王 宇 房小艷 李 廣

（1. 上海機(jī)床廠有限公司 上海200093；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱150001）

在金屬加工領(lǐng)域，復(fù)合加工技術(shù)正以其強(qiáng)大的加工能力得到不斷發(fā)展和應(yīng)用。帶回轉(zhuǎn)刀架的復(fù)合機(jī)床在刀架上配置不同尺寸規(guī)格甚至是不同類型的刀具，工件一次裝夾可完成不同特征面、不同工藝需求的機(jī)加工。因回轉(zhuǎn)刀架可任意角度定位，因此工藝編排靈活，適合多品種小批量工件的加工?；剞D(zhuǎn)刀架作為該類機(jī)床的核心部件之一，其回轉(zhuǎn)精度、回轉(zhuǎn)中心偏差及回轉(zhuǎn)中心位置設(shè)定偏差都會對刀具參考點(diǎn)的位置精度產(chǎn)生影響，進(jìn)而直接影響機(jī)床工作精度。

本文首先給出了帶回轉(zhuǎn)刀架的復(fù)合機(jī)床的刀具布置關(guān)系，定義了刀具的初始位置、基準(zhǔn)位置和工作區(qū)域，并給出了回轉(zhuǎn)刀架回轉(zhuǎn)后對應(yīng)刀具參考點(diǎn)的坐標(biāo)變換關(guān)系；然后以該類型復(fù)合機(jī)床確定尺寸的刀具刀架布局關(guān)系為例，研究了回轉(zhuǎn)刀架的回轉(zhuǎn)精度、回轉(zhuǎn)中心偏差及回轉(zhuǎn)中心位置設(shè)定偏差對機(jī)床工作精度產(chǎn)生的影響。

1 回轉(zhuǎn)刀架刀具布置關(guān)系

帶回轉(zhuǎn)刀架的復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示，回轉(zhuǎn)刀架上配置有刀具#1、刀具#2、刀具#3。加工工件時，通過繞回轉(zhuǎn)刀架中心回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀具角度的調(diào)整或者不同刀具的切換。

如圖1所示，刀具#1在加工外圓柱面時，回轉(zhuǎn)刀架角度設(shè)為0°。在0°時各個刀具所處的位置為初始位置。定義刀具加工圓柱面時所在的角度位置為其基準(zhǔn)位置，以本文所涉及的復(fù)合機(jī)床為例，刀具#1的初始位置即為基準(zhǔn)位置，刀具#2從初始位置順時針轉(zhuǎn)動90°時為基準(zhǔn)位置，刀具#3順時針轉(zhuǎn)動210°時為基準(zhǔn)位置。刀具可以從基準(zhǔn)位置左右回轉(zhuǎn)一定角度從而加工錐面，設(shè)定刀具在基準(zhǔn)位置±15°為該刀具的有效工作區(qū)域。

將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在刀架回轉(zhuǎn)中心上，刀具參考點(diǎn)初始位置為（Z0，X0），三個刀具參考點(diǎn)的初始位置關(guān)系如圖2所示，回轉(zhuǎn)刀架順時針回轉(zhuǎn)角度θ，刀具參考點(diǎn)位置為（Z，X），則

圖2 刀具參考點(diǎn)在刀架上初始位置關(guān)系示意圖

2 回轉(zhuǎn)刀架相關(guān)精度對工作精度的影響

2.1 回轉(zhuǎn)刀架回轉(zhuǎn)精度的影響

回轉(zhuǎn)刀架回轉(zhuǎn)過程中由于回轉(zhuǎn)定位誤差的存在，實(shí)際回轉(zhuǎn)角度θ′與理論回轉(zhuǎn)角度θ存在Δθ的角度偏差，即實(shí)際刀具回轉(zhuǎn)后參考點(diǎn)位置坐標(biāo)為則：

所以由于回轉(zhuǎn)刀架定位誤差對工作精度的影響， 即所引起的刀具參考點(diǎn)位置偏差ΔZ與ΔX：

當(dāng)Δθ趨于 0時，對cos（θ+Δθ）、sin（θ+Δθ）分別展開，再使用泰勒公式舍去高階無窮小并化簡得到最終刀具參考點(diǎn)位置偏差ΔZ與ΔX：

若回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì)的重復(fù)定位誤差為1〞，即

計(jì)算刀具#1參考點(diǎn)T1、刀具#2參考點(diǎn)T2、刀具#3參考點(diǎn)T3在有效工作區(qū)域內(nèi)由于回轉(zhuǎn)刀架角向定位誤差引起的在Z軸方向和X軸方向上的位置誤差ΔZ與ΔX，如圖3～圖5所示。

