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数控刨台式铣镗床调头镗孔的研究 |
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作者：沈阳工业大学机械工程学院 刘裕先 |
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1 刨台式铣镗床的结构特点
以箱体零件同轴孔系为代表的长孔镗削，是金属切削加工中最重要的内容之一。尽管现在仍有采用镗模、导套、台式铣镗床后立柱支承长镗杆或人工找正工件回转180°等方法实施长孔镗削的实例，但近些年来，一方面由于数控铣镗床和加工中心大量使用，使各类卧式铣镗床的坐标定位精度和工作台回转分度精度有了较大提高，长孔镗削逐渐被高效的工作台回转180°自定位的调头镗孔(图1)所取代；另一方面， 形床身布局之普通或数控刨台式铣镗床的大量生产和应用，从机床结构上使工作台回转180°自定位的调头镗孔，几乎成为在该种机床上镗削长孔的唯一方法。
图1 工作台转180°自定位的调头镗孔
刨台式铣镗床与台式铣镗床在刀具系统方面，从功能到其运动的机构并无两样，两者的区别主要在形成各类工件廓形的x、y、z、W和B五个坐标进给运动中的x与W两个坐标运动的结构布局上。刨台式铣镗床在 形的横床身部分所布局的两层结构(横床身—滑座—回转工作台)工作台，与台式铣镗床的三层结构工作台分别完成x(横)向、W(纵)向和B(台转)向三个坐标运动不同，只完成x向和B向两个坐标运动，W向坐标运动由载有主轴箱的立柱沿 形的纵床身部分移动实现。其坐标系的构成如图2所示。显然，在刨台式铣镗床上镗孔时，刀具相对工件的运动(含主运动和进给运动)执行件皆为刀具，工件是固定不动的。其中完成镗刀进给的运动，可以在立柱固定于纵向床身上一个确定位置时，由沿z轴直移的镗轴实现，也可以在镗轴具有一个确定伸长值之后，由沿W轴直移的立柱实现。
图2 刨台式铣镗床的坐标系
2 立柱送进调头镗孔的同轴度误差及其补偿
1) 立柱送进调头镗孔的同轴度误差△3
影响刨台式铣镗床调头镗孔同轴度的主要因素与台式铣镗床一样，也是工作台回转180°调头的分度误差da和为使调头前已镗成的半个长孔d1轴线，在调头后再次与镗轴轴线重合而镗削长孔之另一半孔d2，所需工作台横(x)向移动Lx=2lx(图1)的定位误差dx2。而且工作台回转180°前后，台面在xy坐标平面内产生的倾角误差df，在yz平面内产生的倾角误差dy及在y向产生的平移误差dy，也同样是刨台式铣镗床调头镗孔同轴度的重要影响因素。但镗轴轴线空间位置对调头镗孔同轴度的影响，通常用立柱送进完成孔全长镗削的刨台式铣镗床，与通常用工作台纵移送进的台式铣镗床有明显的不同。
如果仿照台式铣镗床上的台心纵(或横)移线定义为，工作台轴线上与被镗孔轴线等高的点，在工作台纵(或横)移时的运动轨迹，而把刨台式铣镗床上与被镗孔轴线等高的镗轴轴线上镗刀刀尖的回转中心点O1，在立柱沿W坐标直移时的运动轨迹，定义为立柱纵移线，则立柱送进镗孔的刨台式铣镗床，不管被镗孔名义轴线与立柱纵移线是平行还是相交(两者重合的情形是极少的)，装于镗轴刀杆上之镗刀头的送进轨迹，即镗刀实际所镗成孔的轴线，在不计立柱直移直线度误差及镗杆送进引起的悬垂误差的条件下，都应平行于W坐标轴线。因此，这种送进形式的调头镗孔，调头前后所镗各半个孔d1与d2本身无轴线的直线度误差，全孔长是否同轴的关键，就看d1与d2孔的两条轴线是否重合为一条直线。而d1与d2两孔轴线是否重合，主要决定于镗刀刀尖的回转中心O1是否刚好在被镗孔的名义轴线之上。
