近來 S750 數(shù)控滾齒機(jī)加工出的大模數(shù)蝸輪表面振紋較為明顯。介紹了在實(shí)際操作中，針對此蝸輪裝夾切削的方式、刀具精度和主軸鎖緊力等方面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析與驗(yàn)證的一系列方法，經(jīng)過分析，結(jié)果表明此蝸輪加工精度受主軸鎖緊力的影響較大，進(jìn)而研究以上數(shù)據(jù)找出了影響蝸輪精度的關(guān)鍵因素，并進(jìn)行了后續(xù)的切削驗(yàn)證，最終使得滾齒機(jī)加工大模數(shù)蝸輪達(dá)到其精度要求，滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需要。本研究為蝸輪加工精度的可靠性分析提供了分析方法，并且為后期的深入研究提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　1 引言

　　S750 高精密數(shù)控滾齒機(jī)在高速切削加工零件時(shí)由于毛坯與刀具、刀具與機(jī)床主軸之間復(fù)雜的作用力與反作用力，滾齒機(jī)在工作時(shí)會(huì)不可避免的產(chǎn)生一些振動(dòng)，起初可以通過調(diào)試、裝夾等方面達(dá)到所需的切削要求，但隨著使用年限的增長，這種振動(dòng)的頻率和幅值都會(huì)逐漸增長，同時(shí)零件的相互配合關(guān)系也會(huì)出現(xiàn)變化，高精密數(shù)控滾齒機(jī)在高速切削過程中的振動(dòng)情況越來越明顯，導(dǎo)致加工出的蝸輪精度較差。加工出來的零件精度是衡量機(jī)床加工精度的重要因素。通過對機(jī)床加工零件的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)蝸輪的精度受機(jī)床的裝夾、刀具、主軸鎖緊力等方面的影響較大。其中任何一個(gè)方面出現(xiàn)問題都會(huì)對零件造成加工精度的變化，從而導(dǎo)致蝸輪齒廓表面粗糙度增加，零件質(zhì)量急劇下降，最終影響工廠的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益。因此從上述幾個(gè)因素分析研究蝸輪表面的振紋。

　　2 蝸輪裝夾方式分析

　　裝夾作為一個(gè)零件加工的基準(zhǔn)，首先要保證其可靠性與準(zhǔn)確性，故需要對相關(guān)夾具的精度進(jìn)行逐一檢測。

　　2.1 安裝基準(zhǔn)面精度檢查

　　用千分表檢查零件安裝基座 a 點(diǎn)和 b 點(diǎn)的跳動(dòng)情況，并調(diào)整裝夾基面使其跳動(dòng)<0.01mm;檢查蝸輪中心定位基準(zhǔn) c 徑向跳動(dòng)<0.01mm;并同時(shí)檢查其軸線相對于基準(zhǔn) A 的垂直度，垂直度誤差不大于 0.01mm，如圖 1 中 a 點(diǎn)所示。

　　2.2 被加工零件精度檢查

　　檢查銅蝸輪上下表面的平行度，保證兩平面的平行度誤差不大于 0.005mm，由于此蝸輪與 A 基準(zhǔn)面接觸，接觸情況不良會(huì)直接影響其裝夾剛度，如圖 2 所示。故為保證精度采用人工刮研蝸輪的方式使其上下平面達(dá)到 12 點(diǎn)(每(25×25)mm2 內(nèi)接觸的點(diǎn)數(shù)為 12)，粗糙度為 1.6μm，以提高蝸輪加工的整體剛度。

　　2.3 蝸輪裝配到夾具上的精度檢查

　　將蝸輪裝配到夾具上，在蝸輪上方用壓板及螺母將蝸輪固定，再用千分表檢測蝸輪端面 d 點(diǎn)的跳動(dòng)情況，確保跳動(dòng)誤差不大于 0.01mm，如圖 3 所示。經(jīng)過以上蝸輪裝夾方式的分析及現(xiàn)場加工，發(fā)現(xiàn)大模數(shù)蝸輪還存在振紋。通過此項(xiàng)分析可以排除裝夾方式對加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)和蝸輪輪齒表面振紋的影響。

　　3 蝸輪刀具精度分析

　　各種機(jī)床主軸上的公制錐孔、莫氏錐孔及其它錐孔，都是用來傳遞扭轉(zhuǎn)力矩和將正確的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給切削刀具的。其回轉(zhuǎn)軸線及錐孔的精度情況，影響著主軸的旋轉(zhuǎn)情況(振動(dòng)情況)，對機(jī)床的幾何精度、加工精度、工作精度有著至關(guān)重要的作用。

