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非圓磨削加工過(guò)程中引起加工誤差的主要因素分析
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近幾年，市場(chǎng)對(duì)高精度的非圓曲面類(lèi)零件的需求越來(lái)越大，同時(shí)機(jī)床的自動(dòng)化程度也在不斷提高。為了保證加工零件質(zhì)量的可靠性，提高加工精度和加工效率，對(duì)非圓磨削加工過(guò)程中引起加工誤差主要因素的分析就顯得越來(lái)越重要［１］。下面從工藝系統(tǒng)、加工過(guò)程和數(shù)控系統(tǒng)３個(gè)方面分別進(jìn)行討論。
１ 、工藝系統(tǒng)對(duì)加工精度的影響
工藝系統(tǒng)誤差由組成磨床的砂輪、導(dǎo)軌、主軸、中心支架等的安裝定位誤差及前道工序的各類(lèi)誤差等組成。通過(guò)分析工藝系統(tǒng)誤差對(duì)工件加工精度的影響，以尋求改善機(jī)床性能的方法。
（１）主軸設(shè)計(jì)時(shí)通常都是使其相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線軸對(duì)稱，由于加工和裝配工藝上的一系列誤差，轉(zhuǎn)子組裝完后總是做不到在質(zhì)量上的完全對(duì)稱，會(huì)導(dǎo)致主軸的偏心質(zhì)量在不同的回轉(zhuǎn)平面內(nèi)分布不均勻，從而導(dǎo)致加工過(guò)程中慣性力偶的產(chǎn)生，因此實(shí)際加工過(guò)程中需要對(duì)主軸進(jìn)行動(dòng)平衡和靜平衡。
磨床主軸回轉(zhuǎn)誤差，是指主軸的實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于其理想回轉(zhuǎn)軸線（平均回轉(zhuǎn)軸線）的漂移。因?yàn)樵谀ハ骷庸み^(guò)程中工件隨磨床主軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此工件表面的幾何形狀是由砂輪在坐標(biāo)系中的相對(duì)軌跡決定的。高 速 磨 削 時(shí) 磨 床 的“主 軸 單 元”動(dòng) 態(tài) 性 能好，回轉(zhuǎn)精度一般可以小于１μｍ，但高速狀態(tài)下所產(chǎn)生的慣性力卻很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磨削加工時(shí)作用在主軸承上的磨削力。因此高速磨床相比于傳統(tǒng)磨床要有更高的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度和更高的抗振性［２－３］。
（２）組成磨床的零件在其加工過(guò)程中會(huì)存在一定的加工誤差，同時(shí)在磨床的裝配過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定的裝配誤差，因此砂輪安裝在磨床上時(shí)會(huì)不可避免地導(dǎo)致砂輪架產(chǎn)生安裝誤差。這種位置偏差能夠直接影響磨削加工的精度，所以要分析砂輪中心高誤差和砂輪中心 Ｘ 軸坐標(biāo)誤差對(duì)加工誤差的影響［４－５］。
（３）工件導(dǎo)軌平行度誤差對(duì)凸輪軸和曲軸加工精度的影響因素主要包括兩方面：一個(gè)是水平面的直線度，它主要引起工件半徑方向上的誤差；另一個(gè)是垂直面直線度，當(dāng)磨削外圓時(shí)，工件沿砂輪切線方向產(chǎn)生位移，對(duì)加工工件造成水平面上的形狀誤差［６］。