a. 若刀尖的回转中心点O1，刚好位于被镗孔的名义轴线之上，表明立柱纵移线与被镗孔名义轴线重合。这时，调头前后镗削d1与d2孔的两次起镗点都在孔名义轴线之上，送进路程又是立柱沿W轴线的同一段，故d1与d2两孔轴线重合为一条直线，无同轴度误差。
b. 若刀尖的回转中心点O1未在孔轴线上，而沿y坐标方向偏离一个线值误差δy3，则虽然调头前后分别镗削d1与d2两段孔时，两次的起镗点都不在被镗孔名义轴线之上，但因这两个起镗点仍为同一点，且两次的送进路程也为在y向上等高的同一段，故d1与d2两孔的轴线仍重合为同一条直线，亦无同轴度误差。
c. 当刀尖的回转中心O1未在孔轴线上，而沿x坐标方向偏离一个线值误差δx3时，其调头镗孔的情况，如图3所示。可以看到，调头前后所镗成长孔之两部分d1与d2孔的两条轴线，分别列在被镗孔名义轴线两侧，每一条同孔轴线的距离都为δx3，从而造成所镗长孔的同轴度误差△3。根据同轴度的概念有
D3=4dx3=4ltgdb′
式中 δβ′——被镗孔名义轴线与立柱纵移线相交的交角误差
l——刀尖回转中心点至上述两线交点之距离
如果立柱纵移线同被镗孔名义轴线不是相交，而是平行，且间距也为δx3时，则与图示之两线相交成交角误差δβ′的效果一样。
2) △3补偿值△x3的确定
此项同轴度误差是定值误差，可在镗完d1孔工作台回转180°并横移Lx=2lx后，据已确定的补偿值△x3及其方向，再横移工作台这个△x3值即可消除这项同轴度误差。由图3可以看出
Dx3=2dx3
如果被镗孔名义轴线恰好处在过工作台轴线的yW坐标平面(纵垂面)之内，则调头镗孔在调头后可不必再横移2lx路程，这样就既可消除△3这项同轴度误差，还能消除横移2lx的定位误差δx2对调头镗孔同轴度影响。
1.镗d1孔时的台位 2.镗d2孔时的台位 3.被镗孔的名义轴线 4.立柱纵移线
图3 刨台式铣镗床立柱送进镗孔
由此，可得出在满足工件已夹固于工作台上合理位置的前提下，刨台式铣镗床工作台在其横床身上的最佳夹固位置，是把工作台回转中心点置于被镗孔名义轴线与立柱纵移线的交点处。当被镗孔名义轴线因被加工零件结构的原因不能刚好过工作台回转中心时，工作台在横床身上的合理位置，应是把工作台横移到使镗刀刀尖的回转中心点O1，刚好位于工件被镗孔的名义轴线之上。
3 镗轴送进时立柱纵向位置的合理确定
1) 立柱纵向最佳位置的确定
当遇到特定情况，刨台式铣镗床必须把立柱固定在纵向床身上的一个合适位置，而用镗轴带着刀具伸出作为镗孔的送进形式时，镗轴轴线与被镗孔名义轴线在xz平面内的交角误差db，在yz平面内的交角误差dg，与台式铣镗床一样，对调头镗孔的同轴度都有重要的影响，并且随着镗轴送进长度的增加，镗轴自重引起之镗杆下挠变形，也对调头镗孔的同轴度产生较大影响。与台式铣镗床所不同的是，刨台式铣镗床的镗轴伸出镗孔时，可纵向移动的立柱必须固置在纵床身上一个确定的位置，并且重要的是这个确定位置可以且应该被选择。
按设计规定，镗轴沿z向的移动路程应平行于立柱沿W轴的移动路程；镗孔时被镗孔的名义轴线应安放在与W(z)轴平行的位置。镗孔前工作台已沿x坐标移动到使被镗孔名义轴线对准镗轴，并固定夹紧，镗轴已缩回到零位，装夹镗刀的刀杆插入镗轴内锥孔中(图4)。当被镗孔名义轴线与镗轴轴线在xz平面内有交角误差db存在时，由于两线交点O随着立柱在床身纵导轨上的纵移也同时沿立柱纵移线移动，使图4中l′的数值相应变化，而两线交角db保持不变，故不论立柱移到哪一个位置固定，由db而导致的调头镗孔同轴度误差D4的计算公式，都可表示为
D4=2dx4=4(lW+l′)tgdb
式中 δx4——角误差δβ引起的调头镗孔后d1对d2孔轴线的x向线值误差
lW——被镗孔前端面到工作台回转中心之距
l′——孔端起镗点M到两线交点O之距。l′值可正可负，当O点位于M点内侧时，l′值为负，位于外侧(图示位置)时，l′为正
