插齒機插削加工熱穩(wěn)定性研究羅天元 羅成 盧宇 陳曉莉摘 要：為了提高插齒機插削時零件尺寸的穩(wěn)定性，通過對插齒機加工跟蹤研究，結(jié)合實際生產(chǎn)的需要，初步建立了一個誤差補償模型，針對不同環(huán)境、不同工況填入相應(yīng)的補償系數(shù)即可保證加工尺寸的穩(wěn)定性。最后，通過某公司老式的高精度小模數(shù)數(shù)控插齒機為實例，對其進行了熱穩(wěn)定性測量，證明了該方法容易實施，有效可行，保證了工件尺寸的一致性穩(wěn)定性，提高了插齒機的工序能力指數(shù)，滿足了批量生產(chǎn)加工需求。同時，該方法對插齒機的設(shè)計制造具有重要的實踐意義。關(guān)鍵詞：插齒機；熱穩(wěn)定性；熱補償中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/ki.1672-3198.2018.24.092目前插齒機仍然廣泛應(yīng)用于加工小孔內(nèi)齒輪以及臺階齒輪，其加工通用性強，精度較高。但由于小孔內(nèi)齒輪因其本身模數(shù)小，分度圓小，齒輪跨棒距要求在00.03mm以內(nèi)，尺寸要求比較嚴格，基于用戶現(xiàn)場條件的限制，隨著環(huán)境溫度的不同以及切削工況不一樣，機床的熱機時間各異，有時甚至為了保證機床熱機到一個穩(wěn)定的狀態(tài)需要非常長的時間。所以，從冷機到熱機的一段時間內(nèi)，工件的加工尺寸一直在變化，導(dǎo)致部分零件報廢，影響了零件產(chǎn)出。在加工過程中也需要時刻檢測零件尺寸，反復(fù)修改機床進刀參數(shù)，直到尺寸合格為止，增加了工人的勞動強度。長時間的熱機程序也導(dǎo)致了機床以及能源的消耗，增加成本。研究插齒機熱穩(wěn)定性對指導(dǎo)生產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)實意義。1 插齒機熱變形產(chǎn)生的原因插齒機加工時是通過刀具的上下切削運動實現(xiàn)刀具對工件的切削，如圖1所示，插齒刀每次空行程退刀時為避免刀具和齒輪已加工表面進行摩擦，刀具有遠離工件的讓刀運動，刀具的進給是通過進給運動帶動整個刀具部件進給實現(xiàn)的。從圖中可以分析出，刀具與工作的相對位置與讓刀運動準確性有關(guān)，與進給運動的準確性有關(guān)，同時，工件與進給運動都在一個基體上實現(xiàn)，所以工件和刀具的相對位置與基體的穩(wěn)定性有關(guān)。2 插齒機誤差補償分析模型2.1 讓刀機構(gòu)熱變形量插齒機的讓刀運動普遍采用凸輪滾子進行讓刀，彈簧進行復(fù)位的方式。如圖2所示，由于插齒機切削方式為斷續(xù)切削，切削受力變化比較大，為了保證準確的讓刀運動，凸輪與滾子必需保持嚴格接觸，因此，彈簧具有很高的彈簧剛度，從而導(dǎo)致凸輪和滾子受力較大，長時間的運行凸輪和滾子摩擦發(fā)熱產(chǎn)生熱膨脹，使刀具的軌跡發(fā)生變化，影響到零件加工尺寸。則讓刀機構(gòu)熱變形量為：2.2 基座熱變形量插齒機的基座即支撐工件又支撐整個刀具移動部件，如圖2所示，理論設(shè)計上刀具和工件的相對位置是由進給系統(tǒng)直接決定的，但是由于基座需收集切削并排除切削，切削時會產(chǎn)生大量的切削熱，同時基座還承受著切削力，長時間的運行將使部分熱量傳遞到了基座上，使基座生產(chǎn)熱變形，改變了工件與刀具的相對位置，影響到零件加工尺寸。則基座熱變形量為：2.3 插齒機誤差求解插齒機理論位移量S與機床的進給量X是一致的，但是受熱變形影響，S修正如下：通過在數(shù)控系統(tǒng)里植入一個關(guān)于K的補償系數(shù)，K設(shè)定為插齒機從冷機狀態(tài)到熱穩(wěn)定狀態(tài)的時間。