（４）由于凸輪軸和曲軸為細(xì)長(zhǎng)類(lèi)零件，在 加 工 過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生彈性變形，這就需要采用中心支架對(duì)其進(jìn)行受力補(bǔ)償，均衡磨削加工過(guò)程中產(chǎn)生的磨削力的影響。但如果中心支架的定位不準(zhǔn)確，無(wú)法實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的目的，那么在加工過(guò)程中就不可避免地會(huì)引起加工誤差［７］。
２ 、加工過(guò)程中產(chǎn)生的誤差
工件加工過(guò)程產(chǎn)生的誤差主要有工件受加工過(guò)程中磨削力的作用產(chǎn)生變形而引起的誤差、砂輪的磨損以及磨床的振動(dòng)造成的誤差和檢測(cè)系統(tǒng)引起的誤差。
２．１ 磨削力引起的加工誤差
普通外圓磨削加工過(guò)程中，磨削力引起工件軸向的彎曲變形，該變形對(duì)于同一截面上的徑向影響恒定，且圓周方向的變形對(duì)外圓精度無(wú)影響。因此，實(shí)際加工過(guò)程中，只需要保證工件良好的剛性、較小的振動(dòng)，就能夠獲得 較 好 的 加 工 精 度。而 在 Ｘ－Ｃ 兩 軸 聯(lián)動(dòng) 非圓磨削加工過(guò)程中，非圓輪廓外表面上磨削點(diǎn)在法向磨削力Ｆｎ 和切向磨削力Ｆｔ 的作用下，其合力的作用
點(diǎn)和方向會(huì)隨著非圓輪廓轉(zhuǎn)角的變化而不斷變化。此外，非圓磨削力由于單位時(shí)間磨除金屬的變化，磨削力的大小也會(huì)變化，這點(diǎn)與普通外圓磨削也不相同［８－９］。
磨削加工過(guò)程中，磨削力影響零部件的加工精度、表面質(zhì)量以及工具的損耗和使用壽命。由于非圓曲面輪廓類(lèi)零部件形狀復(fù)雜，而且沿徑向方向及圓周各方向上的剛性均不相等，因此在非圓磨削加工過(guò)程中，由于磨削力的作用，將導(dǎo)致工件在非圓輪廓各方向上出現(xiàn)大小不一的彈性變形，甚至在一些磨削點(diǎn)處產(chǎn)生轉(zhuǎn)角誤差，對(duì)工件加工的廓形誤差產(chǎn)生較大影響［１０］。
２．２ 砂輪磨損引起的加工誤差
磨削工件時(shí)必然會(huì)造成砂輪的磨損，一般通過(guò)經(jīng)常修整或者更換砂輪來(lái)提高工件的表面加工質(zhì)量。因此在實(shí)際磨削加工過(guò)程中砂輪的實(shí)際加工半徑會(huì)隨著磨削時(shí)間的增加發(fā)生很大的變化。加工凸輪軸和曲軸類(lèi)非圓零件時(shí)，砂輪半徑的變化對(duì)凸輪軸的升程值和曲軸連桿頸直徑的磨削影響是由于磨削點(diǎn)不能始終在砂輪中心與凸輪軸和曲軸中心的連線上，并且砂輪半徑變化產(chǎn)生的影響比較復(fù)雜，必須對(duì)之進(jìn)行細(xì)致的分析研究［１１－１２］。按加工零件的形狀不同，砂輪半徑的變化對(duì)加工精度的影響可以分為兩類(lèi)：
（１）對(duì)于凸圓弧類(lèi) 零 件，由 于 實(shí) 際 加 工 過(guò) 程 中 砂輪理論加工半徑的變化會(huì)引起磨削點(diǎn)的偏移，導(dǎo)致升程角和升程值同時(shí)發(fā)生改變，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。
（２）對(duì)于凹圓弧類(lèi) 零 件，由 于 實(shí) 際 砂 輪 半 徑 比 理論小，實(shí)際磨削點(diǎn)與理論磨削點(diǎn)有偏差，實(shí)際測(cè)量出的某磨削點(diǎn)的升程也會(huì)產(chǎn)生誤差。由于凹圓弧類(lèi)零件的
頂圓和基圓部分的磨削過(guò)程跟普通外圓磨削類(lèi)似，其升程為零，因此砂輪半徑的變化對(duì)這兩個(gè)部分的磨削沒(méi)有影響。在過(guò)渡圓弧處，由于其曲率半徑和曲率中心同基圓部分相接近，因此實(shí)際加工過(guò)程中砂輪半徑的變化對(duì)其也不會(huì)產(chǎn)生影響。
２．３ 磨床振動(dòng)引起的加工誤差
由于數(shù)控磨削加工工藝的柔性和工序的多變，使其運(yùn)行狀態(tài)落入不穩(wěn)定區(qū)域的可能性增大，從而激起強(qiáng)烈的顫振，顫振在加工過(guò)程中會(huì)引起凸輪軸和曲軸廓形的表面質(zhì)量惡化和幾何形狀誤差。
２．４ 檢測(cè)系統(tǒng)引起的加工誤差
檢測(cè)系統(tǒng)一般安裝在磨床的工作臺(tái)上，其作用是準(zhǔn)確地測(cè)量角位移或直線位移并迅速地反饋給數(shù)控系統(tǒng)，以便隨時(shí)同數(shù)控加工程序中給定的指令進(jìn)行比較，如果數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)存在誤差，將向伺服系統(tǒng)發(fā)出修正后的新指令，從而使工件和砂輪按規(guī)定的加工軌跡和坐標(biāo)移動(dòng)。
檢測(cè)系統(tǒng)誤差包括以下兩個(gè)方面：①由于測(cè)量反饋設(shè)備的制造誤差及其測(cè)量傳感器在磨床上的安裝位置誤差引起的測(cè)量傳感器反饋系統(tǒng)本身的誤差；②由于磨床零件和機(jī)構(gòu)誤差以及在使用中由于摩擦熱和外界輻射熱引起的變形導(dǎo)致測(cè)量傳感器出現(xiàn)的誤差。
３ 、數(shù)控系統(tǒng)本身引起的誤差
數(shù)控系統(tǒng) 誤 差 主 要 分 為 采 用 插 補(bǔ) 算 法 引 入 的 誤差、控制電路誤差和伺服系統(tǒng)誤差。
（１）逼近插補(bǔ)等算法引入的誤差可分為３類(lèi)：逼近誤差、插補(bǔ)誤 差、圓 整 誤 差。近似計(jì)算逼近零件廓形曲線時(shí)產(chǎn)生的誤差叫做逼近誤差；插補(bǔ)誤差是在計(jì)算刀具運(yùn)行軌跡時(shí)，采用插值算法而引入的誤差；在程序運(yùn)行時(shí)，小數(shù)脈沖圓整成整數(shù)脈沖時(shí)產(chǎn)生的誤差叫做圓整誤差［１３－１４］。
（２）控制電路誤差由控制電路的直流信號(hào)零點(diǎn)漂移、放大器的線性誤差引起。
（３）伺服系統(tǒng)誤差是伺服系統(tǒng)在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)時(shí)由摩擦力引起的誤 差，主 要 包 括 Ｘ 軸 進(jìn) 給誤 差、Ｃ 軸 進(jìn) 給誤差。其中，Ｘ 軸進(jìn)給誤差是由于砂輪架在伺服控制下沒(méi)有進(jìn)給到理論位置，通常表現(xiàn)為 Ｘ 軸定位不準(zhǔn)所引起的誤差，直接影響輪廓磨削精度［１５－１６］。Ｃ 軸進(jìn)給誤差是Ｃ 軸轉(zhuǎn)角與理論位置存在誤差，在 控 制 時(shí)，轉(zhuǎn)
角誤差直接影響凸輪的磨削轉(zhuǎn)角精度，從而影響凸輪廓 形 磨 削 精 度，通常表現(xiàn)為磨削起始點(diǎn)的定位不準(zhǔn)確［１７］。
４ 、結(jié)語(yǔ)
總結(jié)了影響凸輪軸和曲軸非圓類(lèi)零件磨削精度的一些因素，針對(duì)非圓磨削過(guò)程中引起加工誤差的主要因素進(jìn)行探討，分析了這些因素對(duì)非圓類(lèi)工件加工誤差的影響程度及變化規(guī)律，為以后非圓類(lèi)零件的加工誤差補(bǔ)償提供理論依據(jù)。 |
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