显然，D4可以在镗削d2孔前，通过x向微移工作台，得到补偿。其补偿值为
Dx4=dx4=2(lW+l′)tgdb
式(3)表明，在db存在的情况下，消除D4的充要条件是lW+l′=0。从图4中可以看出，在工件被镗长孔已处于合理位置(台心横移线平分孔全长)的前提下，欲满足等式lW+l′=0成立，只能是镗轴轴线与被镗孔轴线的交点O，刚好位于工作台回转中心横移线上。由于上述两线交点O随着立柱纵移而沿立柱纵移动，所以条件式lW+l′=0总是能成立的。这就是说，刨台式铣镗床镗轴送进镗孔时，为使D4最小，立柱在纵床身上夹固的最佳位置，应是使镗轴轴线与孔名义轴线的交点O，刚好位于工作台的回转中心横移线上。
图4 镗轴送进镗孔
2) 角误差δβ和交点O的测定
由上述知，获取立柱最佳夹固位置及准确补偿的前提，是已知δβ与交点O在镗轴轴线上的位置，这可用实测求出，测法如下。
将工作台置于横向中间位置，台面上横向放一平尺，在平尺偏工作台回转中心的某一侧上部放一量块(图5)。立柱停在一个经试测合适的位置，千分表固置于镗轴上，表头抵在量块内侧面K上，取千分表读数A1，镗轴与工作台各转180°(设均无分度误差)，使表头仍抵在原侧面K上取读数B1，以镗轴轴线作为基准线(O1～O1)，由此确定立柱纵移线上的一点Q1。Q1到镗轴轴线的距离为lQ1=(A1-B1)/2。一定要注意表示立柱纵移线上Q1点位于镗轴轴线哪一侧之lQ1的正负号。
图5 测交点O及δβ
纵移立柱LW2路程，镗轴也相应前伸或后退LW2，重复前面的测量得到lQ2=(A2-B2)/2，从而确定Q2点。连接Q1与Q2，便得到表示立柱纵移线的直线Q1Q2，作图如图5b，从而可直接量得镗轴轴线与立柱纵移线的交角db及其交点O到主轴箱前端面的路程值。
若测得A1=B1，则lQ1=0，表明这个立柱纵移线上的点位于主轴轴线上；若又测得A2=B2，表明上述两线重合；若算得lQ1=lQ2，则上述两线平行，若lQ1≠lQ2，则两线相交，交角db也可用下式算出
tgdb=(lQ2-lQ1)/lW2
式中LW2值，可通过记录W坐标指示值获取。
3) 交点O在镗轴轴线上位置的调整
通过实测所求得镗轴轴线与立柱纵移线(即被镗孔名义轴线)交点O的位置，对镗轴送进镗孔来说，可能根本实现不了lW+l′=0的条件。例如，交点O若交在镗轴前轴承后面的轴线部分，则立柱即使前移到纵向的前面极限位置，也不可能使交点O刚好位于工作台回转中心横移线上这一合理位置。由此可知，要使立柱纵向的合理位置能够实现而不落空，还必须确保交点O要具体地交到镗轴前轴承的工件一侧，且求出保证lW+l′=0的交点O的具体位置。当刀杆确定之后，刀尖回转中心至前轴承的路程可知，则交点O的合理位置的具体值不难求得。
由于db的大小和交点O具体在镗轴轴线上的位置，是由主轴箱安装在立柱上以及立柱固装于滑座上时，它们的相对位置精度决定的，故求得交点O应在镗轴轴线上的合适位置之后，需通过调整主轴箱在立柱垂直导轨上的装配位置或调整立柱相对其滑座的位置(使立柱绕y轴在滑座上微转一个角值)，达到满足交点O具有合适位置的要求。
刨台式铣镗床上刀具位置的合理确定
在刨台式铣镗床上采用立柱送进调头镗孔时，装夹在镗轴之刀杆上的镗刀，其沿Z向的合理位置，一方面要满足刀尖回转中心至主轴箱前端面的距离稍大于孔全长的一半(再小将不能把长孔镗通，过大则镗轴刚度下降)；另一方面还要满足把刀具刀尖的回转中心，置于镗轴轴线与立柱纵移线的交点O上。 (end)
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(2/7/2007) |
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