卧式车床平面车削的波纹及治理

常博宇

(沈阳机床集团中捷机床有限公司，辽宁沈阳110142)

笔者我公司HTC 系列两导轨数控卧式车床作为加工直径1 000 mm 以上工件的大回转直径数控卧式车床，其1.5 m 短规格机床经常被用于悬卡状态加工一些大规格盘类、阀门类工件。因此很多用户对机床的端面精车能力十分看重。加工过程中产生的端面波纹影响工件的粗糙度以及形状公差。本着提升机床品质的目的，悬卡类工件的端面加工品质成为我们必须要重视的问题。因此我们专门针对该问题进行了研究。目前基本掌握了端面波纹的成因及消除方法。

加工过程中出现的端面波纹主要有两种:一种是环状波纹，波纹的形状如同石块落入水中产生的环状水波一样，用手触摸有时可触摸到环状凹凸，且不均匀;一种是放射状波纹，其波纹沿工件中心呈放射状的分布。我们对波纹产生的原因进行分析:从车削的角度来说，工件的旋转与刀具的X向进给共同作用完成了端面的车削过程。无论何种波纹的产生只可能是车削过程中刀具与工件两者之间发生了或宏观或微观的相对位移。

1 环状波纹

首先我们来分析环状波纹:环状波纹一般是由车削过程中刀尖的偏摆形成，每一次偏摆都会形成一道突起或凹下的圆环。因此我们认为环形波纹产生是零件加工和装配中精度及形状的系统误差体现。在车削端面时，刀具的进给由滑板的横向移动实现，当丝杠旋转推动螺母时，实际上存在着径向和轴向两个力，其轴向力推动滑板做轴向移动，而由于累计误差的存在，丝母结合处丝杠的旋转很难与丝杠两支撑点的理论中心同心，因此造成丝杠每旋转一周，径向力360°方向上周期性变化一次，当横滑板与床鞍导轨配合间隙不当时，丝杠旋转产生的径向力将使滑板做周期性的摆动。因此我们将采取有针对性的措施来解决此问题。我们的解决方案主要从加工、装配、产品结构3 方面着手。

(1)加工方面:严格控制床鞍燕尾导轨精度，防止因床鞍导轨精度的问题造成滑板沿床鞍运动过程中直线性超差。因此我们首先在加工过程中对床鞍进行严格的时效处理，防止铸件自身的变形造成床鞍扭曲。其次在加工过程中严格控制导轨面的加工精度，为使横滑板能平稳自如地在导轨上运动，对于左右的平导轨面必须尽量保持在同一平面，用精密水平仪测量，扭曲允差≤0.02 mm/1 000 mm。左侧基准燕尾导轨的直线性允差0.015 mm/全长。床鞍丝杠支撑孔轴心线对燕尾导轨及平导轨的平行度允差0.015 mm/全长。同时需保证主支撑支架结合端面与导轨必须垂直。

(2)装配方面:严格控制滑板在床鞍上的滑动间隙与接触刚度。首先对滑动间隙的控制通过刮研滑板镶条来实现，要求镶条平直，不能弯曲，刮研结合面内每平方英寸面积内不少于6 个研点。要做到镶条装配后调整敏感性良好，即在调整时，稍微松紧镶条调整螺钉，对横滑板的移动就会察觉到力度变化。另外，滑板与床鞍之间的结合面也要进行仔细的刮研，一般要求接触面每平方英寸范围内点数不少于10 点。