　　3.1 機(jī)床主軸錐孔錐度檢查

　　經(jīng)過長時(shí)間的加工及磨損，機(jī)床主軸錐孔內(nèi)表面可能會(huì)產(chǎn)生一定的磨損。查 S750 數(shù)控滾齒機(jī)的主軸錐孔的錐度參數(shù)(查得錐度為 7：24)，用標(biāo)準(zhǔn)規(guī) G7-TH 6363-32 A031 紅丹粉(一氧化鉛再度氧化制成，俗稱鉛丹。應(yīng)用于鑄鋼件及部分有色金屬的刮削， 是金屬切削機(jī)床機(jī)械加工結(jié)合面接觸檢驗(yàn)及評定和錐孔接觸精度評定的顯示劑)著色檢查主軸錐孔的內(nèi)表面磨損情況，如圖 4 所示。由圖 4 可知，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)錐面紅丹粉顏色均勻，無明顯高硬點(diǎn)痕跡，即證明了該機(jī)床主軸錐孔的內(nèi)表面錐度及磨損情況良好，沒有明顯影響主軸剛度的問題點(diǎn)。

　　3.2 刀具錐度檢查

　　為排除刀具刀柄錐度磨損變化，我們用三坐標(biāo)測量儀檢測刀柄錐度為 16°35′40″，與 7：24 標(biāo)準(zhǔn)錐度 16°35′39.4″相差僅 0.4″;為保證測量的精確性，又用標(biāo)準(zhǔn)母規(guī)檢測刀具錐柄大端直徑參數(shù)，對比三坐標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)母規(guī)測量數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)長度誤差不超過 0.1mm，由此即可認(rèn)為刀具刀柄錐度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　3.3 刀具與主軸錐孔接觸情況檢查

　　在刀具錐柄上涂少許紅丹粉，放入主軸錐孔中進(jìn)行涂色法檢查：將刀具旋轉(zhuǎn)幾圈后沿垂直主軸端面的方向緩慢取出，查看刀具錐面接觸情況，如圖 5 所示。由圖可知：此刀具小端有部分紅丹粉在旋轉(zhuǎn)過程中被擦掉，刀具錐面與主軸錐孔之間在小端可能存在干涉與高點(diǎn)，刀具錐面可能有少量磨損或不均勻磨損。

　　相比刀具錐柄小端，錐柄大端接觸情況對刀具工作情況影響更大，由圖 5 可知刀具錐柄與主軸錐孔接觸長度大于錐面的 80%(主軸設(shè)計(jì)技術(shù)要求：錐度 7：24 錐孔用涂色法檢查，接觸長度不少于 85%，且靠近大端)，后續(xù)對錐孔、錐柄小端進(jìn)行處理及紅丹粉檢測后發(fā)現(xiàn)，刀具刀柄錐面接觸情況良好，接觸長度大于85%符合技術(shù)要求。經(jīng)過現(xiàn)場加工，發(fā)現(xiàn)大模數(shù)蝸輪仍然存在振紋。此時(shí)可以排除刀具刀柄錐面與主軸錐孔錐面的接觸情況對加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)和蝸輪輪齒表面振紋的影響。

　　4 主軸鎖緊力分析

　　4.1 刀具夾緊裝置行程檢測

　　在機(jī)床主軸中，刀具夾緊裝置主要起固定、夾緊刀具的作用，其工作原理是刀具以錐度為 7：24 的錐柄在主軸前端的錐孔中定位，并通過擰緊在刀具尾部的拉釘拉緊在錐孔中。刀具被夾緊時(shí)，液壓缸不通油，拉桿在碟形彈簧的作用下帶動(dòng)拉爪移動(dòng)從而拉緊拉釘、夾緊刀具;換刀時(shí)，液壓缸通油，油壓壓緊碟形彈簧使拉桿向前移動(dòng)，拉爪松開，此時(shí)拉桿將拉釘連同刀具頂出(0.5～ 1)mm 左右距離，方便換刀。由此可知，拉桿的移動(dòng)距離在一定程度上代表著碟形彈簧的壓縮量，所以，刀具夾緊裝置的行程對刀具受到的夾緊力有著至關(guān)重要的影響 。具體測量方法如下：以主軸端面為基準(zhǔn)，采用千分尺深度測量儀分別測量拉桿縮回與頂出兩種情況下主軸端面到拉桿頂端的距離(無刀具狀態(tài)下)。測量結(jié)果，如表 1 所示。刀具夾緊裝置的行程，如圖 6 所示。

　　156.570-147.420=9.150mm

　　查機(jī)床說明書得：標(biāo)準(zhǔn)行程為 7mm，所以，現(xiàn)在拉桿的實(shí)際行程相比原廠時(shí)增加了 2.150mm，這可能導(dǎo)致刀具所受的拉緊力相比標(biāo)準(zhǔn)情況下有所減少。

