在大型銑齒機(jī)上利用溫度補(bǔ)償法修正齒距偏差

摘要：長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的銑齒機(jī)刀盤銑刀架易產(chǎn)生熱變形，從而會(huì)改變刀具與工件的相對(duì)位置，產(chǎn)生偏差，影響加工精度。溫度補(bǔ)償法使用貼片式PT100熱電阻及相關(guān)溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)控銑刀架的溫度，而后依據(jù)材料本身的熱變形率計(jì)算出溫度變化下的變形量，以人為補(bǔ)償進(jìn)刀尺寸的方法達(dá)到修正齒距偏差的目的。實(shí)際工作中的大型銑齒機(jī)經(jīng)常遇到加工齒距偏差問題，其中最為常見的就是加工的第一個(gè)齒與最后一齒之間所出現(xiàn)的齒距偏差超差。這種偏差超差在現(xiàn)場(chǎng)頻繁出現(xiàn)，成為常常需要解決的難題。而通過對(duì)檢測(cè)齒距偏差得到的數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在切削過程中齒槽的徑向切削深度從第一齒到最后一齒有規(guī)律地加深，這說明在切削過程中進(jìn)給量出現(xiàn)了變化，這種變化也會(huì)引起齒距偏差超差。筆者推測(cè)，這一現(xiàn)象可能是銑刀架的溫度變化引起。銑齒機(jī)的工作原理是銑齒機(jī)銑齒采用成形法單分齒加工，加工完上一個(gè)齒后，銑刀返回原位，工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)360°/Z（Z為加工工件齒數(shù)），進(jìn)行下一個(gè)齒的加工，如此循環(huán)，直到加工完全部齒數(shù)。從這一原理可以看出，加工過程中的銑刀盤一直在維持運(yùn)轉(zhuǎn)，而長(zhǎng)時(shí)間不停歇的運(yùn)轉(zhuǎn)很可能會(huì)導(dǎo)致銑刀架本身溫度上升，伴隨時(shí)間變化，加工同一工件上編號(hào)不同的齒數(shù)時(shí)，銑刀架的溫度變化會(huì)引起其產(chǎn)生形變，這種形變量使刀具逐漸偏離相對(duì)工件的實(shí)際位置，而與此同時(shí)，進(jìn)給量維持不變，其相對(duì)工件的徑向切入量就會(huì)在不同齒數(shù)間產(chǎn)生差異，從而影響到齒槽的深度，造成齒距偏差過大，也就很容易形成首齒與尾齒之間常見的退刀大牙。為了對(duì)以上關(guān)于銑刀架溫度變化引起齒槽深度變化造成齒距偏差的推測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，在型號(hào)為YK83500/4的銑齒機(jī)上進(jìn)了簡(jiǎn)單的打表試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的測(cè)量?jī)x器是一只測(cè)溫槍和兩只百分表進(jìn)行測(cè)量，將百分表一的表座吸附于工件或胎具上，調(diào)整銑刀架位置，使百分表表針壓在銑刀架上，調(diào)節(jié)其指針對(duì)零；將百分表二地表座吸附在立柱導(dǎo)軌上，調(diào)整使此百分表表針壓在床身立柱上，調(diào)節(jié)其指針對(duì)零，調(diào)整測(cè)溫槍，檢查其精度。試驗(yàn)開始前，用測(cè)溫槍測(cè)量銑刀架的初始溫度，后啟動(dòng)刀盤。在銑齒機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，每相隔一定時(shí)間用測(cè)溫槍測(cè)量銑刀架溫度，并讀取相應(yīng)百分表讀數(shù)，結(jié)果如表1所示，記錄過程中，刀盤轉(zhuǎn)速為120r/min，室溫為14℃。時(shí)間至360min后，停下銑齒機(jī)，隨時(shí)間變化讀取測(cè)溫槍及兩個(gè)百分表讀數(shù)，得到數(shù)據(jù)積累如下表２所示，記錄過程中，刀盤轉(zhuǎn)速為0r/min，室溫為14℃。分析表1、表2的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，銑齒機(jī)起動(dòng)后，由測(cè)溫槍測(cè)得銑頭溫度不斷上升，溫差從18.5℃升到最高37.8℃，有約20℃的溫差，而伴隨時(shí)間變化，溫度上升，刀架在徑向方向上的產(chǎn)生了形變，有了一定的伸長(zhǎng)量，伸長(zhǎng)量從0mm一直到0.22mm，溫度升高至最高，伸長(zhǎng)量也達(dá)到最大，后主軸停止后，銑刀架溫度以穩(wěn)定速率回落，此時(shí)刀架在徑向方向上的形變量也從0.22mm慢慢恢復(fù)至0mm。依據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制溫度與銑刀架型變量關(guān)系如圖1所示。圖1

