即由主轴引起的工件半径方向的加工误差为:

Δr2 (x) =Δy (x) =y2Δy2 (x) 。

2.3 夹具定位误差的数学模型

为了描述夹具定位误差的变化, 在导轨和顶尖上各建立一个直角坐标系O-xyz和O3-x3y3z3, 建立方法同上。设工件上某点在坐标系O3-x3y3z3中的齐次坐标为[x3y3z3 1]T, 以车削圆柱为例, 设主轴长度为l, 则其主轴上任意一点的误差为undefined, 即引起的工件半径方向的加工误差为:

Δr3 (x) =Δy (x) =y3Δy3 (x) 。

2.4 刀具磨损对加工零件造成误差的数学模型

为了描述刀具磨损的变化, 在导轨和刀架上各建立一个直角坐标系O-xyz和O4-x4y4z4, 建立方法同上。设工件上某点在坐标系O4-x4y4z4中的齐次坐标为[x4y4z4 1]T。在切削过程中, 任何一个刀具都会产生磨损, 使刀具切削刃的尺寸和形状发生变化, 导致被加工零件的尺寸和形状的改变, 影响加工精度。在车削一根较长的轴时, 车刀磨损将使工件产生锥度误差。正常磨损阶段, 刀具磨损量为:undefined。其中:Δy4 (0) 为刀具的初期磨损量;x0为初期磨损的切削路程;x1为刀具切削路程;kμ为单位磨损量, 即刀具每切削1 000m路程的磨损量。由于刀具初期磨损距离很短, 可以忽略不计, 因此刀具磨损量的公式可以记为:undefined。即引起的工件半径方向的加工误差为:

Δr4 (x) =Δy (x) =y4Δy4 (x) 。

2.5 机械加工精度误差的融合

在传统加工误差分类的基础上可将误差进一步抽象成如下两类:①工艺系统运动 (几何) 误差, 如导轨直线度、主轴回转误差等;②加工 (物理) 误差, 如刀具磨损、热变形及力变形等产生的误差[4]。为完整描述加工工件实际表面成形的数学模型, 在确定了影响加工误差的各单项原始误差后, 根据单因素的分析原理, 建立单项原始误差δi与该因素所造成的单项加工误差Δi的数学关系, 即:Δi=f (δi) 。根据上述函数关系, 通过实验测定原始制造误差值后就可计算出单项加工误差值, 如果这一因素是造成加工误差的主要因素, 则这项分析计算具有实际意义, 从中可找出提高加工精度的途径;如果造成加工误差的主要因素有若干个, 则可逐个对它们分析, 然后分析其综合影响。由于有些因素影响工件的系统误差, 有些因素影响随机误差, 因此这些因素引起的单项加工误差综合可用下面方法计算:系统误差用代数法相加, 随机误差用误差的平方和根来表示, 以上两者用算术法相加即为加工总误差的计算式[5]:

其中:∑Δi为i个系统误差的代数和;∑Δundefined为g个随机误差的平方和。

3原始制造误差对被加工圆柱零件影响的模型仿真

通过建立数学模型, 得到原始制造误差对被加工圆柱零件的影响结果。使用VC++和OpenGL软件建立加工环境, 然后建立数据库, 把有关数据通过数据输入界面传输到该加工系统中, 对该加工过程进行仿真。

HCM-I超精密加工机床各项原始制造误差见表1。通过对原始数据的分析, 根据单因素的分析原理, 建立单项原始误差与该因素所造成的单项加工误差的数学关系, 计算出各项加工误差的值, 将这些因素引起的单项加工误差融合, 绘制出被加工零件的离散点加工误差与其加工长度的关系, 并对其进行仿真。

图3、图4分别为虚拟车削加工仿真系统环境的建立和数据输入界面, 图5为不同位置被加工圆柱零件的误差。

从图5可知:沿着工件轴向的误差随着x值的增大也在增大, 同时可知, 由于工件末端顶尖存在, 仍能保证被加工零件的精度在许可范围内。

4结论

本文利用齐次坐标变换原理建立各种原始制造误差的数学模型, 然后把它映射到虚拟加工系统中, 描述其在加工环境中的物理仿真, 得出虚拟车削对被加工圆柱零件的影响。

参考文献

[1]李淑娟, 阎献国.机械制造工艺学[M].太原:山西科技出版社, 2002.