表 1 主軸頂桿行程測量數(shù)據(jù)

　　4.2 通過工裝刀柄測力數(shù)據(jù)推算刀具實(shí)際受力情況

　　由 4.1 知拉桿行程的增加可能導(dǎo)致刀具受不到足夠的拉力，為了抵消一部分行程的增加，在工裝檢測刀柄上通過改變拉釘與刀柄螺紋端面的間隙測量刀柄的受力情況，運(yùn)用 MATLAB 擬合數(shù)據(jù)，得出曲線，如圖 5 所示(當(dāng)間隙 t 大于 2.1mm 小于 4.414mm 時(shí)拉力顯示異?？赡苁抢εc拉釘存在干涉，這里不做研究)。

　　通過之前測量的數(shù)據(jù)可以得出同一基準(zhǔn)面下刀具與工裝測力刀柄之間的長度差，分析如下：

　　已知工裝測力刀柄：

　　L=104.725 ΦD=70.833 (1)

　　進(jìn)口刀具：

　　L=109.014 ΦD=70.530 (2)

　　國產(chǎn)刀具：

　　L=109.983 ΦD=71.076 (3)

　　式中：L—刀具小端到大端距離;ΦD—刀具大端直徑。

　　錐度都為 7：24。取 ΦD=70.530 為基準(zhǔn)面比較工裝測力刀柄與國產(chǎn)刀具長度之間的差值，對應(yīng)曲線圖求得國產(chǎn)刀具實(shí)際受力。

　　圓臺(tái)錐度與高度的關(guān)系方程為：

　　式中：Φ₂—圓臺(tái)底面直徑;Φ₁—圓臺(tái)頂面直徑;h—圓臺(tái)高度;θ— 錐度。

　　(1)工裝刀柄：由式(1)~式(4)得：

　　Φ70.833 端面與 Φ70.530 端面之間的距離 h=1.039mm

　　在 Φ=70.530 這一基準(zhǔn)面上，工裝測力刀柄到小端距離 L0：

　　L₀=104

　　(2)國產(chǎn)刀具：由式(2)~式(4)得：

　　Φ71.076 端面與 Φ70.530 端面之間的距離 h=1.872mm

　　在 Φ=70.530 這一基準(zhǔn)面上，國產(chǎn)刀具到小端距離 L₁：

　　L₁=109

　　工裝測力刀柄與國產(chǎn)刀具在同一基準(zhǔn)面到小端距離的差值為：

　　ΔL=108

　　即國產(chǎn)刀具所受拉力為工裝測力刀柄長度(+4.425)mm 時(shí)所受拉力，如圖 7 所示。兩刀具尺寸對比圖，如圖 8 所示。由圖 7 及實(shí)際檢測數(shù)據(jù)可知，曲線圖推算數(shù)據(jù)與實(shí)際檢測數(shù)據(jù)非常接近。

　　經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)刀具所受拉力為 90kg/cm2 左右，而在實(shí)際生產(chǎn)中，為減少刀具在加工過程中的振幅、提高加工零件的精度，刀具所受拉力一般為 160kg/cm2 或更高，此時(shí)蝸輪刀具所受拉力顯然小于正常的拉力。

　　5 S750 數(shù)控滾齒機(jī)的改進(jìn)與驗(yàn)證

　　根據(jù)不同間隙刀具受力曲線圖，采取車削的方法縮短拉釘與拉爪接觸端到刀柄大端的距離，即把拉釘車短 3.5mm，如圖 9 所示。

　　國產(chǎn)刀具錐柄長度=工裝測力刀柄長度(+4.425)mm;由于拉釘長度車短了 3.5mm，所以此時(shí)國產(chǎn)刀具錐柄長度=工裝測力刀柄長度+4.425mm-3.5mm;國產(chǎn)刀具受力=工裝測力刀柄長度+0.925mm 間隙所測的力;改進(jìn)后，經(jīng)檢測，刀具所受拉力由 90kg/cm2 提高到 176kg/cm2 左右。

　　驗(yàn)證過程如下：

　　(1)復(fù)查主軸拉桿行程以判斷拉緊力符合要求。

　　(2)檢測蝸輪滾刀遠(yuǎn)端徑向跳動(dòng)，離主軸端面約 700mm，發(fā)現(xiàn)跳動(dòng)小于 10μm，精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求：距端面 300mm 時(shí)跳動(dòng)小于 10μm，符合設(shè)計(jì)加工要求，如圖 10 所示。

