五坐標(biāo)龍門(mén)加工中心加工零件表面粗糙度差的原因分析
2020-12-14 來(lái)源：昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 作者：林超青
摘要：公司一臺(tái)五坐標(biāo)龍門(mén)加工中心在加工時(shí)零件表面波紋嚴(yán)重，表面粗糙度嚴(yán)重超差，無(wú)法滿足工藝要求。零件表面粗糙度差的成因比較多，解決難度大，本文對(duì)該機(jī)床零件加工表面粗糙度差的原因和處理措施進(jìn)行一些探討。
1、問(wèn)題分析
某五坐標(biāo)高速龍門(mén)加工中心前期進(jìn)行了五軸頭翻新大修，機(jī)械及電氣部件均有更新，在零件試加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，加工的零件表面波紋嚴(yán)重（見(jiàn)圖1），表面粗糙度極差，完全無(wú)法滿足工藝表面粗糙度的技術(shù)要求。
圖1：表面波紋嚴(yán)重的零件
零件加工表面粗糙度差的原因比較多，零件加工程序編制不良或機(jī)械部件磨損，運(yùn)動(dòng)部件的間隙增大，機(jī)械剛性下降，龍門(mén)同步超差，電氣參數(shù)與機(jī)械部件的機(jī)械特性不匹配，伺服優(yōu)化不好等因素，都會(huì)導(dǎo)致坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)法快速準(zhǔn)確定位。機(jī)床來(lái)回尋找定位位置導(dǎo)致伺服系統(tǒng)振蕩或系統(tǒng)電氣響應(yīng)速度慢，造成零件加工表面出現(xiàn)波紋，表面粗糙度超差。電氣調(diào)試和伺服優(yōu)化主要是針對(duì)機(jī)床的三環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行（見(jiàn)圖2）。
圖2：機(jī)床三環(huán)控制
從圖2可以看出，機(jī)床電氣特性一般包括三環(huán)特性，由一系列電氣參數(shù)設(shè)定，比如速度環(huán)、位置環(huán)增益等。如果速度環(huán)、位置環(huán)的增益設(shè)定值較大，系統(tǒng)響應(yīng)就較快，能夠較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，機(jī)床加工時(shí)零件表面質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)提高。但是如果速度環(huán)、位置環(huán)的增益設(shè)定值太高，就會(huì)造成系統(tǒng)振蕩，無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，機(jī)床出現(xiàn)抖動(dòng)，電機(jī)嘯叫，加工時(shí)零件表面出現(xiàn)波紋；速度環(huán)、位置環(huán)的增益設(shè)定值過(guò)小，則機(jī)床響應(yīng)速度降低，零件加工時(shí)表面也會(huì)出現(xiàn)波紋。圖3是指令響應(yīng)及穩(wěn)定過(guò)程。
圖3：指令響應(yīng)示意圖
因此，解決此類問(wèn)題需要從電氣和機(jī)械兩方面綜合分析，才能最終找到問(wèn)題所在。
2、零件加工程序編制策略不符合機(jī)床加工特性
圖1零件是用來(lái)檢測(cè)機(jī)床五軸加工性能是否良好由使用部門(mén)自行制定的一個(gè)通用試切件，試切加工時(shí)沒(méi)有針對(duì)本機(jī)結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行專門(mén)的程序編制和優(yōu)化，該零件加工程序編制和加工參數(shù)是否符合本機(jī)特性，零件試切結(jié)果是否合適存在爭(zhēng)議。為確認(rèn)表面粗糙度差的原因是否由于零件加工程序編制策略造成，于是使用五坐標(biāo)機(jī)床驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中通用的NAS試切件和程序、參數(shù)進(jìn)行試切加工，加工結(jié)果如圖4所示。從NAS試切件可以看到，零件表面粗糙度有顯著改善，但是表面的波紋依然比較嚴(yán)重，所以可以認(rèn)為零件程序編制和加工參數(shù)不是該機(jī)床零件表面粗糙度差的主要原因，而是機(jī)床自身問(wèn)題導(dǎo)致零件表面粗糙度嚴(yán)重超差。
圖4：NAS五軸試切件
3、五軸頭機(jī)械特性與原電氣