[2]童恒超, 杨建国, 刘国良, 等.机床导轨系统空间误差的齐次坐标变换建模及应用[J].上海交通大学学报, 2005, 39 (9) :1400-1403.

[3]卢碧红.虚拟数控车削加工精度预测系统研究[D].大连:大连铁道学院, 2003:25-33.

[4]葛研军, 卢碧虹.车削加工物理仿真[J].机械科学与技术, 2001, 20 (3) :421-431.

车削加工的误差 第4篇

关键词：数控车削,普通车削,加工工艺,对比分析

引言

随着零件构造的复杂化, 普通车削加工已经无法满足实际生产的要求, 数控车削加工则可以通过数控机床来完成复杂零件的车削加工, 并且加工精度高、速度快, 使得数控车削加工已经逐步取代了传统的车削加工。但是完全采用数控车削加工, 其设备更换的成本相对较高, 使得企业无法全部更换, 这样为了同时使用现有的数控车削设备与传统车削设备, 提高生产效率, 就必须从加工零件的结构形式、零件的精度要求等方面来合理地设计车削加工工艺技术方案, 以充分利用企业现有的加工设备, 实现利益最大化。

1 数控车削加工工艺分析与普通车削加工工艺差别

根据数控车削加工的工艺条件, 可以确定数控车削加工的零件的特点主要有如以几方面:首先最适合数控车削加工的零件的形状往往十分复杂, 而且对尺寸精度要求较高, 普通的车削加工工艺无法完成;其次, 对于具有复杂曲线或曲面轮廓的零件, 数控车削设备也可以高效地完成加工;对于零件尺寸测量难度大、加工过程的进给量很难通过手工控制的零件也适宜使用数控车削设备加工。

然而普通车削加工的零件具有以下特点:生产的零件结构简单, 生产的数量巨大;对于装备加持难度大或加工精度要求全部依靠寻找正定位来保证的零件也需要用普通车削加工机床来进行加工;此外, 对于加工余量极不稳定的零件也需要使用普通车削加工机床来进行加工。

2 数控车削加工与普通车削加工内容的差别

2.1 适宜数控车削加工内容的特点

优先选择那些普通车削设备无法加工的内容来进行数控加工;对于普通车削设备加工难度大, 质量控制难度大的内容应作为数控车削加工的内容;对于价格加工效率要求高、加工步骤复杂致使人工无法完成加工的内容也应考虑使用数控车削加工。

2.2 适宜普通车削加工内容的特点

对于加工过程调整时间长的加工内容, 由于其导致数控加工设备的使用效率大大降低, 因此适合采用普通车削加工设备来进行加工;对于零件加工时的编程取数难度很大、零件的型面、轮廓检测困难的零件也适合采用普通车削加工设备来进行加工;零件的加工表面繁琐, 导致数控机床编程实现困难, 加工工艺很复杂, 可采用普通车削加工。

3 数控车削加工工艺路线分析

3.1 数控车削加工阶段概述

在进行零件加工时, 为了提高加工的精度, 往往采用的是分步骤加工法以使得零件的尺寸精度逐渐接近目标尺寸, 该分步骤加工过程主要分为粗加工、半精加工、精加工和抛光加工四个阶段。粗加工主要是根据零件的基本轮廓, 车削出零件的粗略模型, 接着再进行半精加工, 该阶段主要是进一步细化零件的车削尺寸, 使其满足一定的精度误差, 接下来的精加工过程, 是在半精尺寸的零件基础上进一步缩小误差范围, 使其满足设定的加工精度要求, 最后的加工过程是抛光处理, 使零件的表面光滑度满足预期要求。至此, 整个数控车削加工工序便完成了。

