论机床加工精度和精密机床的结构特点

吴自达

（惠州工程技术学校，广东 惠州 516023）

引言

零件加工精度是实际几何参数与理想几何参数相符合的程度，包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度及表面质量。研究零件各种典型表面（平面、外圆、孔及其他成形表面等）的加工方法及其特点，同时分析影响零件加工精度和表面质量的客观因素及其变化规律，找出减少加工误差、提高加工精度和表面质量的技术措施，是设备修理技术人员对精密机械加工设备的研究和使用维修应当掌握的基本知识。

1 问题描述

机床是工艺系统中最重要的组成部分，零件的加工精度主要由机床来保证。在机床系统中，对工件加工精度影响最大的是主轴、导轨和传动链3个部件。

2 机床主轴回转误差

由于主轴系统中各零部件存在多种误差以及主轴运转时各种动静因素对主轴精度的影响，使主轴回转轴线在空间的实际位置呈周期性变化，并且这种变化与加工时主轴的受力状态有关。

主轴组件由主轴、主轴轴承及轴承座孔和安装在主轴上的传动件（包括齿轮、皮带轮等）等组成。主轴组件的旋转精度对工件的加工精度和表面粗糙度起着决定性的作用。主轴组件的旋转精度与轴承精度和间隙、主轴和与主轴配合的零件精度以及轴承的安装、调整等因素有关。

主轴实际回转轴线相对理想回转轴线的漂移，可根据平均轴线的方向分解为纯径向跳动、纯轴向窜动和纯角度摆动。一般来说，主轴回转误差不会原封不动地复现到工件上而产生大小相同的加工误差，在机床和工件加工表面的不同位置，以及加工表面的不同方向上，主轴回转误差对工件加工误差的影响程度关不相同，在通过刀具切削刃上的一点而垂直于工件加工表面的方向上，主轴回转误差对工件加工误差的影响最大，这一方向称为误差敏感方向，而在其他方向，影响就较小，如图1所示为车削加工。

图1 主轴沿不同方向的径向漂移引起的误差

由于误差敏感方向必须通过刀具切削刃，故对于工件旋转类机床如车床、磨床等，误差敏感方向是固定不变的，对于刀具旋转类机床如镗床等，误差敏感方向是随主轴转动而变化的。回转误差的产生有主轴系统结构尺寸、形状、相互位置上的原因，也有加工运动中受力、热作用等原因。机床主轴以主轴颈支撑在床头箱的滑动轴承或滚动轴承，对于工件旋转类机床来说，由于刀具切削力方向固定不变，机床主轴的传动力方向也不变，主轴旋转时将压紧在滑动轴承孔内或滚动轴承外环的某一局部区域，因此，主轴颈、滚动轴承内环滚道的圆度误差，滚动体的尺寸与形状误差，将引起主轴的径向跳动。而滑动轴承的轴瓦内孔或滚动轴承的外环滚道的几何形状误差，对主轴回转误差影响不大。如图2所示。对于刀具旋转类机床而言，由于切削力的方向随主轴相对于静止的滑动轴承或滚动轴承外环不断改变，因此，轴瓦内孔表面或滚动轴承外环滚道的形状误差将引起主轴的径向跳动，如图3所示。

图2 主轴回转误差

图3 主轴的径向跳动

加工中主轴颈或固定于主轴颈上的滚动轴承内环滚道，以固定的局部区域不断同整个轴承孔表面或滚动轴承外环滚道相接触，因此，主轴颈或滚动轴承内环滚道的圆度误差对主轴的径向跳动影响不大。引起主轴径向跳动的原因还有轴承的间隙、轴承滚动体的尺寸与形状误差，主轴前后支撑轴颈之间、订头箱前后轴承孔之间的同轴度误差等。此外，由于主轴颈本身的圆度误差引起薄壁滚动轴承的内环变形，床头箱体轴承孔的圆度误差引起滚动轴承外环相应的变形等原因，也会使主轴产生径向跳动。使主轴产生轴向窜动或角度摆的原因除上述部分因素外，主要还有装配中轴承歪斜、止推轴承滚道端面跳动，主轴轴肩端面对轴线垂直度误差和平面度误差、轴承端盖、过渡套、锁紧螺母等有关配合表面的误差。主轴的径向跳动，会使工件产生圆度误差；主轴的轴向窜动，会使工件端面产生平面度误差或垂直度误差，以及加工螺纹时，在单个螺距内会产生周期误差；主轴的角度摆动会使工件产生圆度误差和圆柱度误差。图4为车削加工时，主轴在水平面内的角度摆动，使工件产生圆柱度误差。镗孔时，若主轴在垂直面内角度摆动频率等于镗杆的旋转频率，会使工件产生如图5所示的圆度误差。