特性不匹配該機(jī)床的五軸頭前期剛進(jìn)行大修翻新，伺服電機(jī)、傳動(dòng)部件、軸承、編碼器等全部更換，部件裝配面全部進(jìn)行刮研校正，如果該大修翻新的技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到要求或電氣特性不匹配，零件加工也會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)各種問(wèn)題。為確認(rèn)表面粗糙度差是否是由五軸頭造成，可進(jìn)行一系列測(cè)試。
（1）A/C軸定位精度檢測(cè)。數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的定位精度和重復(fù)定位精度直接關(guān)系到零件加工的質(zhì)量，該機(jī)床五軸頭進(jìn)行過(guò)翻新大修，如果A/C軸定位精度（P）和重復(fù)定位精度（Psmax）不好，坐標(biāo)軸在快速運(yùn)行中來(lái)回尋找定位點(diǎn)將造成機(jī)床振蕩抖動(dòng)，零件表面相應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)波紋，粗糙度下降。因此需要對(duì)A/C軸進(jìn)行定位精度（P）和重復(fù)定位精度（Psmax）檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。
表1：A/C軸的定位精度和重復(fù)定位精度
從表1可以看到，該機(jī)床的A/C軸的定位精度和重復(fù)定位精度都滿足機(jī)床的出廠精度要求，同時(shí)A/C軸的反向間隙也滿足要求。因此表面粗糙度由A/C軸的定位精度和重復(fù)定位精度造成的可能性可以排除。
（2）A/C軸圓度測(cè)試。圓度誤差是各種誤差中非常重要的一項(xiàng)數(shù)據(jù)，圓度誤差是回轉(zhuǎn)體在正截面上的實(shí)際輪廓對(duì)比于理想圓的變動(dòng)量，數(shù)控機(jī)床的圓度誤差對(duì)數(shù)控機(jī)床的功能和精度有直接影響。該機(jī)床采用的是FIDIAC20數(shù)控系統(tǒng)，利用系統(tǒng)自帶的圓度檢測(cè)功能（ERCI）可以對(duì)坐標(biāo)軸進(jìn)行圓度檢測(cè)。
按數(shù)控系統(tǒng)要求進(jìn)行A/C軸圓度測(cè)試的相關(guān)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置好后進(jìn)行A/C圓度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。
圖5：A/C軸圓度測(cè)試
從A/C軸圓度測(cè)試結(jié)果看，A/C軸進(jìn)行圓度測(cè)試時(shí)A/C的圓度曲線均勻，各象限圖形沒(méi)有明顯的畸變或過(guò)沖，圓度測(cè)試滿足要求，A/C軸運(yùn)動(dòng)時(shí)沒(méi)有振動(dòng)，機(jī)械性能沒(méi)有明顯缺陷，A/C軸機(jī)械性能滿足要求。
（3）A/C軸伺服優(yōu)化測(cè)試。如果速度環(huán)、位置環(huán)的增益設(shè)定值較大，系統(tǒng)響應(yīng)就較快，能夠較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，機(jī)床加工時(shí)零件表面質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)提高。為測(cè)試表面粗糙度超差是否是有A/C軸的速度環(huán)、位置環(huán)的增益設(shè)定值小，響應(yīng)速度慢引起，可以增加A/C軸的速度環(huán)、位置環(huán)增益（見(jiàn)表2）。
表2：A/C軸的速度環(huán)、位置環(huán)增益
A/C軸的速度環(huán)、位置環(huán)的增益設(shè)定值為2.0、2.3時(shí)進(jìn)行加工測(cè)試，加工的零件表面粗糙度沒(méi)有明顯改善；繼續(xù)增加速度環(huán)、位置環(huán)的增益至2.3、2.8時(shí)A/C軸電機(jī)開(kāi)始嘯叫抖動(dòng)，因此速度環(huán)、位置環(huán)的增益不能繼續(xù)加大，要相應(yīng)降低增益值，增益值的設(shè)定一般是機(jī)床軸開(kāi)始嘯叫抖動(dòng)時(shí)增益值的80%為宜。因此，可以認(rèn)為零件表面粗糙度問(wèn)題不是由A/C軸的速度環(huán)、位置環(huán)的增益引起。
（4）NAS 三軸試件試切。A/C軸的定位精度、圓度和伺服優(yōu)化測(cè)試結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，為確認(rèn)零件表面粗糙度超差是否由五軸頭引起，可以進(jìn)行NAS三軸試件試切，把五軸頭鎖定加工。加工的三軸NAS試件結(jié)果如圖6所示。
圖6：三軸NAS件
從圖6可以看到，三軸NAS的外圓、正方形的邊波紋嚴(yán)重，表面粗糙度嚴(yán)重超差。由于三軸NAS加工時(shí)A/C軸不參與運(yùn)行，但試件還是出現(xiàn)表面粗糙度嚴(yán)重超差，因此表面粗糙度嚴(yán)重超差由五軸頭造成的可能性可以排除，五軸頭的技術(shù)性能符合要求，表面粗糙度嚴(yán)重超差是由其他坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)引起。
4、X/X1軸龍門(mén)同步超差導(dǎo)致
表面粗糙度差大型數(shù)控龍門(mén)加工中心的龍門(mén)軸由主動(dòng)軸（X）和從動(dòng)軸（X1）組成，X/X1通過(guò)龍門(mén)（橫梁（Y軸）機(jī)械連接，應(yīng)用龍門(mén)同步技術(shù)進(jìn)行控制。X/X1的同步誤差一般要控制在0.015mm以內(nèi)，如果龍門(mén)同步誤差過(guò)大，X/X1軸運(yùn)行不同步，會(huì)造成橫梁扭曲，X/X1伺服電機(jī)過(guò)流，機(jī)床出現(xiàn)振動(dòng)等后果。
機(jī)床運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)，加工的零件表面就不可避免會(huì)出現(xiàn)波紋等問(wèn)題。為確認(rèn)該機(jī)床的龍門(mén)同步是否在要求的誤差范圍內(nèi)，進(jìn)行龍門(mén)同步檢測(cè)。利用數(shù)控系統(tǒng)的龍門(mén)同步功能，檢測(cè)龍門(mén)同步情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該機(jī)床的X/X1同步誤差只有0.009mm，同步誤差在容許的誤差范圍內(nèi)。因此，該機(jī)床加工零件表面粗糙度超差的問(wèn)題不是由龍門(mén)同步誤差引起。
5、機(jī)械部件磨損，機(jī)械剛性
下降導(dǎo)致機(jī)床振動(dòng)，零件表面粗超度差由于該機(jī)床的A/C軸情況良好，同時(shí)X/X1龍門(mén)同步誤差很小，不會(huì)造成零件加工出現(xiàn)波紋，因此出現(xiàn)表面粗糙度差的原因可能是由X/Y軸的問(wèn)題導(dǎo)致。為檢測(cè)X/Y的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)情況，可以進(jìn)行X/Y軸圓度測(cè)試，參數(shù)設(shè)置如下：進(jìn)給速度：F=4000mm/min，圓半徑R=100mm，插補(bǔ)軸:X、Y。X/Y進(jìn)行圓度測(cè)試后，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。
圖7：X/Y軸圓度測(cè)試
從X/Y圓度測(cè)試的結(jié)果可以看到，在一、三象限(即X軸方向)有明顯的振蕩，同時(shí)在X軸運(yùn)行時(shí)用手觸摸機(jī)床，可以感受到機(jī)床有輕微的抖動(dòng)，因此可以認(rèn)為零件表面粗糙度超差是由X軸的問(wèn)題導(dǎo)致。該機(jī)床各軸采用的機(jī)械傳動(dòng)是滾珠絲杠傳動(dòng)，滾珠絲杠是機(jī)械傳動(dòng)的關(guān)鍵部件，如果磨損大，將導(dǎo)致滾珠絲杠和絲母間隙增大，超過(guò)一定的范圍就會(huì)導(dǎo)致坐標(biāo)軸精確定位困難。當(dāng)機(jī)床采用全閉環(huán)位置反饋時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)是根據(jù)光柵尺的位置反饋進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如果絲杠間隙過(guò)大，機(jī)械接觸剛性下降，主軸加工受力后，那么機(jī)床無(wú)法精確定位，就會(huì)在定位的位置附近來(lái)回尋找位置。機(jī)床在高速運(yùn)行狀態(tài)下來(lái)回尋找定位位置必然會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)，形成系統(tǒng)振蕩，表現(xiàn)在零件上就是零件表面出現(xiàn)波紋等。為確認(rèn)X軸絲杠的磨損程度，可以人為地讓X/X1的龍門(mén)同步誤差加大，使橫梁稍微扭曲，絲母和絲杠接觸緊密，消除絲杠和絲母間隙。讓X/X1軸同步誤差分別是0.015mm、0.025mm、035mm進(jìn)行測(cè)試，在同步誤差在0.035mm時(shí)X/X1軸的振動(dòng)消除，進(jìn)行圓度測(cè)試（見(jiàn)圖8），結(jié)果如下：
圖8：X/Y圓度測(cè)試
從圓度測(cè)試的圖形結(jié)果可以看到，人為使橫梁（龍門(mén)）扭曲以后，消除絲杠與絲母間隙，圓度測(cè)試正常。因此可以最終確認(rèn)該機(jī)床零件表面粗糙度超差是由于X/X1軸的絲杠磨損，間隙加大導(dǎo)致機(jī)械剛性下降導(dǎo)致。根據(jù)以上測(cè)試的結(jié)果，更換X/X1絲杠，速度環(huán)和位置環(huán)參數(shù)重新優(yōu)化，使機(jī)床電氣特性與新絲杠的機(jī)械特性匹配。同時(shí)因?yàn)楦鼡Q了絲杠，絲杠與坐標(biāo)軸的定位精度直接相關(guān)，所以要進(jìn)行激光螺距定位精度校正和補(bǔ)償。在做完X/X1絲杠更換、速度環(huán)、位置環(huán)優(yōu)化調(diào)整以及定位精度激光螺距校正、補(bǔ)償后，機(jī)床進(jìn)行試加工，加工結(jié)果如圖9所示，零件表面光滑，波紋消除，表面粗糙度符合要求。
圖9：試切件
6、結(jié)束語(yǔ)
造成零件加工時(shí)表面粗糙度差的原因比較多，解決問(wèn)題難度較大，需要從編程、加工方法、加工參數(shù)、電氣和機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)分析入手，根據(jù)具體情況，分別對(duì)機(jī)床電氣、機(jī)械、數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整，才能找到問(wèn)題的根源，取得比較好的效果
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點(diǎn)
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年1月 新能源汽車(chē)銷量情況
- 2024年12月 新能源汽車(chē)產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 基本型乘用車(chē)（轎車(chē)）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 軸承出口情況
- 2024年12月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 軸承出口情況
- 2024年11月 基本型乘用車(chē)（轎車(chē)）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車(chē)產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車(chē)銷量情況
- 2024年10月 新能源汽車(chē)產(chǎn)量數(shù)據(jù)
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過(guò)程圖示
- 判斷一臺(tái)加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
- 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國(guó)的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營(yíng)銷，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時(shí)代，少談點(diǎn)智造，多談點(diǎn)制造
- 現(xiàn)實(shí)面前，國(guó)人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車(chē)床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車(chē)床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計(jì)
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別