刀尖高度偏差对车削球面径向尺寸和形状的影响

本文重点探讨了数控车削球面时, 刀尖安装高度偏差产生的加工误差。理论分析表明: 刀尖安装高度偏差不仅会造成球面径向尺寸误差, 同时还会引起球面的形状误差。

1.刀尖高度偏差对球面径向尺寸误差的影响。

数控车削零件之前, 通常先对刀确定工件坐标系原点在机床坐标系中的位置, 一般采用试切法。具体做法: 首先在零件端部试切一小段直径为 2X0 的圆柱( 如图 2) , 然后根据测量值, 就可确定工件坐标系原点在机床坐标系中 X向的位置。此时若刀尖与工件回转中心线等高, 则对刀后确定的工件坐标系原点应在工件回转中心线上, 但实际安装时, 如果刀尖存在高度偏差 e, 则试切对刀后, 得到的工件坐标系原点相对工件回转中心线在 X 向向内偏离 δ(如图 3)。此种情况下若零件某截面直径尺寸为2X0, 车削时为保证该段尺寸符合要求, 那么车刀刀尖在 X 轴上的实际坐标为 X0–δ 。若在任一轴向位置时, 工件要求加工的直径尺寸为 2X, 则车刀刀尖 X 向实际坐标为 X–δ , 根据以上分析有:

由此可知, 在加工零件任意截面, 车削后半径的实际尺寸与理想尺寸差值 A为:

由公式 ( 1)、 ( 2) 可知, 当存在刀尖安装高度偏差 e 时, 车削后零件截面半径 (直径) 实际尺寸与理想尺寸存在误差值 A。下面分析径向尺寸误差的变化规律。

( 1) 截面直径大小对误差值的影响。

假定刀尖高度偏差 e=1mm, 对刀测量直径值为 30mm (半径 15 mm) , 则车刀刀尖在 X 向向内偏离 δ =0.033 mm, 由公式 ( 1) 、 ( 2) 可以得到半径 x值与误差值 A的对应关系 (见表 1) , 由表1 可以看出, 当零件截面半径 x 小于对刀尺寸时,实际加工尺寸偏大, 且半径 x 越小,误差值 A 越大; 当零件截面半径 x大于对刀尺寸时,实际加工尺寸偏小,且半径越大,误差值 A绝对值越大, 当零件截面半径 x 等于对刀尺寸时误差值 A 为零, 即实际尺寸相等。 (表 1 半径 x 与差值 A 的对应关系表)

( 2) 刀尖安装高度偏差 e 对误差值 A 的影响。

仍以对刀测量直径 30mm为例, 假定高度差 e=2 mm, 则车刀刀尖在 X向向内偏离 δ =0.mm; e=3 mm, 刀尖在 X向向内偏离 δ =0.303m由公式 ( 1)、 ( 2) 可以得到高度偏差 e 值与误值 A的对应关系 (见表 2)。

由表 2 可以看出, 随高度偏差 e 值的增径向误差 A 的绝值也随之增大。零件截面半径小对刀尺寸时,实际工尺寸仍然偏大半径越小,径向误值越大; 当截面径大于对刀尺寸实际加工尺寸仍然偏小,且半径越大, 径向误差的绝对值越大。当零件截面半径等于对刀测量径时径向尺寸误差为零。

2. 刀尖高度偏差对球面形状误差的影响。

如图 4 所示, 车削球面时, 当存在刀尖高偏差 e, 则车刀实际运动轨迹为圆弧 EA。弧位于高度 e 和 XOZ面平行的平面上, 半径为圆心坐标为 ( -δ , e, - a/2) 其中 a 为球面轴向度。设 M为圆弧 EA上任一点,

e, Z0。车削后零件在 XOZ平面上的相应曲线为 CB。根据车削原理, 在曲线 CB 上任意点 N是由圆弧 EA上相应点 M绕 Z轴旋转得到的。如B是由 A绕 Z轴旋转得到的, C是由 E 绕 Z轴旋转得到的。故图 4 中加工出来的曲线 CB 部分的实际轨迹方程为

显然, 弧 CB 部分的实际轨迹不是圆弧。由图 5 的一组标注尺寸也可以看出实际加工出的曲线弧 CB 上各点到球面中心 O2 的距离不是定值(以图 1 为例), 因此弧 CB为非圆弧曲线, 也即车削后的零件不是标准球面, 其形状存在误差。

3. 结论

基于以上分析可以看出, 数控车削球面时, 若存在刀尖安装高度偏差 e 不仅会引起球面径向尺寸误差, 还会造成球面形状误差。因此数控车削球面零件 ( 如球阀阀芯)时,为了保证零件较高的形位精度,必须严格控制刀尖安装中心高偏差 e, 使其值接近或为零。控制刀尖安装高度偏差的措施:

1) 尽量采用标准化车刀或专门刃磨后的车刀,如刀尖等高的方刀体不重磨车刀等; 还可采用具有一系列厚度、硬度及平行的标准垫片或斜面错齿可调垫块进行调整。

2) 通过确定刀尖安装中心高偏差的方法, 反复进行试车削、测量、计算及调整过程, 直至其刀尖中心高偏差 e 接近或为零。确定刀尖安装中心高偏差 e 值的方法: 先车一外圆柱表面测量其轴径 Db, 然后在 X 坐标轴方向进给一个设定的半径差△r,再车一次外圆并测量其轴径 Da (如图 6) ,如果测得的 Da 为, Da=Db- 2△r, 则说明刀尖与工件回转轴心线等高, 即 e=0; 如果测得的 Da 不等于 Db- 2△r, 则说明存在安装中心高偏差, 该偏差 e 可由式 ( 4) 计算得到: