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影响车铣复合机床加工精度的因素分析

来源：呼伦贝尔新闻作者：不详日期：2016/9/2 访问：

    机床复合化足数控机床从单一功能向多功能方向发展的最新趋势。车铣复合、车磨复合、铣磨复合等复合加丁机床随着零件加工要求的变化而相继出现。这类机床的出现，改变了传统数控机床的布局和结构，能够实现一机多用，工件一次装夹就可以完成全部或大部分工序的加工，从而减少了工件装夹次数，提高了机床加工效率，减少机床使用台数，节约能源。
    车铣复合加工机床是复合加工机床中发展最快、使用最广泛的数控设备。对高速精密车铣复合数控机床来说，其主轴系统是电主轴结构，机床的加工精度很大程度上取决于机床的电主轴系统的精度，并受刀架位置精度和机床整机动态性能的影响。因此在车铣复合机床制造与装配过程中如何提高电主轴系统的精度、提高刀架的位置精度、改善机床的整机动态性能是机床设计的关键。本文从以下几方面来分析影响车铣复合机床加工精度的因素，并提出相应的解决方法。
    1 电主轴系统的精度
    1.1 电主轴系统的分度精度和准停精度
    车铣复合加工机床电主轴系统的分度精度和准停精度是考核机床主轴精度的一个重要指标，是影响机床加工精度的重要因素。为了实现电主轴系统高的分度精度和准停精度，国际上数控车铣复合加工中心均采用内藏主轴式电机(简称电主轴)，主轴与电机转子装配成一体，减少中间传动环节对主轴精度的影响。工作时，电机转子回转即带动主轴回转。主轴回转的速度环和位置环采用高精度的反馈元件，实现全闭环控制，反馈元件采集到的位置信号经数控系统分频处理，使主轴分度的分辨率达到0.001°(主轴最小分度单位为3.6”)或更小，从而使机床主轴系统具有很高的分度精度和准停精度。
    为实现上述目的，采取如下解决方法：
    a．电机转子与机床主轴采取特殊的装配工艺，保证机床主轴与电机转子内孔的连接刚度，能传递大的切削扭矩。
    b．电主轴组装配时采用较高等级的高速动平衡，降低主轴组的剩余不平衡量，保证主轴在高速回转时的平稳性。
    c．电主轴系统采用主轴制动和阻尼装置，在需要主轴准停铣削或钻削时，主轴处制动状态，以保证铣削时主轴不晃动。在连续分度铣削时，主轴处于阻尼状态，以保证铣削时主轴回转的平稳性。制动状态和阻尼状态可以自动切换，由编程设定。通过以上措施，电主轴系统主轴的分度定位精度≤24”，主轴分度的重复定位精度≤12”。
    1.2 电主轴系统的回转精度
    数控车铣复合加工中心为高精度加工机床，主轴组是关键部件，主轴组的回转精度直接影响加工工件的精度。
    为保证主轴组具有高的回转精度，在电主轴系统中，主轴与电机转子的连接、定子外套与主轴箱体的配合、主轴两端与轴承组的配合等采取了以下一系列的工艺措施：
    a．在电主轴装配前先保证主轴箱体孔的精度，孔的圆度、尺寸公差、前后轴承孔的同轴度都在要求的范围内；主轴轴颈的径向跳动、前后轴颈的同轴度以及主轴端部的径向跳动和端面跳动公差均控制在0.002mm之内。
    b．装配时根据轴承外圈的尺寸，研磨主轴箱体孔，并使其与轴承外圆的配合公差严格控制在规定的范围；电主轴的电机转子与主轴采取特殊的装配技术等。
    采取以上措施后，电主轴系统的回转精度得到了保证，主轴的径向跳动和端面跳动都在0.002mm之内，为保证工件的加工精度奠定了基础。电主轴系统的热平衡
    1.3 电主轴系统的热平衡
