如何降低超长轴类工件加工误差的探讨

【摘 要】通过分析控制超长轴类工件的内应力、拱度、位移滞留来减小派生误差；大多数派生误差是可控、可调的，只要在加工过程中配合合理的工艺系统，充分发挥自位补偿功能和形位补偿功能，就可以有效的减少或消除工件在机械加工过程中的派生误差，来达到工件加工精度的要求。

【关键词】超长轴；派生误差；自位补偿；形位补偿

0.前言

对于超长轴类工件来说，由于本身的特殊性，机械加工过程难以控制，并且伴随着工艺系统会产生派生误差，如何解决超长轴类工件的派生误差，本文针对超长轴类工件在整个加工过程中所产生的派生误差进行一些定性的分析。

1.毛坯内应力派生误差检验

一般对于轴类毛坯都是通过锻造等工艺手段来实现，在锻造过程中，毛坯需要经过高温锤击和反复加热，在高温锤击和反复加热过程中，原有物质结构遭到破坏，物质内部晶体结构需要进行重组，晶体与晶体之间会产生作用力与反作用力，在锻造结束后，毛坯内部产生了作用力内应力和瞬时温度内应力，并且晶体之间的相互作用达到了一个动态平衡，但在毛坯加工过程中，由于切削作用，破坏了原有机体，使毛坯已经处于平衡的内应力遭到破坏，毛坯在内应力作用下发生变形，这种变形将会造成加工工件的复映误差和定位误差，所以消除内应力是解决因内应力产生派生误差的最好办法。

消除内应力的方法是时效分析，一般有：自然时效、人工时效和振动时效，这三者可以相互穿插进行，即在高温锤击某阶段结束后，利用高频振动或高频低幅锤击使毛坯物质内的晶格发生变化，多次重复，以消除毛坯内应力，再经过回炉自然降温和长时间停放，使毛坯内的内应力随着温度的变化，通过热胀冷缩来消除毛坯的内应力。

毛坯进行了内应力消除，大大减小了机械加工过程中毛坯的派生误差，提高了工件的加工精度。

2.机械加工变形派生误差检验

工件的机械加工是在机床、刀具、夹具共同组成的工艺系统内完成的，工件的尺寸和形状分别是工件和刀具在机床和刀架上，通过对工件和刀具的约束，工件与刀具之间的相互作用来完成工件的机械加工。在超长轴类机械加工中，工件与刀具之间的相互作用，由于刀具相对于工件刚性较好，刀具变形影响较小，而工件在刀具的作用下，越靠近中部区域，变形要向着受力较小的方向发展，出现如图1所示的发展趋势，机械加工后会产生如图2所示的梭形形状，影响加工精度。

图1加工时的发展趋势图

图2加工后的工件图形

1.微调丝杠 2.弹簧 3.滚轴

图3中心架简图

对于重型卧式车床来说，机体配备了中心架，如图3所示，以此来限制工件在机械加工过程中产生的拱度变形。但是在超长粗大轴类毛坯制造过程中，由于采用锻造技术，使得毛坯截面的形状为不规则的多边形形状，毛坯在机床主轴的带动下旋转，其截面外沿相临两点的运动轨迹为同心不同直径的圆，如何使中心架与毛坯始终保证接触，解决间隙接触而产生的接触误差，面对这一问题，中心架采用浮动自位功能来保证中心架与毛坯的瞬时接触，基本原理如下，如图3所示。

为了保证中心架与毛坯接触时，防止中心架对毛坯产生划伤而带来加工表面误差，中心架利用滚动原理，如图3所示，滚轴（件号3）采用旋转的铰链约束，在毛坯旋转时保证与毛坯具有相同的角速度w旋转，避免了因滚轴在毛坯上的位置滞留而带来的表面划伤，并且弹簧（件号2）的浮动自位功能保证了滚轴与毛坯的瞬时接触。但是由于弹簧同产品制造工艺的差异，弹簧强度不一，毛坯与滚轴接触受力不均匀，而使毛坯沿某一方向产生偏移误差，避免因弹簧强度差异而产生的偏移误差，采用微调丝杠（件号1）压缩弹簧，来调节毛坯受力较小的一侧达到中心架的自位补偿功能，来约束工件的拱度变形，提高工件的加工精度。

在细长轴的机械加工过程中，轴体在切削力的作用下，塑性变形较强，既使存在中心架的自位补偿功能，但是在中心架相隔之间也会产生塑性变形误差，由于其变形的主要原因是切削力的存在，因此避免塑性变形误差最有效的办法是消除切削力的作用，存在机械加工，切削力就不可避免，切削力得不到消除，那只有采用反作用力来限制切削力的作用，从而使用跟踪刀架来抵消切削力的作用，并且使跟踪刀架与刀架利用丝杠进行联动，使二者同时进退而达到形位补偿，如图4所示，以此抵消工件受切削力而产生的偏移误差。

1.跟踪刀架 2.工件 3.刀架 4.丝杠螺母 5.丝杠

图4跟踪刀架形位补偿功能图

通过中心架和跟踪刀架的自位补偿功能和形位补偿功能，使工件的受力变形得到有效缓解，从而消除工件因切削变形而带来的派生误差。

3.系统派生误差检验

1.工件2.丝杠螺母3.车床丝杠4.指针5.校正尺

图5滚珠丝杠加工过程消除误差的基本原理图

在工艺系统中由于一些误差是机床本身所具有的，不可避免，属于原始误差，对于原始误差一般采用误差补偿法，来抵消系统误差而达到加工精度要求。例如在高精密丝杠加工中，机床传动链误差将直接反映到工件的螺距上，使精密丝杠加工精度受到一定的影响。为了满足精密丝杠加工要求，采用螺纹加工校正装置以消除传动链造成的误差，如图5所示。在加工工件（件号1）时，刀具跟随丝杠螺母（件号2）受车床丝杠（件号3）的作用行走，车床丝杠实际行走位移通过指针（件号4）映射到校正尺（件号5）上，可以得到刀具的理论行走位移和实际行走位移，计算两者行走位移差。对刀具行走位移进行补偿，或者直接在校正尺与丝杠螺母之间设置一个校正装置，对刀具的行走起到动态的补偿功能。这样就可以消除因丝杠螺母与车床丝杠之间的传动链误差，提高工件的加工精度。

4.结语

超长轴类工件在加工过程中，加工精度除了受前面陈述的毛坯自身误差、加工介质误差和加工工艺误差影响以外，受影响因素很多，如：机床磨损误差、热变形误差、动力振动误差等等。有些可以通过工艺拓展提高加工精度，还有些可以通过改变加工介质提高加工精度，但对于固有的不可消除的误差，则需要设置特定机构来补偿加工误差，也就是说大多数派生误差是可控、可调的。只要在加工过程中配合合理的工艺系统，充分发挥自位补偿功能和形位补偿功能，就可以有效的减少或消除工件在机械加工过程中的派生误差，来达到工件加工精度的要求。

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