溫度與伸長(zhǎng)量關(guān)系以上數(shù)據(jù)與圖表說明，在銑齒機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，確實(shí)存在因?yàn)殂姷都軠囟壬仙鴮?dǎo)致的形變，并且形變也確實(shí)在徑向上有一定的伸長(zhǎng)量，正是這個(gè)徑向伸長(zhǎng)最終造成了齒槽的深度加深，進(jìn)而引起齒距偏差。這說明，筆者關(guān)于銑刀架溫度變化引起齒槽深度變化的猜測(cè)是正確的。而經(jīng)過這一試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了溫度變化是引起齒距偏差的根源所在。為了解決溫度變化帶來的影響、保證加工精度，有兩個(gè)方案可供參考，一是研車，使銑刀架內(nèi)部達(dá)到熱平衡后再行加工；二是人為計(jì)算偏移量并在加工過程中設(shè)置進(jìn)給量同時(shí)予以偏移，從而達(dá)到補(bǔ)償溫度變化引起的偏移的目的。其中，第一種方法看似可行，但在加工車間很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐_(dá)到熱平衡需要很長(zhǎng)的空研車時(shí)間，在實(shí)際生產(chǎn)中的效率太低。因此，采用第二種方法，即為溫度補(bǔ)償法。這一方法的具體操作為：實(shí)時(shí)檢測(cè)銑刀架的溫度，通過溫度的變化量來估算刀盤的偏移量，將刀具的偏移量補(bǔ)償?shù)綇较蚯行剂恐校瑥亩鴮?shí)現(xiàn)實(shí)際切屑量的平衡，減小由于主運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量而引起的熱變形導(dǎo)致最終對(duì)尺寸的影響。具體溫度補(bǔ)償方案如表3所示。這里的溫度采集選用的是兩個(gè)貼片式溫度傳感器KYW-T1分別對(duì)床身和銑頭進(jìn)行采集，將采集來的信號(hào)通過KYW-DP3V溫度變送器將溫度值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)。兩個(gè)溫度采集點(diǎn)以床身溫度作為基準(zhǔn)溫度亦即環(huán)境溫度。每加工完一個(gè)齒，計(jì)算一次兩點(diǎn)的溫度差值，溫差增大，則有溫升，溫差增量則為溫升量；溫差不變，則溫度穩(wěn)定。這里使用的兩點(diǎn)溫差的增量作為溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)，是為了避免環(huán)境溫度的變化造成對(duì)溫度數(shù)據(jù)采集的不準(zhǔn)確而影響補(bǔ)償?shù)木?。溫度變送器與傳感器接線如圖2所示，圖中V0端子連接到系統(tǒng)I/O板的模擬量輸入端上。圖2

溫度變送器與傳感器接線經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換后，在數(shù)控系統(tǒng)上，其顯示如表4所示，此為西門子828D系統(tǒng)模擬量輸入端電壓測(cè)量運(yùn)行方式的測(cè)量值。通過上表可以看到，西門子828D系統(tǒng)采集到的數(shù)值范圍為0～6581，而溫度傳感器的量程范圍為-50～100℃。依據(jù)此可以計(jì)算出溫度上升的系數(shù)M=6581÷150≈43.87，這個(gè)系數(shù)顯示，溫度每升高1℃，系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)增大43.87。而伸長(zhǎng)量與溫度的關(guān)系也可以通過表1、表2和圖1得到。依據(jù)表1、表2可知，此試驗(yàn)中主軸運(yùn)行后的溫升取近似值20℃，徑向伸長(zhǎng)量最大約為0.22mm，這一試驗(yàn)結(jié)果與材料研究室依據(jù)相關(guān)理論計(jì)算的溫升參數(shù)0.01/℃相符。有了這個(gè)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出銑刀架材料本身的伸長(zhǎng)系數(shù)K值。以公式計(jì)算如下：式中，ΔL為伸長(zhǎng)量（mm），ΔT為溫升量（℃），則溫度每升高1℃，系統(tǒng)上讀取到的數(shù)據(jù)與伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系為：式中，K為伸長(zhǎng)系數(shù)；M為溫升系數(shù)；ΔP為讀數(shù)偏差的增量；Pn為銑刀架處讀取的數(shù)值；P’n為床身處讀取的數(shù)值；n為當(dāng)前加工的齒數(shù)。以此作為補(bǔ)償，即每加工完一個(gè)齒，讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算一次溫度差，依據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的讀取數(shù)據(jù)設(shè)置伸長(zhǎng)量補(bǔ)償，在補(bǔ)償數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行下一個(gè)齒的切削，以此循環(huán)，直到切完最后一個(gè)齒。這就是完整的溫度補(bǔ)償方案原理。確認(rèn)此方案后，在銑齒機(jī)YK83500/4上進(jìn)行了編程工作，調(diào)整程