3.2 确定数控车削加工顺序的基本原则

数控车削加工顺序的主要根据基面先行、先粗后精、先主后次、先面后孔四个基本原则来确定, 其实际确定时, 需要根据经验进行选择。

3.3 确定数控车削加工走刀路线考虑因素

对点位加工的数控车削机床要尽可能减少刀具的空程时间以提高加工效率, 这样就需要对加工程序进行优化, 以保证加工时刀具的走刀路线最短。为了确保加工的零件表面粗糙度满足工艺要求, 在编程时要考虑将零件最终轮廓的形成放置在最后一次走刀时完成整体加工。在考虑进刀具进退刀路线时, 要尽量避免在加工零件的轮廓处停刀或垂直切入切出加工零件。对于旋转体类零件的加工, 要对零件的整体结构进行分解, 考虑分步骤制定粗加工路线, 然后再进行后续加工步骤, 以缩短加工时间, 提高加工效率。

3.4 合理选择数控车削加工夹具

数控车削加工要求使用的夹具的坐标方向与机床的坐标方向是相对固定的;此外, 还要注意协调加工零件与车削机床的坐标系尺寸。主要考虑因素如下:单件小批量生产时, 优先选用组合夹具、可调夹具和其他通用夹具;在成批生产时, 才考虑采用专用夹具;零件的装卸要快速、方便、可靠;夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工;批量较大的零件加工可以采用多工位、气动或液压夹具。

3.5 合理选择数控车削加工刀具

数控车削加工刀具的选择主要考虑加工零件的材料、零件的轮廓、加工机床允许的切削量和刀具的刚性及耐用度等因素, 一般应优先选用数控车削设备提供的标准刀具。

3.6 合理选择数控车削加工量具

数控车削加工主要用于单件小批生产, 一般采用通用量具;成批生产和大批大量生产中部分数控工序, 应采用各种量规和一些高生产率的专用检具与量仪等, 选择的量具的精度应和所加工零件的要求精度相适应。

4 结束语

数控车削加工的性能好、精度高、速度快、自动化程度高, 这些优点使得数控车削加工比普通车削加工具有更高的加工效率和优势, 但也有其适用范围, 因此, 在进行零件加工前, 要先分析零件的适用加工类型, 以合理的选择车削加工设备, 提高生产效率, 降低生产成本。

参考文献

[1]龚仲华.数控技术[M].北京:机械工业出版社, 2004, 1.

[2]周光万.机械制造工艺学[M].西南交通大学出版社, 2009, 3.

[3]韩鸿鸾, 丛培兰.数控加工工艺[M].人民邮电出版社, 2010, 1.

[4]荣瑞芳.数控加工工艺与编程[M].西安电子科技大学出版社, 2006, 8.

车削加工的误差 第5篇

红外非球面透镜的传统加工是采用光学冷加工的方法, 首先对镜片进行粗磨成形, 然后细磨, 接着粗抛光, 去除镜片表面破坏层, 最后进行精抛光, 根据检测信息反馈, 指导手工修正抛光, 满足面形质量要求。这种加工方法的缺点是加工步骤烦琐, 周期长, 抛光液对环境造成的污染大, 加工镜片的一致性差, 不利于批量生产的质量控制[1]。

超精密加工技术可以完全克服传统加工的弊病, 它最先起源于上世纪60年代的美国, 这项技术是利用金刚石车刀的单点车削, 直接将红外的光学材料 (锗, 硅等) , 加工到镜面, 加工精度优于0.1μm, 表面粗糙度优于10 nm, 这项技术经过几十年的发展, 加工工艺日趋成熟。

机械的稳定性以及金刚石刀具的状态是保证加工精度的前提条件, 空气静压技术的出现将机械主轴的稳定性提高到一个新的高度, 然而金刚石车刀的误差, 一直是制约零件最终加工精度提高的瓶颈。而且被车削非球面的相对孔径越大, 金刚石刀具刃口与工件表面进行车削的圆弧的幅角就越大, 刀具刃口误差对车削后工件表面面形误差影响就越大 (如图1) 。

