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五坐標龍門加工中心加工零件表麵（miàn）粗糙度差的原（yuán）因分析

2020-12-14 來源（yuán）：昌河飛機工業（集團）有限責任（rèn）公司作者：林超（chāo）青

摘要：公司一台五坐（zuò）標龍門加（jiā）工中心在加工時零（líng）件表麵波紋嚴重（chóng），表麵粗糙度嚴重超（chāo）差，無法滿足工藝要求（qiú）。零件表麵粗糙度差的成因比較（jiào）多，解決難度大，本（běn）文（wén）對該（gāi）機床零件加工表麵粗（cū）糙度差的原因和處理措施進行一些探討。

1、問題分析

某五（wǔ）坐標高速龍門加工中心前期進（jìn）行了五軸頭（tóu）翻新大修，機械及（jí）電氣部件均有（yǒu）更新，在零件試加（jiā）工過程中發現，加工的零件表麵波紋嚴重（見圖1），表（biǎo）麵粗糙度極差，完（wán）全無法滿足（zú）工藝表麵粗糙度的技術（shù）要求。

圖1：表麵波紋嚴重的零件（jiàn）

零件加工表（biǎo）麵粗糙度差（chà）的原因比較（jiào）多，零件加工程（chéng）序編製不良或機械部（bù）件（jiàn）磨損，運動部件的間（jiān）隙增大（dà），機械剛性下降，龍門（mén）同（tóng）步超差，電氣參數與機（jī）械部件的機（jī）械特性不匹（pǐ）配，伺服優化不好等因素，都會導致坐標軸運動時無法快速準確定位。機床來回尋找定位位置導致伺服係統振蕩或（huò）係統電（diàn）氣響應速度慢，造成零件加工表麵出現波紋，表麵（miàn）粗糙度超差。電（diàn）氣調試和伺服優化主（zhǔ）要（yào）是針對機床的三環控製係統進行（見圖2）。

圖（tú）2：機床三環控製

從圖2可以看出，機床電氣特性一般包括三環特性，由一係列電氣參數設定，比如速度環、位置環增益等。如果速度環、位置環（huán）的增益設（shè）定（dìng）值較大，係統響應就較快，能夠較（jiào）快達到穩定狀（zhuàng）態，機床（chuáng）加工時零件表麵質量也會相應提高。但是如果速度環、位置環的（de）增益（yì）設定值太高，就會造成係統振蕩，無法達到穩定狀態，機床出現抖動，電機嘯叫，加工時零件表麵出現（xiàn）波紋；速度環、位置環的增益（yì）設定值過小，則機（jī）床（chuáng）響應速度降低，零件加工時表麵也會出現波紋。圖3是指令響應及穩定過程。

圖3：指令響應示意圖

因此，解決此類問題需要從電氣和（hé）機械兩方麵綜（zōng）合分析，才能最終找到問題所在。

2、零（líng）件加工程序編製策略不符合機床加工特性

圖（tú）1零（líng）件是用來檢測機床五軸加工性能（néng）是否良好由使用部門自行製定的一個通用（yòng）試切件，試切加工時沒（méi）有針（zhēn）對本機結構及特性進行專門的程序編製（zhì）和（hé）優化，該（gāi）零件加工程序編（biān）製和加工參數是否符（fú）合本機特（tè）性，零件試切結果是（shì）否合適存在爭議。為確認表麵粗（cū）糙度差的原（yuán）因是否由於零件加（jiā）工程（chéng）序編製策略造成，於是使用五坐標機（jī）床驗（yàn）收（shōu）標準中通用的NAS試切（qiē）件和程（chéng）序、參數（shù）進行試切加工，加工（gōng）結果如圖4所示。從（cóng）NAS試切件可以看（kàn）到，零（líng）件表麵粗糙度有顯著改善，但是表麵的波紋依然比較嚴重，所（suǒ）以可以認（rèn）為零件程序編製和加工參數不是該機（jī）床零件表麵粗糙度差的主要原因，而是機床自身問題導（dǎo）致零（líng）件表麵粗糙（cāo）度嚴重超差。

圖4：NAS五軸試切件

3、五軸頭機（jī）械特性與（yǔ）原電氣

特性不匹配該機床的五軸頭前期（qī）剛進（jìn）行大修翻新，伺服電機、傳動部件、軸承、編碼器（qì）等全部更換，部件裝配麵（miàn）全部進行刮研校（xiào）正，如果該大修翻新的技術指標（biāo）達不到要求（qiú）或電（diàn）氣特性（xìng）不匹（pǐ）配，零件加工也會相（xiàng）應出現各種問題。為確認表麵粗糙度差是否是由（yóu）五軸頭（tóu）造成，可進（jìn）行一係列測試。