2.4 變形量值的確定由于機床所處的加工外部環(huán)境不同，零件以及對應(yīng)不同的加工參數(shù)導(dǎo)致補償系數(shù)K設(shè)定不一樣。因此，很難在機床里預(yù)先設(shè)定K值，需要通過現(xiàn)場測量機床達到熱穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間來設(shè)定K值。由于機床結(jié)構(gòu)部件比較多，傳動復(fù)雜，機床的整體熱變形量很難直接就表達出來，需根據(jù)機床的初始狀態(tài)與熱穩(wěn)定狀態(tài)的變化來確定變形量1、2。如圖3所示，在機床中固定兩個千分表，表一的表座吸在導(dǎo)軌上，用千分表檢測進給值與理論值的誤差X，表三的表座吸在刀頭固定部分，用千分表檢測刀具穩(wěn)定運行后的變形量1。通過表二測量加工齒輪的跨棒距M值，可以很快得出基座的變形量2。如果條件可以，1、2值可通過激光干涉儀直接測距得出。3 實驗對比研究以某公司生產(chǎn)的老式高精度小模數(shù)數(shù)控插齒機為實驗臺，通過激光干涉儀測得參數(shù)如表1、表2所示。機床在加工過程中隨著加工不斷進行，機床的熱變形比較明顯，按計算一般齒輪跨棒距變化是機床熱變形量的1.52倍，從表中可以看出，機床從開機到熱穩(wěn)定這一段時間內(nèi)齒輪的跨棒距變化達到了0.07mm，遠遠超出了齒輪允許的變動范圍。根據(jù)測得的變形量，將1、2值入到系統(tǒng)誤差補償中，設(shè)定誤差補償系數(shù)K值為40，然后對機床進行重新驗證。在機床的工況條件以及加工參數(shù)不變的情況下，機床從冷機狀態(tài)開始加工零件，連續(xù)加工到50分鐘為止，測量齒輪的尺寸變動誤差即跨棒距M如表3（零件跨棒距要求M=54.163（00.03）。從表中可以看出，將插齒機進行誤差補償后，零件的加工尺寸穩(wěn)定性得到了很好的補償控制，尺寸都在齒輪允許的范圍內(nèi)，滿足了生產(chǎn)的需求。防止因機床熱變形的影響導(dǎo)致零件報廢，同時也避免出現(xiàn)在開始加工過程中人為不斷測量零件尺寸，減輕勞動強度。4 結(jié)語針對傳統(tǒng)機床在冷、熱機狀態(tài)下零件加工尺寸不一致性問題，提出了一種熱變形補償模型，通過對機床負載運行下熱變形量的測量以及從初始狀態(tài)到熱穩(wěn)定狀態(tài)的時間的確定，快速確定了機床系統(tǒng)的補償系數(shù)，避免了機床各部件以及結(jié)構(gòu)熱變形的復(fù)雜計算分析，簡單有效的實現(xiàn)了機床熱誤差補償，保證了機床任意時刻尺寸的穩(wěn)定和一致性。參考文獻1閆占輝，于駿一.機床熱變形的研究現(xiàn)狀J.吉林業(yè)大學自然科學學報，2001，31（3）：95-97.2王金生，鄭雪梅，汪超.減少機床熱變形方法的研究J.機床與液壓，2006，（2）：88-90.3鄒濟林.機床熱變形的控制與防止J.機床與液壓，2001，（5）：99-101.4杜玉玲，文西芹，劉成文.機床主軸溫度場的數(shù)字化檢測J.新技術(shù)新工藝，2004，（7）：6-8.5日伊東誼.現(xiàn)代機床基礎(chǔ)技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，1987.6陳朵耀.熱力及傳熱學M.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1992：261-268.