如何快速准确的补偿深度非球面单点金刚石车削中刀具刃口的误差, 是高精度超精密车削工艺中的关键技术, 有必要对其进行针对性的研究[2,3,4]。

1 超精密加工刀具刃口误差的常规补偿方法

刀具刃口误差主要有两种 (如图2) 。

第一是刀具刃口圆弧波纹度误差。实验证明, 刀具刃口圆弧的波纹度越低, 其相同加工工艺参数车削后效果最佳。目前世界上最先进的金刚石刀刃修磨技术可以将刀具刃口圆弧的波纹度小于0.1μm。随着实际使用中车刀刃口的逐渐磨损, 波纹度在变大, 切削后工件表面粗糙度也随之加大, 在工件表面会形成多圈的彩虹纹。我们可以通过定期修磨刀具刃口的方法将波纹度误差对零件表面粗糙度的影响降到最低。

第二是刀具刃口形状误差。理想的刀具刃口是标准的圆弧, 但是实际上由于刀具制作工艺影响, 刀具刃口圆弧各点半径不一致, 即刀具刃口形状为非球面。实验证明, 刀具刃口误差越大, 车削后工件面形误差越大[5]。

传统的刀具刃口形状误差的补偿方法是采用轮廓仪对初次车削后的表面进行检测, 将检测结果反馈超精密车床, 进行修正车削。众所周知, 高精度的检测决定高精度的加工, 传统的接触式测量存在许多缺点, 在测量之前需要对测量仪器进行定标校准, 测量信息只有加工零件的一条母线, 且测量时间很长, 影响加工效率。如果是离线测量, 测量坐标系与加工坐标系难以统一, 无法进行针对性的数据补偿, 即使是在线测量, 也受限于环境影响及测量仪器精度。接触式测量的结果容易出现高频误差, 不利于制作补偿文件。

图3显示的是接触式轮廓测量仪Taylorsurf的检测结果, 虽然面形误差PV值小于0.3μm, 但是还不能满足该光学零件的质量要求 (PV值优于0.1μm) , 如果按照此测量数据文件对刀具刃口误差进行补偿, 很难再进一步收敛面形误差。

2 新的超精密加工刀具刃口误差的高精度补偿理论与方法

经过长期的实验工作, 我们发现, 由于机床车削加工的旋转对称性, 所以几乎不会出现由于车削引起的工件离轴误差 (慧差面形误差) 及不对称误差 (像散面形误差) [6], 而刀具刃口轮廓误差, 造成工件的面形误差主要是初级及高级球差。根据这个特点, 我们可以对首次加工后的面形进行泽尼克多项式拟合, 提取初级及高级球差项系数, 反馈给机床, 改变刀具路径, 从而达到补偿刀具刃口误差的目的。

根据泽尼克多项式系数表, 其中产生球差及高级球差项的Zernike系数分别是第八项, 第十五项, 以及第二十四项:

其中:T8, T15, T24分别为这三个系数值。

g (x) 为旋转对称非球面方程通用形式 (式 (2) ) , a, b, c, d为非球面方程中2, 4, 6, 8次项的系数

其中k=a=b=c=d=0时, 即为初始球面方程

将ρ归一化后带入I8, I15, I24:

其中φ为工件被检测到的范围。可以得到:

按式 (6) 的非球面方程参数编写CNC加工代码输入到单点金刚石车床, 完成补偿加工。

补偿车削后, 面形如果仍然残余球差或高级球差项, 重复上述步骤, 计算新的非球面系数并且叠加到原有系数上, 执行二次补偿, 直到球差及高级球差项系数接近0, 补偿结束。

3 刀具刃口误差的高精度补偿的计算机模拟

为了证明刀具刃口误差造成车削后工件表面的面形误差主要是初级及高级球差, 我们可以对刀具刃口误差的补偿效果进行计算机模拟, 验证以上理论方法。加工一个球面, 口径50 mm, 半径50 mm, 相对孔径达到2.0, 因为球面在干涉仪上的检测比较方便, 成本也很低, 对于近似形状的光学零件进行单点金刚石车削, 如果球面的加工没有问题, 非球面的加工也就没有问题, 被车削的毛坯材料为锗, 形状为凹面, 在Moore Nanonech250单点金刚石车床上完成粗车削与精车削。加工工艺参数见表1。