（1）A/C軸（zhóu）定（dìng）位精（jīng）度檢測。數控機床坐標軸的定位精度（dù）和重複定位精度直接關係（xì）到零件加工的質量，該（gāi）機床五軸頭進行過翻新大修，如果A/C軸定位精度（P）和重複定位精度（Psmax）不好，坐標軸在快速運（yùn）行中來回尋找定位點將造成機（jī）床振蕩抖動（dòng），零件表麵相（xiàng）應就會出現波紋，粗糙度下降。因此需要對A/C軸進行定位精度（P）和重複定位精度（Psmax）檢測，結果見表1。

表1：A/C軸的定（dìng）位精度和重複定（dìng）位精度

從表1可以看（kàn）到，該機床的A/C軸的定位精度和重複定位精度都滿足機床的出廠精度要求，同時A/C軸的反向間（jiān）隙也滿足要求。因（yīn）此表麵粗糙度由A/C軸（zhóu）的定位精度和重複（fù）定位精（jīng）度造成的可能性可以排除。

（2）A/C軸圓度（dù）測試。圓度誤差是各種誤差中非常重要的一項數據，圓度誤差是回轉體在正截（jié）麵上的實際輪廓對比於理想圓的（de）變動量，數控機床的圓度誤差對數控（kòng）機床的（de）功能和精度有直接影響。該機床（chuáng）采（cǎi）用的（de）是FIDIAC20數控係（xì）統，利用係統（tǒng）自帶的圓度檢測（cè）功能（ERCI）可以對坐標軸進（jìn）行圓度檢測。

按數控係統要求進行A/C軸圓度測試的（de）相關設置（zhì），參數設置好後進行A/C圓度測試，測試結（jié）果如圖5所示。

圖5：A/C軸圓度測試

從A/C軸圓（yuán）度測試結（jié）果看（kàn），A/C軸（zhóu）進行圓度測試時A/C的圓（yuán）度曲線均勻，各（gè）象限圖形沒有明（míng）顯的畸變或過衝，圓度測試滿足要求，A/C軸運（yùn）動時沒有（yǒu）振動，機械性能沒（méi）有（yǒu）明顯缺陷，A/C軸機械性能滿足要求。

（3）A/C軸伺服優化（huà）測試。如果速度（dù）環（huán）、位置環的增益設定值較大，係統響應就較快，能夠較快達到穩定狀（zhuàng）態（tài），機床（chuáng）加工時零件表麵質量也會相應提高。為（wéi）測試表麵粗糙度超差是否是有A/C軸的速（sù）度環、位置環的增益設定值小，響應速度慢引起（qǐ），可以增加A/C軸（zhóu）的速度環、位置環增益（見（jiàn）表2）。

表2：A/C軸的速（sù）度環、位置環增益

A/C軸的（de）速度環、位置環的增益設（shè）定值為2.0、2.3時進行（háng）加（jiā）工測試，加工的零件表麵粗糙度沒（méi）有明顯改善；繼續增加速度環、位置環的增益至（zhì）2.3、2.8時A/C軸電機開始嘯（xiào）叫抖動（dòng），因此速度（dù）環、位置環的增益不能繼（jì）續加大，要相（xiàng）應降低增益值，增益值的設定（dìng）一般是機床軸開始嘯叫抖動時增益值的80%為宜。因此，可以認為（wéi）零件表麵粗糙度問題不是由（yóu）A/C軸的速（sù）度環（huán）、位置環的（de）增益引（yǐn）起。

（4）NAS 三（sān）軸試件試切。A/C軸的定位精度、圓度和伺服優化測試結果沒有發現問題，為確認零件表麵粗（cū）糙度超差（chà）是否由五軸頭引起，可以（yǐ）進行NAS三軸試件試切，把五軸頭鎖定加工。加工的三（sān）軸NAS試（shì）件結（jié）果如圖6所示。

圖（tú）6：三軸NAS件

從圖6可以看（kàn）到，三軸NAS的外圓（yuán）、正（zhèng）方形的邊（biān）波紋嚴重，表麵粗糙度嚴重超差。由於三軸NAS加工時A/C軸不參與運行，但試件還是出（chū）現表麵粗糙度嚴重超差，因此表麵粗糙度嚴重超差由五軸頭（tóu）造成的可能（néng）性可以排除，五軸頭的技術性能符合要求，表麵粗（cū）糙度嚴重超差是由其他坐標軸運動引起（qǐ）。

4、X/X1軸龍門同步超差導致

表麵粗糙度差大型數控龍（lóng）門加工中（zhōng）心的龍門軸由（yóu）主動軸（X）和從動軸（X1）組成，X/X1通過（guò）龍門（橫梁（Y軸）機械連接，應用龍門（mén）同步技術進行控製。X/X1的同步誤差（chà）一般要控製（zhì）在0.015mm以內，如果龍門同步誤差過大，X/X1軸運行不（bú）同步，會（huì）造（zào）成橫（héng）梁扭曲（qǔ），X/X1伺服（fú）電機過（guò）流，機床（chuáng）出現振動等後果。

