重型臥式車床床身導(dǎo)軌幾何精度對(duì)軸類加工的影響

李 凱 王加祥

（1.德州德?。瘓F(tuán)）機(jī)床有限責(zé)任公司，德州 253000；2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250031；3.山東省高檔數(shù)控機(jī)床技術(shù)創(chuàng)新中心，濟(jì)南 250031）

床身是重型臥式車床的重要基礎(chǔ)部件，床身導(dǎo)軌的幾何精度是保證重型臥式車床加工精度的重要因素。重型臥式車床加工的零件一般重量重且回轉(zhuǎn)直徑大。為保證零件的加工質(zhì)量，機(jī)床中心較高。一般刀尖距床身的高度為800 ～1 800 mm，甚至更高，一定程度上放大了床體幾何精度誤差造成的車削工件誤差。下面將詳細(xì)論述床身導(dǎo)軌的幾何精度與軸類零件加工精度的關(guān)系。

1 重型臥式車床床身導(dǎo)軌及各運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)和作用

圖1是重型臥式車床的床身導(dǎo)軌截面圖，拖板2安裝在床身導(dǎo)軌1 上，并以床身導(dǎo)軌1 為導(dǎo)向進(jìn)行縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即Z向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（垂直于紙面的運(yùn)動(dòng)方向），作用是為車削軸類零件5 的外圓提供動(dòng)力[1]。刀架3 安裝在拖板2 上，并以拖板2 為導(dǎo)向進(jìn)行橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即X向運(yùn)動(dòng)（垂直于Z向的水平運(yùn)動(dòng)方向），作用是為車削軸類零件5 的端面提供動(dòng)力。切削用刀具4 安裝在刀架3 上，對(duì)工件進(jìn)行切削加工。

床身導(dǎo)軌1 的幾何精度誤差會(huì)直接影響刀具4。當(dāng)拖板2 在床身導(dǎo)軌1 上做縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)即車削軸類工件5 外圓時(shí)，由于床身導(dǎo)軌1 幾何精度誤差的影響，刀具4 的運(yùn)動(dòng)曲線并不是一條直線，而是一條三維曲線，會(huì)使車削加工的軸類零件5 的外圓直徑與理論值存在誤差，從而影響軸類零件5 的加工精度。

2 重型臥式車床床身導(dǎo)軌幾何精度的組成

如圖2 所示，機(jī)床的軸線運(yùn)動(dòng)分為縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（即Z向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)），橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（即X向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)），以及垂直于X向和Z向的Y向運(yùn)動(dòng)，以下分別簡(jiǎn)稱為X向、Z向和Y向[2]。

圖2 機(jī)床各軸線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)圖

2.1 床身導(dǎo)軌在ZY 垂直平面內(nèi)的直線度

床身導(dǎo)軌在ZY垂直平面內(nèi)的直線度俗稱“凸起”，是指床身導(dǎo)軌在沿床身Z向垂直平面，即ZY正交平面上的直線度[3]。如圖3 所示，一般用水平橋和水平儀檢測(cè)，在床身導(dǎo)軌1 上沿Z向放置一水平橋2，水平橋2 上沿Z向放水平檢測(cè)儀3，以床身導(dǎo)軌1 導(dǎo)向移動(dòng)水平橋2，每隔500 mm 記錄一次讀數(shù)，檢驗(yàn)導(dǎo)軌全長(zhǎng)并繪制誤差曲線，同時(shí)每條導(dǎo)軌均需要檢驗(yàn)。每條導(dǎo)軌誤差曲線上各點(diǎn)對(duì)其兩端點(diǎn)連線間坐標(biāo)值的最大差值，即為床身導(dǎo)軌在（ZY）垂直平面內(nèi)的直線度。局部誤差是任意相鄰兩點(diǎn)對(duì)其相應(yīng)曲線的兩端點(diǎn)連線間坐標(biāo)值的最大差值。要求允差內(nèi)只許中凸，精度標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示，其中局部公差要求任意500 mm 測(cè)量長(zhǎng)度上為0.020 mm。

表1 ZY 垂直平面內(nèi)床身導(dǎo)軌直線度公差允值表單位：mm

圖3 ZY 垂直平面內(nèi)床身導(dǎo)軌直線度檢測(cè)方法

如圖4 所示，本項(xiàng)精度主要影響沿床身縱向移動(dòng)時(shí)刀尖2 高度的變化。假定床身導(dǎo)軌凸起量為0.1 mm，工件1 直徑為1 600 mm，則由勾股定理8002+0.12=R2，可得R為800.000 006 25 mm。R為因床身導(dǎo)軌凸起導(dǎo)致刀尖高度發(fā)生變化后實(shí)際的車削直徑，所以半徑變化量?jī)H為0.000 006 25 mm?？梢姡瑢?duì)于大直徑軸類工件外圓的車削，床身導(dǎo)軌0.1 mm的誤差對(duì)零件直徑尺寸變化影響極小，可以忽略不計(jì)。