通过Zygo干涉仪软件分析给出的泽尼克多项式系数, 提取T8, T15, T24, 如图4, 代入式 (6) , 将r=50, φ=50, k=0代入式 (5) , 式 (6) , 可以计算得到高次项系数a, b, c, d。

g (ρ) -f (ρ) 误差曲线计算机模拟结果如图5。在干涉仪上测量结果如图6。

可以看到, 干涉仪测量结果与计算机模拟结果基本吻合, 进一步说明在超精密车削中造成工件表面面形的误差主要因素是由刀具刃口误差引起的球差与高级球差。我们只要进行针对性的补偿即可。

4 刀具刃口误差的高精度补偿后的加工结果

根据前面的理论方法, 计算求得高次项系数并入非球面标准方程, 生成非球面车削CNC加工程序, 对球面零件进行补偿加工, 工艺参数保持不变。仅经过三次补偿, 泽尼克球差各项系数小于0.01, 加工零件面形误差不再收敛。最终检测结果如图7。

采用新的补偿方法对刀具刃口误差进行修正后, 加工零件的表面面形精度迅速达到PV=86 nm, RMS=7nm (未做补偿第一刀车削后PV=1 061 nm, RMS=264 nm) 。充分证明该补偿方法不仅简单而且实用, 尤其对于大相对孔径的光学零件的超精密车削, 面形误差的收敛速度快, 产品最终精度高。

摘要：超精密车削中的金刚石刀具刃口误差的补偿问题一直是制约高精度非球面车削直接成形的瓶颈技术, 尤其对于大相对口径, 深度非球面的车削, 金刚石刀具刃口误差对最终的面形的影响非常大。传统补偿方法是根据轮廓仪的测量结果对刀具刃口误差进行修正, 但是该方法存在测量时间长, 高频误差大, 加工效率低的缺点, 本文最先提出利用车削表面面形误差拟合后的泽尼克多项式系数对刀具刃口误差进行加工补偿, 首先对该补偿方法进行了详细的理论推导, 然后对补偿效果进行计算机模拟, 最后在Nanotech250单点金刚石车床上完成了口径50mm, 半径50mm大相对口径实验件的超精密车削及修正车削, 面形精度PV=86nm, RMS=7nm。充分证明该补偿符合预期, 精度高, 误差收敛速度快。

关键词：超精密车削,刀具刃口误差,补偿,光学加工

参考文献

[1]谢晋, 耿安兵, 熊长新.红外线聚光非球面透镜的单点金刚石镜面切削方法[J].光学精密工程, 2004, 12 (6) :565-569.XIE Jin, GEN An-bing, XIONG Chang-xin.Single-point diamond mirror turning of infrared aspheric lens[J].Opt.Precision En, 2004, 12 (6) :565-569.

[2]罗松保, 张建明.非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术[J].光学精密工程, 2003, 11 (1) :75-77.LUO Song-bao, ZHANG Jian-ming.Utraprecision machining equipment and technology of aspheric optics[J].Opt.Precision En, 2003, 11 (1) :75-77.

[3]尹自强, 李圣怡.超精密车削下刀具相对振动的判别[J].光学精密工程, 2002, 10 (5) :497-503.YIN Zi-qiang, LI Sheng-yi.Identification of relative vibration in ultra-precision turning[J].Opt.Precision En, 2002, 10 (5) :497-503.

[4]吴敏镜.超精密加工技术的现状与展望[J].航空精密制造技术, 2002, 6 (3) :2-5.WU Min-jing.Status and Development Tendency of Ultra-precision Machining Technique[J].Aviation precision Manufacturing Technology, 2002, 6 (3) :2-5.