图4 车削主轴摆动圆柱度误差

提高主轴部件的制造精度特别是滚动轴承的精度，选配回转精度高的轴承，在滚动轴承上保持适当的预紧载荷，均可提高主轴的回转精度。精密机床（如多种类型的磨床）中，通过改进主轴系统的结构，采用静压滑动轴承、球形静压轴承、3块瓦式动压轴承等，使主轴回转精度极大提高。MG1432A高精度外圆磨床砂轮主轴采用动静压轴承，这种轴承在起动时无干摩擦，在运转时可产生一个像动压轴承那样的承载油膜，具有很好的运转性能。CM6132精密车床为了提高主轴精度，主运动采用分离式传动，把主轴箱和变速箱分开，使主运动的大部分的传动件和变速机构都安放在远离主轴的单独变速箱内，可大幅度减少热变形和振动对机床主轴的影响。同时，传动皮带轮采用卸荷式结构，皮带轮不是直接安装在主轴上，而是安装在轴套上，皮带轮的运动经过离合器传给主轴，以避免机床主轴承受皮带传动的径向力。

如下页图6所示，在镗削加工中采用浮动镗杆，可避免主轴回转误差对工件加工精度的影响，镗杆由镗模套径向支撑定位并与主轴柔性联接，镗杆的回转误差取决于镗模套和镗杆制造精度。

图6 用镗模提高镗杆回转精度

如下页图7所示，在外圆磨削加工中，工件支撑在两个固定顶尖上，工件头架主轴的回转精度不会影响工件的回转精度。

图7 两固定顶尖支撑宽作磨外圆

3 机床导轨误差

导轨是机床几何精度的基础，是实现刀具与工件准确的相对成形运动的重要保证。以车床为例，溜板箱沿导轨做纵向直线运动时，导轨在水平面内的直线度误差会使溜板箱在水平面内沿导轨的变形方向产生位移误差。由于误差敏感方向在水平面内垂直于导轨，因此导轨在水平面内的直线度误差将会1∶1地复映到工件上，使工件在加工内外圆表面时，产生圆柱度误差，如图8所示。龙门刨床、龙门铣床、平面磨床和镗床在垂直面内的直线度误差，使工作台移动时台面在垂直方向上起伏和倾斜，从而使加工表面产生平面度误差，如图9所示。

图8 导轨在水平面内的直线度误差对工件加工误差的影响

图9 导轨在垂直面内的直线误差对工件加工误差的影响

车床前后导轨的平行度误差，会使溜板箱在移动时产生倾斜，因而使刀尖产生Y方向（误差敏感方向）和Z方向的位移，如图10所示。

图10 前后导轨平等度误差引起的加工误差

导轨与主轴实际回转轴线不平等，在车、镗加工中会使加工表面形成锥面，产生圆柱度误差；导轨与主轴实际回转轴线不垂直，在钻、镗、铣加工中会使被加工的孔歪斜，被加工的平面凹，加工平面相对工件安装平面不平行或不垂直等。高精度的车床导轨采用对称的凸V形导轨，可使后导轨能分担前导轨一部分载荷。前后导轨的磨损比较均匀。S7332螺纹磨床等许多精密机床中采用滚动导轨比较广泛，这种导轨摩擦系数小，运动轻便灵活，低速运动平稳无爬行，精度保持性好。M50150导轨磨床及MM7160卧轴矩台平面磨床等采用静压导轨，导轨副的工作表面完全处于纯液体摩擦状态，不会产生磨损，能长期保持导轨的导向精度。同时，油液具有吸振作用，因此，静压导轨的抗振性好。

4 机床传动链误差

机床内从工件到刀具的传动系统误差，主要由各传动零部件的误差引起。在切削运动中，某些加工表面的成形，要求刀具与工件有准确的相对运动关系。如车床加工螺杆和蜗杆的螺纹时，要求主轴回转一周，溜板箱准确地移动一个导程；用单头滚刀滚齿，要求滚刀转一周工件转过一分齿角。

为了减少传动链误差，Y38-1滚齿机、Y7131齿轮磨床等齿轮加工机床的分度蜗轮副精度，比被加工齿轮的精度高1～2级，这样可以保证加工中有较高的运动精度。SG8630高精度丝杆车床结构上传动链短，传动件精度高，没有设置进给箱、变速箱和溜板箱。除了这些措施外，为补偿机床传动链误差产生的螺距加工误差，还采用如图11所示误差校正机构，使传动链得到一个附加运动来抵消传动误差。其原理就是用该机构人为的造就一种误差，去补偿或抵消机床原有的相反方向的误差。

5 结语

图11 丝杆螺距误差校正装置原理图

随着科学技术的飞速发展，精密零件的加工精度要求不断提高。精密机床是保证精密加工零件达到所要求精度和表面质量的手段。从分析精密零件加工工艺中，可以发现机床的静动态性能、微量进给运动的平稳性、定位检测、误差的补偿及分度等问题是解决精密零件精度的关键。