    电主轴系统中电机是个发热体，高速回转的前后轴承也是发热体，这会使电主轴的温度上升，影响电主轴系统的加工精度。如何消除热源对机床主轴精度的影响，实现电主轴系统的热平衡是车铣复合加工机床设计和制造过程中要解决的关键问题。为此采取以下几项措施：
    a．主轴箱体采取热对称设计，箱体外的散热筋两边对称分布，让主轴箱产生的热量尽快通过散热筋散发掉，同时由于散热筋是对称分布的，主轴发热时主轴轴线不会产生偏移。
    b．对主轴轴承的预加载荷和润滑条件按设计要求予以控制，既保证主轴的刚度，又保证主轴在高速回转时轴承发热量最小。
    c．对电机这个主要发热源采用外循环冷却措施。在电主轴的定子外套外面装有循环冷却水套，冷却水由独立的温控装置进行控制，温度控制在22±1℃，电机产生的热量通过定子外面的冷却水套的循环冷却水迅速带走。
    通过以上技术措施，保证了主轴在高速回转时前轴承温升不超过25℃，后轴承温升不超过20℃，实现了电主轴系统的热平衡。
    2 车铣复合加工机床动态性能
    a．机床电主轴系统的动态性能。机床加工精度不仅受到前面各项因素的影响，还要受到电主轴一轴承系统的动态特性的影响，而机床的振动就取决电主轴一轴承系统的动态特性。由于电主轴一轴承系统是一个复杂的振动系统，其动态特性不仅与系统的阻尼和静刚度有关，还与由系统结构
    所决定的振型有关。因此在进行机床设计时，要进行动力学分析，计算出主轴箱体的一阶、二阶固有频率，使其一阶固有频率要避开主轴的最低转速，二阶固有频率要避开电主轴的最高转速，以避免电主轴系统产生共振，消除由于振动造成的对机床加工精度的影响。
    b．机床床身整体刚度对车铣复合加工机床的加工精度影响很大，在机床设计时还要对机床的床，身进行有限元分析，优化机床床身结构，提高机床的床身刚度，改善机床的整机动态性能，避免机床局部刚度不足引起机床结构的变形，造成对机床加工精度的影响。
    3 刀架分度定位精度及位置精度
    车铣复合加工中心刀架的每个工位既可安装车削刀具，又可安装径向和轴向动力刀具，并根据被加工工件的需要配置刀具的种类和数量。电动刀架的位置精度是影响车铣复合机床加工精度的重要因素，在机床设计和制造过程中要加以重视。为提高刀架的分度定位精度和位置精度，可采取如下解决方法：
    a．刀架分度定位一致性的高低，对加工工件的尺寸一致性影响很大。为此选择高分度精度的电动刀架，并对刀架采用专门的装配工艺，保证刀架分度定位精度≤0.005mm。
    b．实现刀架X纪向伺服运动的X／Z轴的位置精度也是_项重要的精度指标，该项精度与加工工件的尺寸分散度及一致性直接有关。这是一项综合精度，涉及到滚珠丝杠和轴承的精度、刀架拖板的伺服灵敏度、拖板的伺服惯量与负载惯量的匹配等多方面。在设计时，选择高精度的滚珠幺幺杠和轴承配套件，进行合理的伺服惯量与负载惯量匹配；在装配时对轴承进行负荷预紧并对滚珠丝杠进行预拉伸，消除由于热变形对轴承和滚珠丝杠精度的影响，以保证刀架具有良好的伺服灵敏度以及刀架在X／Z向高的定位精度和重复定位精度。
    4 结束语
    通过以上分析可知，在车铣复合加工机床的制造与装配过程中，只要合理地解决电主轴系统的精度、车铣复合加工机床动态性能、电动刀架的分度定位精度及位置精度等问题，就可以使车铣复合加工机床具有较高的加工精度和精度保持性。

关键词：车铣复合机床加工精度数控机床

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