[5]孙涛, 蒋建明.影响超精密加工精度的主要因素[J].长沙航空职业技术学报, 2003, 3 (1) :49-51.SUN Tao, JIANG Jian-ming.Main factors affecting the precision of super-finishing[J].Changsha Aeronautical Vocational and Technical College Journal, 2003, 3 (1) :49-51.

多线螺纹的车削加工 第6篇

车削多线螺纹是车削螺纹中较难的一个课题,尤其是传统车床。因为在车削过程中,不仅要保证多线螺纹和多线蜗杆的尺寸精度和形状精度(每条螺纹的小径要相等,每条螺纹的牙型角也要相等),而且还要保证几条螺纹的相互位置精度(分线精度)。多线螺纹和在轴向是等距分布的,在端面上螺旋线的起点是等角度分布的。若螺纹分线出现误差,则会直接影响内外螺纹的配合性能,轻则增加不必要的磨损,降低使用寿命。重则造成无法安装,工件报废。

1 相关概念

1.1 螺距p:螺纹上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。

1.2 导程ph:同一条螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。

1.3 牙型角:螺纹在其轴向断面上一个齿两侧齿廓间的夹角。

1.4 螺距与导程的关系:Ph=n P。

2 掌握螺纹常用切削进刀次数和吃刀量

在加工螺纹时了解和掌握由经验得出的螺纹常用切削进刀次数和吃刀量,可以为制订加工工艺、编程打好基础。

常用螺纹切削进刀次数和吃到量(见表1)。

注:表中背吃刀量为半径值,走刀次数和背吃刀量根据工件材料及刀具不同可酌情增减。

3 多线螺纹的分线方法

解决多线螺纹等距分布问题叫分线。如分线误差过大,则车削的多线螺纹螺距不等。造成内外螺纹配合时只有一条或少数几条啮合,显著降低了使用寿命。

3.1 轴向分线法。

当车好一个螺旋槽后,把车刀沿工件轴向移动一个螺距,再车削另一条螺旋槽的分线方法称为轴向分线法。

3.1.1 普通机床:

(1)用小滑板刻度分线法。车刀沿工件轴向移动的距离,可利用小滑板刻度来控制,利用这种方法分线,不需要其它辅助工具就能进行,比较简便,但是分线精度较低,一般在粗车时使用。

(2)用量块分线法。在车削等距精度要求较高的多线螺纹时,可利用量块控制小滑板移动的距离。采用这种方法,首先要在床鞍和小滑板上各装置一个固定挡铁和触头及量块。

采用量块分线,由于量块不能固定在机床上,所以精车时,为了保证分线精度。每次触头与量块接触时紧松应完全保持一致。

(3)用百分表分线法。小滑板移动的距离也可以用百分表来控制。先将磁性百分表固定在床鞍上,百分表的触头及刀架上,找正百分表零位,再将小滑板轴向移动一个使百分表数值等于螺距,就可以达到分线的目的。这种方法既简单又精确,但分线齿距受到百分表量程的限制,一般只在10mm内。

3.1.2 数控机床:

在数控机床用轴向分线法加工多线螺纹非常方便,只需将刀具起始点沿轴移动一个螺距,如FANUC-OT系统采用螺纹循环加工指令G92加工完一条螺旋线后,用G00将刀具起始点沿轴移动一个螺距即可加工第二条,以此类推。

3.2 圆周分度法。

圆周分度法是根据多线螺纹的各条线在圆周等距分布进行分线的。各起始点在端面上相隔的角度为

式中,α多线螺纹各起点在端面上相隔的角度;n多线螺纹的线数。

当车好第一条螺旋槽后,使工件与床鞍之间的传动链分离,并把工件转过α角度再接通传动链就可车削另一条螺旋槽,这样依次分线,就可把多线螺纹车好。圆周分线的具体方法又以下几种。

3.2.1 用交换齿轮齿数分线法。

当交换齿轮z1的齿数是螺纹线数的整倍时,就可以用交换齿轮进行分线,分线齿数

用交换齿轮齿数分线虽然比较精确,但是分线数受交换齿轮齿数的限制,另外操作也比较麻烦。所以不宜在成批生产中采用。

3.2.2 用分度插盘分线法。

分线插盘由内螺纹与车床主轴联接,盘上有分精度很高的分度插孔,被加工工件在两端顶尖之间装夹。这种方法的分线精度高,操作方便,是一种理想的分线工具,适合批量生产中采用。

