杜錦文 張大勇 趙文利 王碧英 王佐友 趙伯洋

(首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

傳統(tǒng)對(duì)接協(xié)調(diào)孔采用鉆模協(xié)調(diào)方式，即通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鉆模將孔位傳遞給工作鉆模，再通過(guò)工作鉆模傳遞至產(chǎn)品。對(duì)接協(xié)調(diào)孔分布直徑已大于φ5 m，傳統(tǒng)的鉆模協(xié)調(diào)方案已不適用，須采用數(shù)字量協(xié)調(diào)，即采用數(shù)控機(jī)床直接加工對(duì)接協(xié)調(diào)孔，靠孔的位置精度保證協(xié)調(diào)關(guān)系。為保證協(xié)調(diào)關(guān)系，需保證象限孔位置度誤差不大于φ0.10 mm，其他位置孔位置度誤差不大于φ0.15 mm，如圖1所示。

1 影響打孔精度的誤差分析

1.1 機(jī)床定位精度分析

從機(jī)床精度指標(biāo)得知，大型龍門數(shù)控機(jī)床的X軸定位精度為0.08 mm、Y軸定位精度為0.05 mm，重復(fù)定位精度為0.015 mm。該機(jī)床在XY平面的定位精度為0.094 mm，已不能滿足位置度不大于φ0.15 mm的打孔需求。

1.2 機(jī)床結(jié)構(gòu)引起的誤差分析

大型龍門機(jī)床為龍門移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，其X軸為雙驅(qū)動(dòng)，X1軸(主動(dòng)軸)、X2軸(從動(dòng)軸)分別驅(qū)動(dòng)，由于制造精度限制，兩軸之間存在不同步現(xiàn)象。兩軸不同步現(xiàn)象將直接影響加工精度。此外，由于制造及裝配誤差存在，X軸與Y軸存在不垂直現(xiàn)象。如圖2所示。

1.3 溫度影響引起的誤差

不同金屬的線膨脹系數(shù)不同，以常用的鋁合金和鋼為例，在20～100℃范圍內(nèi)，鋁合金線膨脹系數(shù)為22.7 ×10－6℃－1，而鋼的線膨脹系數(shù)為 12 ×10－6℃－1。因此，溫度升高1℃，5 m直徑分布圓上的孔的位置變化為5 000 ×22.7 ×10－6℃－1≈0.11 mm，即對(duì)接孔沿法向方向偏移0.055 mm［1］。由于大型龍門機(jī)床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且各構(gòu)件選用的材料種類多，很難計(jì)算機(jī)床隨溫度的變化值。機(jī)床多采用鋼材和鑄鐵材料，因此可預(yù)測(cè)機(jī)床隨溫度的變化要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁合金工件?？梢钥闯?，溫度對(duì)產(chǎn)品和機(jī)床均產(chǎn)生尺寸精度的影響。

2 打孔精度補(bǔ)償措施

2.1 機(jī)床定位精度補(bǔ)償

打孔精度要求最高的在四處象限孔，位置度不大于φ0.15 mm，靠機(jī)床自身的定位精度已無(wú)法保證。從對(duì)機(jī)床精度指標(biāo)分析可以看出，機(jī)床的重復(fù)定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于定位精度，可見機(jī)床加工具有一定的穩(wěn)定性。若借用外部測(cè)量設(shè)備輔助檢測(cè)，修正機(jī)床的定位精度，則可加工出高于機(jī)床自身定位精度的產(chǎn)品。激光跟蹤儀是一種能夠精確測(cè)量物體三維坐標(biāo)的測(cè)量?jī)x器，經(jīng)驗(yàn)證，在進(jìn)行輔助打孔測(cè)量中，能夠滿足輔助測(cè)量修正的需求。

由于定位精度主要體現(xiàn)在加工產(chǎn)品分布圓直徑上的變化，因此在修正定位精度時(shí)，主要考慮在X軸與Y軸上兩軸實(shí)測(cè)直徑與理論直徑的偏差。