　　(3)對裝夾平臺(tái)進(jìn)行平面度檢測，保證加工蝸輪裝夾符合要求。

　　切削結(jié)果：采用原切削參數(shù)進(jìn)行切削，發(fā)現(xiàn)其加工質(zhì)量明顯提升，粗糙度、精度、光潔度完全達(dá)到要求，加工質(zhì)量很好。如圖 11 所示。

　　6 S750 加工大模數(shù)蝸輪出現(xiàn)振紋原因總結(jié)

　　根據(jù)前文所述，經(jīng)過蝸輪裝夾方式的分析及現(xiàn)場加工，發(fā)現(xiàn)大模數(shù)蝸輪還存在振紋。通過此項(xiàng)分析可以排除裝夾方式對加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)和蝸輪齒面及齒根振紋的影響。通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)的著色檢查排除主軸錐孔接觸面的形變對機(jī)械加工零件振紋的影響;通過刀具錐面與主軸錐孔錐面間的著色檢查并經(jīng)過錐面處理得知錐面的接觸情況對數(shù)控滾齒機(jī)刀具振動(dòng)影響不大。

　　經(jīng)過刀具夾緊裝置的行程檢測及計(jì)算得知拉爪標(biāo)準(zhǔn)行程為 7.000mm，而實(shí)際拉爪行程為 9.150mm，因?yàn)閵A具是通過碟形彈簧形變所產(chǎn)生的彈力，所以實(shí)際拉爪行程的加長使得刀具受到的拉緊力大大減少，可能會(huì)導(dǎo)致在正常加工過程中刀具受力不足。工裝刀柄的測力數(shù)據(jù)表明刀具受力不足且不穩(wěn)定，經(jīng)過檢測，刀具平均所受拉緊力僅為 90kg/cm2 ，約為標(biāo)準(zhǔn)加工要求所受拉力 160kg/cm2的一半。進(jìn)一步地，從主軸鎖緊力方向出發(fā)，采取車削的方法縮短拉釘與拉爪接觸端到刀柄大端的距離，明顯改善了機(jī)床的加工情況，刀具所受拉緊力由 90 kg/cm2 提高到 176kg/cm2 左右。

　　通過以上分析，S750 數(shù)控滾齒機(jī)在加工蝸輪時(shí)，蝸輪齒面及齒根產(chǎn)生振紋的主要原因是機(jī)床中拉緊刀具的夾緊裝置由于長時(shí)間的使用使得拉爪相對于拉桿向刀具方向退出了 2.150mm，導(dǎo)致刀具受到的拉力不夠，在加工過程中，刀具夾緊裝置對刀具產(chǎn)生的拉緊力不足以抵抗工件對刀具的切削力，使得刀具產(chǎn)生振動(dòng)、主軸剛性變差進(jìn)而導(dǎo)致加工出的成品蝸輪表面有振紋。

　　7 結(jié)論

　　(1)根據(jù)蝸輪裝夾方式的分析，保證了相關(guān)夾具的可靠性與準(zhǔn)確性，排除了裝夾方式對加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)和蝸輪齒面及齒根振紋的影響。

　　(2)通過使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)紅丹粉著色檢查主軸錐孔的內(nèi)表面磨損情況，排除主軸錐孔接觸面對機(jī)床主軸振動(dòng)產(chǎn)生的影響。最后得出：刀具錐面與錐孔小端位置可能有少量磨損或不均勻磨損以至于產(chǎn)生高點(diǎn)及干涉，影響主軸的正常轉(zhuǎn)動(dòng)(增大主軸及刀具高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的振幅)，這也可能會(huì)導(dǎo)致刀具在錐孔內(nèi)拉力不夠。

　　(3)通過刀具夾緊裝置的行程檢測可清晰得出夾緊裝置行程的具體變化，推出行程變化導(dǎo)致碟形彈簧壓縮量的變化對刀具振動(dòng)可能產(chǎn)生的影響。通過工裝測力刀柄對刀具受力進(jìn)行檢測，得出實(shí)際受力數(shù)據(jù)，再用軟件擬合數(shù)據(jù)，計(jì)算得出自變量間隙的數(shù)值，對應(yīng)曲線圖找到實(shí)際刀具所受拉緊力。由數(shù)據(jù)可知刀具所受拉力不足很可能是數(shù)控滾齒機(jī)主軸及刀具產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因，因?yàn)槔κ切诶瓧U上的，所以刀具夾緊裝置行程加長是由于拉爪的頻繁拉合而變松，從而沿刀具方向退出一部分。

　　(4)為探究主軸振動(dòng)的具體原因，為實(shí)際機(jī)床主軸振動(dòng)提供了在實(shí)踐生產(chǎn)中的一套可行性方案，為以后機(jī)床故障的檢測、診斷、及后期深入研究實(shí)用性理論奠定了基礎(chǔ)。