4 多线螺纹加工方法

了解了多线螺纹的分线方法以后,就可以对多线螺纹进行加工。对于传统的机床,分完线后直接据每次进刀量加工第二条,直到完毕。对于数控车床,不同系统有不尽相同的指令,如在FANUC-OTD中,多线螺纹编程功能指令有G32、G92,应用这些功能指令编程加工多线螺纹通常是通过改变螺纹切削起始角或改变螺纹轴向切削其始点两种方法来实现。

4.1 改变螺纹切削初始角

4.1.1 指令格式。G32 X(U)_Z(W)_F_Q_;

X,Z绝对尺寸编程时螺纹的终点坐标;U,W增量尺寸编程时螺纹的终点坐标;F螺纹导程,如果是单线螺纹,则为螺纹的螺距;Q螺纹起始角,该值为不带小数点的非模态值,即增量为0.001°,如起始角为180°,则Q180000。单线螺纹可以不用指定,此时,该值为0。

4.1.2 应用举例。用G32指令编制如图1所示。

(1)工艺路线分析

a.工件伸出三爪卡盘55mm夹紧;b.车M303/2外径;c.车51.5;d.车M303螺纹(第一个头);e将螺纹刀向左或向右移动1.5mm(分头);f.车M303螺纹(第二个头)。

(2)相关编程及编程举例。d1=d-1.08P=30-1.081.5(其它计算同上例)

0%(T10为90°正偏刀;T20为切槽刀;刀宽5mm,以左尖刀为基准;T30为60°螺纹刀)

4.2 改变螺纹切削起点加工

4.2.1 指令格式。G92 X(U)_Z(W)_F_;X,Z绝对尺寸编程时螺纹的终点坐标;U,W增量尺寸编程时螺纹的终点坐标;F螺纹导程,如果是单线螺纹,则为螺纹的螺距。

4.2.2 应用举例。用G92指令编制如图2所示,零件上螺纹的加工程序见表2。

结束语

多线螺纹的车削加工关键是轴向分线和周向分度,可采用改变螺纹切削初始角和改变螺纹切削起点进行加工。

参考文献

[1]黄翔,李迎光.数控编程理论技术与运用[M].北京:清华大学出版社,2006.

[2]劳动部教材办公室.车床数字控制[M].北京:中国劳动出版社,1997.

[3]王贵明.数控实用技术[M].北京:机械工业出版社,2000.

[4]王爱玲.现代数控编程技术及应用[M].北京:国防工业出版社,2002.

[5]王爱玲.现代数控原理及控制系统[M].北京:国防工业出版社,2005.

车削加工的误差 第7篇

在数控车削加工过程中, 首先要根据数控加工程序中建立的工件坐标系所选用的指令采用相应的方法进行对刀, 以建立准确的工件坐标系;其次要考虑到保证批量零件尺寸的一致性, 消除或减小由于刀具磨损而产生的尺寸误差。数控加工程序中要用到刀补指令, 机床操作时要设置刀补参数。但在此过程中, 往往在设置磨损参数后, 仅加工的第一个零件能达到尺寸精度要求, 随着零件加工数量的增加, 不仅不能消除或减小误差, 其尺寸误差反而越来越大, 本文仅就此现象进行如下分析。

1 程序错误

零件加工程序如下:

根据N01G50X80Z60调整刀架, 使刀位点A处于图1所示位置, 离工件端面中心X80Z60处, 此时机床坐标值如图2所示。

加工一批零件后, 刀具磨损, 工件直径大了2 mm, 这是由于实际切削点不是刀具上的A点而是磨损后的刀具上的B点 (见图3) , 因此需在图4刀偏表中设置参数X-2, 以此保证零件尺寸精度。