機（jī）床運行中出現（xiàn）振（zhèn）動，加工（gōng）的零件表麵（miàn）就不可避免會出現波紋等問題。為確（què）認該機床的（de）龍門同步是否在（zài）要求的誤差範圍內，進行龍門同步檢測。利用數控係（xì）統（tǒng）的龍門同（tóng）步（bù）功能，檢測（cè）龍門同步情況，結果發現該機床（chuáng）的X/X1同步誤差（chà）隻有0.009mm，同步誤差在（zài）容許的誤差範圍內。因此，該機床加工零件表麵粗糙度超差（chà）的（de）問題不是（shì）由龍（lóng）門同步誤差引起（qǐ）。

5、機械部件磨（mó）損，機械剛性

下降導致機床振動，零件表麵粗超度差由於該機床的A/C軸情況良好，同時X/X1龍門同步誤差很小，不會造成零件加工出現波紋，因此出現表麵粗糙度差的原（yuán）因可能是由X/Y軸的問（wèn）題（tí）導致。為檢（jiǎn）測X/Y的插（chā）補運動情況，可以進行X/Y軸（zhóu）圓度測試，參（cān）數設（shè）置如下：進給速度：F=4000mm/min，圓半徑R=100mm，插補軸:X、Y。X/Y進行圓（yuán）度測試（shì）後，測試結果如圖7所示。

圖7：X/Y軸圓度測試

從X/Y圓度測試的結果可以看到，在（zài）一、三象限(即X軸方向)有明顯的（de）振蕩，同時在X軸運行時用手觸摸機床，可以感（gǎn）受到機床有輕微的抖動，因此可以認為零件表麵粗糙度超差是由X軸的問題（tí）導（dǎo）致。該機床各軸（zhóu）采用的機械傳動是滾珠絲杠傳動，滾珠絲杠（gàng）是機械傳動的關鍵部件，如果磨損大，將導致滾珠絲杠和絲母間（jiān）隙增（zēng）大，超過一定的（de）範圍就會導致坐標軸精確定位困難。當機床采用全閉環位置反饋時，數控（kòng）係統（tǒng）是（shì）根據光柵尺（chǐ）的位置反饋進行數據處理，如（rú）果絲杠間隙過大，機械接觸剛性下降，主軸加工受力後，那麽機床無法精確定位，就（jiù）會在定（dìng）位的位置附近來回尋找位置（zhì）。機床在高速（sù）運行（háng）狀態下來回尋找定位位（wèi）置必然會導致振動，形成（chéng）係統（tǒng）振蕩，表現在（zài）零件上（shàng）就是零件表麵出（chū）現波紋等。為確認X軸絲杠的磨損程度，可以人為地讓（ràng）X/X1的龍門同步誤差加大，使橫梁稍微扭曲，絲母和絲杠接（jiē）觸緊密，消除絲杠和絲母（mǔ）間隙。讓X/X1軸同步（bù）誤差分別是0.015mm、0.025mm、035mm進行測試（shì），在同步（bù）誤差在0.035mm時X/X1軸的振動消除，進行圓度測試（見圖8），結果（guǒ）如下：

圖8：X/Y圓度測試

從圓度測試的圖形結果可以看（kàn）到，人為使橫梁（liáng）（龍門）扭曲（qǔ）以（yǐ）後，消除絲杠與絲母間隙，圓度測試正常。因此可以最終確認該（gāi）機床零件（jiàn）表麵粗糙度超差是由於X/X1軸的絲杠磨損，間隙加大導致機械剛性下降（jiàng）導致。根據以上測試的結果，更（gèng）換（huàn）X/X1絲杠，速度環和位置環參數重新優化，使機床電氣特性與新絲杠的（de）機械特性匹配。同時因為更換了絲杠，絲杠與坐標軸的（de）定位精度（dù）直接相關，所以要進（jìn）行激光螺（luó）距定位精度校正和補（bǔ）償。在做完X/X1絲杠更換、速度環、位置環優化調整以（yǐ）及定位精度激光螺距校正、補償後，機床進行試加工，加工結果如圖9所示，零件表（biǎo）麵光滑，波紋消除，表麵粗糙度符合要求。

圖9：試切件

6、結（jié）束語

造（zào）成零件加工時表麵粗糙度（dù）差的原因（yīn）比（bǐ）較多，解決問題（tí）難度較大（dà），需要從編程、加（jiā）工方法、加工參數、電氣和機床機（jī）械結構分析入（rù）手，根據（jù）具體情況，分別對機床電氣、機械、數控係統（tǒng）進行測試和調整，才能找（zhǎo）到問題的根源，取得比較（jiào）好的效果

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