(3)机床结构技术改进方面:我们也进行了深入的研究，对机床进给机构进行了较大的改进。机床原X轴进给机构见图1，伺服电动机安装在电动机支座上，电动机支座安装在床鞍后侧。伺服电动机通过联轴器直联高精度滚珠丝杠，滚珠丝杠通过丝母带动安装在丝母座上的滑板沿床鞍导轨X向移动。床鞍通过精镗加工出两端的丝杠支撑孔，其中丝杠后支撑为主支撑，安装在电动机支座内，通过组合轴承进行径向及轴向定位。电动机支座通过床鞍止口安装在床鞍后侧。丝杠前支撑为浮动支撑，可沿丝杠轴向热伸长。这是一种比较传统的丝杠支撑方式。很多规格的卧式车床均采用该种结构方式。但在实际应用中我们发现床鞍的丝杠两端定位孔采用镗孔加工方式存在一些弊端。首先大回转直径机床其X轴行程较大造成其丝杠两端支撑跨距较大，这就造成在加工中丝杠两端支撑孔很难保证很高的同轴度，由此导致丝杠轴心线与导轨不平行。因此当丝杠旋转进给时，微观上来看，丝杠与导轨形成了一定的角度。因此当丝母在丝杠上移动时，将不可避免地造成一定的偏摆，这样滑板运动将会产生一定的“憋劲”现象。如果滑板与床鞍之间间隙较小的时候，“憋劲”现象的发生将增加X轴负载。在机床精度方面则影响X轴的重复定位精度。如果间隙较大，则滑板在运动过程中将发生偏摆，车削端面时的环形波纹将由此发生。因此我们侧重于通过结构改进解决安装后丝杠母线与床鞍导轨不平行的问题。通过方案论证我们采取了以下解决方案:将丝杠两端的支撑孔全部打开，均采用活动支撑，通过调整垫调整上母线平行，通过支座螺孔与螺钉的间隙调整丝杠的侧母线。这种调整方式可以将丝杠母线与床鞍导轨的平行度控制在0.01 mm/全长以内，完全实现了设计预定要求。同时因切削时丝杠支座的受力方向沿丝杠轴线，因此支座改为可调整形式后并未降低X轴抵抗切削力的能力。通过我们的验证，改进后的结构具有以下优点:降低了床鞍的加工难度、降低了X轴的空载功率、提高了X轴重复定位精度、消除了丝杠运行中的偏摆问题。因此在根本上消除了端面环形波纹产生的基础。

2 放射状波纹

放射状波纹产生的原因主要与主轴刚度不足有关。车削端面时，当刀尖稳定进给时，主轴振动传导到工件上造成工件振动，工件与刀尖接触后即发生了点状的磕碰，强迫振动造成了相对规律的放射状波纹。因此在解决放射状波纹的时候我们从提高主轴系统的刚度着手。影响主轴振动的因素很多，如箱体内零部件加工和装配不当，回转体的运动不平衡，轴承间隙、主轴转速和车削条件影响等因素。其中振动的动力主要来自于主轴输出终端斜齿轮旋转啮合过程中齿与齿间产生的冲击及轴向力。当主轴支撑刚度不足时这种周期性的冲击会使主轴产生强迫振动。综合上述因素，我们采取的方案仍从加工、装配、结构3 方面着手:

(1)加工方面:严格控制关键件加工精度，提高机床抗振性能。例如:主轴孔根据轴承外圆尺寸配镗;主轴根据轴承内径尺寸配车;对终端输出斜齿轮的齿形齿向误差进行严格控制，确保齿轮啮合的平稳;控制主轴孔及主轴的圆度、同轴度等。

(2)装配方面:对主轴前轴承采取轴承内环低点与主轴轴颈高点相配装入;对前轴承外径高点与箱体孔内径高点配合装入，以此抵消加工误差，提高旋转精度及稳定性。

(3)机床结构技术改进方面:为了避免齿轮旋转时的冲击对工件造成的影响，必须提高主轴前支撑的刚度。主轴前支撑结构见图2。该结构紧凑，装配及调整方便。后端两个背帽可分别调整主轴径向和轴向间隙。前支撑套件可整体装配后一同装入主轴孔。因此该种结构在CW 系列普通车床以及很多大型平床身数控卧式车床的主轴上获得了广泛的应用。但我们在实际使用中发现该结构也存在着一定的问题，首先是平垫2 被前端盖3 通过圆柱滚子轴承的外环及甩油环4 固定在主轴箱体1 的端面上。但主轴箱体1 的端面与平垫2 加工中均不可避免存在形状误差。因此平垫2 安装固定后的累积误差造成平垫2 两端面与主轴中心很难有较高的垂直度，造成平面轴承容易出现“偏载”受力现象，降低轴承使用寿命。同时平面轴承旋转过程中会出现间歇状间隙，导致终端齿轮啮合受力冲击主轴使其产生轴向窜动的趋势。向前窜动时前端盖3 会受力。综合以上分析我们对主轴前支撑做了改进。首先取消平垫2，将平垫与主轴箱体1 合成一体。这样将平垫2 在主轴箱体1 加工时一次加工成型，大大提高了平垫两端面与主轴中心的垂直度，避免了平面轴承的安装累积误差。同时将主轴前端盖加强加厚，这样将完全限制住主轴的轴向窜动间隙误差，提高主轴径向刚度。通过我们的验证，上述方法的综合使用极大提高了机床主轴的刚度，有效防止了放射状波纹的发生。

通过我们的相关技术改进，从各环节消除了产生环形波纹的因素，提高了产品品质，同时为其他同类产品消除端面车削波纹找到了解决方法。

［1］邹春光.车削端面环形振纹及其产生因素的探讨［J］. 哈尔滨轴承，

2007 (3):12 -13.

［2］陈心昭，权义鲁.现代实用机床设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2006.