設(shè)定K1為X軸上的補(bǔ)償系數(shù)，K2為Y軸上的補(bǔ)償系數(shù)，則

K1=(X軸理論直徑－X軸實(shí)測(cè)直徑)÷X軸理論直徑

X軸修正值=X軸理論值×(1+K1)

K2=(Y軸理論直徑－X軸實(shí)測(cè)直徑)÷Y軸理論直徑

Y軸修正值=Y軸理論值×(1+K2)

2.2 機(jī)床結(jié)構(gòu)引起的誤差補(bǔ)償

機(jī)床的兩個(gè)X軸不同步以及結(jié)構(gòu)制造誤差，可看作為Y軸與X軸不垂直。從圖3看出，隨著Y軸距離原點(diǎn)越遠(yuǎn)，在X軸上的補(bǔ)償值越大。

設(shè)定K3為傾斜修正系數(shù)，則

K3=(dX1+dX2)÷理論直徑

X軸上的補(bǔ)償值=Y軸理論值×K3

2.3 溫度引起的誤差補(bǔ)償措施

機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)消耗電能，其中部分電能會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能，導(dǎo)致機(jī)床部件溫度升高。當(dāng)運(yùn)行到一段時(shí)間后，產(chǎn)生的熱能與散發(fā)出的熱能達(dá)到平衡狀態(tài)，機(jī)床才進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，這時(shí)的加工精度才有保證。

環(huán)境溫度對(duì)機(jī)床和產(chǎn)品尺寸精度均有影響，對(duì)鋁合金產(chǎn)品的影響大于對(duì)機(jī)床的影響，因此必須控制加工的環(huán)境溫度。然而，在實(shí)際加工中，由于條件限制，很難控制在理論溫度20℃。當(dāng)環(huán)境溫度與20℃相差較大時(shí)，機(jī)床精度將受到影響，不應(yīng)進(jìn)行精密加工;當(dāng)環(huán)境溫度與20℃相差不大時(shí)，可只考慮溫度對(duì)產(chǎn)品受的影響。溫度對(duì)產(chǎn)品尺寸的影響可用線脹系數(shù)進(jìn)行估算。在1.3中，已計(jì)算出溫度每變化1℃時(shí)產(chǎn)品孔分布圓直徑變化0.11 mm。

3 補(bǔ)償加工步驟

由于四處象限孔位置精度要求最高，其它對(duì)接孔要求相對(duì)較低，因此首先以四處象限孔作為補(bǔ)償調(diào)整的首要對(duì)象，其他孔的加工沿用象限孔加工的補(bǔ)償值，即可獲得較高的加工精度。為保證編程的靈活性和補(bǔ)償值的可調(diào)整性，在數(shù)控系統(tǒng)為SIEMENS 840D的機(jī)床上采用參數(shù)編程［2］，實(shí)現(xiàn)了僅變化部分參數(shù)就能分別進(jìn)行象限孔或其他孔的加工。補(bǔ)償加工流程見圖4。

加工對(duì)接協(xié)調(diào)孔用數(shù)控程序如下:

程序注解說(shuō)明:

在修正孔位精度時(shí)，只需調(diào)整R4、R5、R6即可，在調(diào)整孔數(shù)量時(shí)需調(diào)整“R3=R3+90”中的“90”為孔位角度的增量。由于鉆鏜孔子程序較簡(jiǎn)單，未在這里列出。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)鉆模加工對(duì)接協(xié)調(diào)孔的技術(shù)方案已不能滿足直徑大于5 m的鉆模的要求，數(shù)字量協(xié)調(diào)已成為必然趨勢(shì)。在利用數(shù)控機(jī)床加工對(duì)接協(xié)調(diào)孔時(shí)，采用補(bǔ)償加工方法，可以有效提高對(duì)接協(xié)調(diào)孔的位置精度。應(yīng)當(dāng)指出的是，引起加工誤差的因素很多，本文僅對(duì)引起誤差的部分因素進(jìn)行了技術(shù)補(bǔ)償。

［1］隗東偉，王立波，閻明杰.機(jī)械工程材料及熱加工基礎(chǔ)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］陳海舟.數(shù)控銑削加工宏程序及應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.