设置参数后执行程序O2001加工第一个零件, 轴的直径为40, 零件没有误差, 此时理想刀位点A位于如图5所示机床坐标值处。

再运行程序加工第二个零件, 其直径为38, 有误差, 其值为2, 等于X输入的磨损参数值。

2 误差原因

加工第一个零件前, 没有刀补, 理想刀位点A在坐标系中的位置没变, 执行N01G50X80Z60所建立的工件坐标原点位置没变 (见图6) , 虽然刀具有磨损, 刀刃上的实际切削点为B点, 但设置了刀补参数, 执行N05T0101后, B点的轨迹与没有设置刀补参数时的理想刀位点A的轨迹是一样的, 所以零件没有误差。

问题是, 零件轮廓加工完毕后, 没有执行T0100取消刀补, 执行程序段N30G00X80Z60时, 理想刀位点A不会回到起始点位置即机床坐标X-180处, 而是实际切削点B移动到该处, 此时理想刀位点A在机床坐标系X-182的位置, 也就是工件坐标系的X78处。加工第二个零件, 由于仍执行的是N01G50X80Z60, 因而工件坐标原点不在车床主轴轴线上, 沿X偏离了-2 mm, 如图7所示, 由于有刀补指令, 执行N15G00X40Z5;刀刃上的实际切削点B点移动到工件坐标系下的X40处, 但与主轴回转轴线的距离却是X38, 因此纵向切削加工出的轴直径为38, 如果再加工第三个零件, 由于同样的原因, 零件直径为36。

3 修改程序

如果增加程序段N27T0100, 如下面程序O2001。

加工几个零件, 经检测, 所有零件直径均为40。这是因为执行了程序段N27T0100, 取消了刀补, 再执行N30G00X80Z60时, 理想刀位点A重又回到起始点的位置 (见图2) , 多次运行程序, 执行程序段N01G50X80Z60, 所建立的工件坐标原点的位置是统一的, 始终都在车床主轴的轴线上, 因此, 加工一批零件时, 不会随着零件数的增加而不断扩大直径上的加工尺寸误差。

4 试切对刀建立工件坐标

用程序O2002加工零件, 由于程序中是用的试切对刀法建立的工件坐标, 其坐标原点与刀位点的当前位置无关, 所以在零件轮廓加工完毕后, 无论刀位点停在哪, 再次运行程序时, 工件坐标的原点不会发生改变, 所以, 程序中取消刀补的指令可有可无。用O2002程序加工一批零件时, 只需在加工零件的过程中, 测量零件的实际尺寸, 计算出其直径误差, 将其输入到图4中, 即可消除由于刀具磨损而产生的直径误差, 以保证零件的加工精度。

5 数控车削应注意的问题

以O2001程序为例:

1) G50指令建立工件坐标与刀具刀位点当前位置有关, 加工多个零件时一定要注意, 当轮廓加工完毕后, 一定要让刀位点回到起始点, 否则将产生尺寸误差。

2) 刀补中所设置的参数应为刀具磨损量的2倍, 因为车床多为直径编程。

3) 程序中用G50建立工件坐标, 且又用到了刀补指令以消除刀具磨损对加工尺寸的影响, 轮廓加工完成后一定要取消刀补, 对于多个零件的加工尤为重要。

4) 刀补取消指令是后置指令, 在程序中的位置很重要, 例如, 在程序O2001中, T0100只能放在N30程序段前, 否则还是会产生尺寸误差。

6 结语

在数控车削加工中, 如果是批量加工, 刀具在使用一段时间后一定会产生磨损, 导致零件尺寸超差, 此时不必进行重新对刀, 而是通过测量工件获得尺寸误差值, 设置磨损量, 可保证零件加工精度要求。要特别注意G50指令与试切对刀建立工件坐标之间的区别, 否则, 不仅不能消除或减小尺寸误差, 反而会加大其误差。经对比分析可知, 在批量加工中, 试切对刀更易于保证批量零件的加工精度一致性的要求。

参考文献

[1]侯勇强.数控编程与加工技术[M].大连:大连理工大学出版社, 2008.