圖3 T1（?15°～15°）位置誤差

圖4 T2 （75°～105°）位置誤差

圖5 T2 （195°～225°）位置誤差

由上圖可知每個刀具在工作區(qū)域范圍內(nèi)，Z軸方向參考點(diǎn)的位置誤差約為3μm，X軸方向參考點(diǎn)位置誤差與其在回轉(zhuǎn)刀架上的位置有關(guān)。從圖中曲線的變化趨勢可以看出，刀具#1參考點(diǎn)T1和刀具#2參考點(diǎn)T2在工作區(qū)域內(nèi)，回轉(zhuǎn)刀架逆時針回轉(zhuǎn)，其X軸方向位置誤差逐漸減小，加工時對控制工件X軸方向尺寸精度有利。

2.2 回轉(zhuǎn)刀架中心偏差的影響

為實(shí)現(xiàn)復(fù)合機(jī)床更換刀具，或者同一刀具為了調(diào)整刀尖點(diǎn)與加工工件表面的角度關(guān)系，刀架需要回轉(zhuǎn)一定角度。刀架回轉(zhuǎn)到指定的位置然后鎖緊，這一過程不可避免的引入回轉(zhuǎn)刀架中心偏差。設(shè)理論位置為O（0，0），實(shí)際回轉(zhuǎn)中心為O＇，偏差距離為r，角度β（?π～π）；則O＇坐標(biāo)值=（r×cosβ,r×sinβ），考慮回轉(zhuǎn)刀架為剛性整體。刀架回轉(zhuǎn)中心位置變化，刀具參考點(diǎn)也隨之相應(yīng)變化，刀架回轉(zhuǎn)中心的偏差直接反映到刀具參考點(diǎn)位置誤差上。所以由于O偏移到O＇引起的刀具參考點(diǎn)位置誤差Z向?yàn)閞×cosβ，X向?yàn)閞×sinβ。

回轉(zhuǎn)刀架中心偏差直接反映到刀具參考點(diǎn)上，因此對回轉(zhuǎn)刀架轉(zhuǎn)動位置鎖緊后的中心偏差有嚴(yán)格要求。回轉(zhuǎn)刀架中心偏差對刀具參考點(diǎn)位置誤差如圖6所示，圖中給出了中心偏差分別為0.5μm、1μm、2μm時，刀具參考點(diǎn)在Z向和X向位置誤差與偏差出現(xiàn)的角度位置關(guān)系。

圖6 刀架回轉(zhuǎn)中心偏差對刀具參考點(diǎn)位置誤差

2.3 回轉(zhuǎn)中心位置設(shè)定偏差的影響

機(jī)床控制系統(tǒng)通過計(jì)算得到回轉(zhuǎn)刀架回轉(zhuǎn)后砂輪坐標(biāo)變換值，數(shù)控系統(tǒng)以此為依據(jù)控制刀具參考點(diǎn)的后續(xù)運(yùn)動，若計(jì)算用回轉(zhuǎn)中心與實(shí)際回轉(zhuǎn)中心存在偏差，則會對刀具參考點(diǎn)的位置精度產(chǎn)生影響。

如圖7所示，設(shè)回轉(zhuǎn)刀架實(shí)際回轉(zhuǎn)中心為O＇，計(jì)算用回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)為（0，0），O＇坐標(biāo)為，刀具參考點(diǎn)T初始坐標(biāo)為（ZT，XT），順時針回轉(zhuǎn)θ角度，則刀具參考點(diǎn)實(shí)際繞O＇回轉(zhuǎn)到位置為：

刀具參考點(diǎn)理論上繞O＂回轉(zhuǎn)到位置T＂坐標(biāo)為：

則回轉(zhuǎn)刀架回轉(zhuǎn)中心位置設(shè)定偏差對刀具參考點(diǎn)位置精度造成的偏差ΔZ，ΔX分別為：

圖7 回轉(zhuǎn)刀架理論回轉(zhuǎn)中心和實(shí)際回轉(zhuǎn)中心示意圖

此種情況下，刀具參考點(diǎn)的位置誤差取決于實(shí)際回轉(zhuǎn)中心與機(jī)床設(shè)定回轉(zhuǎn)中心的偏差以及刀具參考點(diǎn)回轉(zhuǎn)的角度θ，刀具參考點(diǎn)回轉(zhuǎn)的角度θ是滿足加工工藝需要而輸入的控制參數(shù)，對于帶回轉(zhuǎn)刀架的復(fù)合機(jī)床，為提高刀具參考點(diǎn)的位置精度，得到準(zhǔn)確的機(jī)床設(shè)定回轉(zhuǎn)中心至關(guān)重要。

3 結(jié)語

本文以指定的機(jī)床結(jié)構(gòu)、確定尺寸的刀具刀架布局關(guān)系為例，給出了回轉(zhuǎn)刀架上刀具參考點(diǎn)初始位置、工作區(qū)域的定義，分析了回轉(zhuǎn)刀架的回轉(zhuǎn)精度、回轉(zhuǎn)中心偏差以及回轉(zhuǎn)中心位置設(shè)定偏差對機(jī)床工作精度的影響，為回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)及機(jī)床設(shè)定提供理論依據(jù)。