圖4 理論加工和實(shí)際加工示意圖1

2.2 床身導(dǎo)軌在XY 垂直平面內(nèi)的角度偏差

床身導(dǎo)軌在XY垂直平面內(nèi)的角度偏差俗稱“扭曲或俯仰”，是指床身導(dǎo)軌平面與床身Z向不同位置的橫向垂直截面（XY截面）各交線的平行度。如圖5 所示，用平尺2 和水平儀3 檢測(cè)[4]，在床身導(dǎo)軌1 上放一平尺2，平尺2 上放水平檢測(cè)儀3，沿床身導(dǎo)軌1 縱向移動(dòng)平尺2 和水平檢測(cè)儀3，每隔500 mm 記錄一次數(shù)值，在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上檢驗(yàn)，水平儀最大和最小讀數(shù)的差值即為床身導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的角度偏差，精度標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 XY 垂直平面內(nèi)床身導(dǎo)軌角度偏差公差允值表單位：mm

圖5 XY 垂直平面內(nèi)床身導(dǎo)軌角度偏差檢測(cè)方法

本項(xiàng)精度對(duì)實(shí)際車削加工的影響有兩個(gè)方面，即刀尖沿床身縱向移動(dòng)時(shí)高度的變化和工件徑向位置的變化。刀尖高度變化對(duì)零件直徑尺寸變化的影響極小，可忽略不計(jì)。但是，刀尖徑向位置的變化對(duì)零件的直徑尺寸影響很大。

假定床身導(dǎo)軌的扭曲誤差值為0.040 mm/1 000 mm，機(jī)床刀尖和床身導(dǎo)軌平面的距離即中心高為900 mm，床身寬度為1 650 mm，扭曲的旋轉(zhuǎn)中心為O點(diǎn)，位置尺寸見圖6。

圖6 理論加工和實(shí)際加工示意圖2

計(jì)算刀尖徑向位置的變化量時(shí)，扭曲的誤差值（水平儀的讀數(shù)）為0.040 mm/1 000 mm，即在1 000 mm 長(zhǎng)度上，起點(diǎn)和終點(diǎn)的高度相差0.040 mm，床身旋轉(zhuǎn)的點(diǎn)位于床身中心O點(diǎn)，所以O(shè)點(diǎn)到床身邊緣的高度差B為0.033 mm。

若這項(xiàng)精度誤差值沿床身導(dǎo)軌Z向上下差反復(fù)變化，那么車削的軸類外圓直徑尺寸會(huì)忽大忽小、粗細(xì)不勻，嚴(yán)重影響加工零件的尺寸公差和形狀公差。

2.3 床身導(dǎo)軌在ZY 水平面內(nèi)的直線度

床身導(dǎo)軌在ZY水平面內(nèi)的直線度俗稱“直線”，一般適用于拼接床身的機(jī)床，是指床身導(dǎo)軌縱向?qū)蛎婕碯Y水平面與水平面交線的直線度，多采用光學(xué)平直儀或鋼絲、顯微鏡測(cè)量。如圖7 所示，在床身導(dǎo)軌1 的兩端沿縱向拉緊一根鋼絲2，床身導(dǎo)軌1 上放專用檢具5，檢具5 上固定顯微鏡6，調(diào)整鋼絲2，使顯微鏡6 讀數(shù)的鋼絲2 兩端相等，移動(dòng)檢具5，每隔500 mm 記錄一次讀數(shù)，在床身導(dǎo)軌1 全長(zhǎng)上檢驗(yàn)，顯微鏡6 最大讀數(shù)與最小讀數(shù)的差值即為床身導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度，局部誤差以任意相鄰兩點(diǎn)讀數(shù)的最大差值計(jì)，精度標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示，其中局部公差要求任意500 mm 測(cè)量長(zhǎng)度上為0.015 mm。

圖7 ZY 水平面內(nèi)床身導(dǎo)軌直線度檢測(cè)方法

本項(xiàng)精度體現(xiàn)的是床身導(dǎo)軌縱向運(yùn)動(dòng)在水平面上的彎曲程度。當(dāng)車削軸類零件時(shí)，刀尖位置運(yùn)行軌跡的曲線與床身導(dǎo)軌縱向運(yùn)動(dòng)彎曲程度曲線一致，此時(shí)零件的直徑變化尺寸是導(dǎo)軌直線度誤差的2 倍。當(dāng)床身是一節(jié)時(shí)，本項(xiàng)精度取決于床身加工母機(jī)的加工精度；當(dāng)床身是多節(jié)拼接而成時(shí)，相比于“先精加工床身后拼接”的方式，采用“先拼接后精加工床身”的方式可以更好地保證并保持床身加工的精度。

3 結(jié)語

新機(jī)床應(yīng)先按以上3 項(xiàng)精度使用調(diào)整墊鐵和地腳螺栓一頂一壓的方式調(diào)整機(jī)床水平，再進(jìn)行車削加工。當(dāng)長(zhǎng)期使用的舊機(jī)床可能存在床身導(dǎo)軌磨損的情況時(shí)，可以實(shí)際加工工件的直徑為參照，在直徑超差的位置同時(shí)調(diào)整床身導(dǎo)軌在（XY）垂直平面內(nèi)的角度和床身導(dǎo)軌在（ZY）水平面內(nèi)的直線度，可臨時(shí)性在一定范圍內(nèi)減小軸類零件的直徑變化，最好的解決辦法是將導(dǎo)軌重新磨削加工，恢復(fù)精度。綜上所述，在實(shí)際使用過程中，3 項(xiàng)精度會(huì)同時(shí)對(duì)零件加工產(chǎn)生影響。為了減小軸類零件的圓柱度誤差，可以根據(jù)實(shí)際零件的公差要求合理控制床體精度，做到有的放矢。