数控车床的工作者对简式数控车床和全功能数控车床的操作过程中, 他们最关心和关注的就是机床自身的精度 (数控机床的硬件指标) 以及这些指标下的可以保证实现的加工精度。数控机床由诸多功能部件组成, 其中, 尾座是机床中最重要的核心部件之一。
检验机床的一项重要指标就是对数控机床的尾座几何精度的检查。如表1所示, 根据“GB18534数控车床精度检验”标准, 其中允许误差就对数控机床的尾座的要求精度。我们发现, 近期的企业生产的CK3160型号的全功能数控车床系列产品, 在不固定的时间段内, 对机床的整机检验指标-允许误差这项指标的精度不够稳定, 而且就对一台数控机床的使用过程中也存在忽好忽坏的精度问题。为此, 我们对数控机床CK系列产品展开了详细的分析与研究。
1 尾座的主要分件加工精度分析
1.1 尾座套筒的加工精度分析
尾座的套筒外圆的同轴度为0.005mm, 相对于外圆来说, 莫氏锥孔都有有形位上的要求, 这些设备部件主要通过高精度的大型设备来加工制造, 最终目标就是要保证套筒零件的加工精度值。
1.2 对尾座体部件的加工精度分析
其中对尾座体套筒孔平行度 (相对于底面) 、底面的平面度以及对个长的圆度和尺寸公差等均有严格的规定和要求。其中, 为了保证了套筒孔相对于底面的位置精度, 我们引入了精镗工序流程。为了保证底面的平面度, 我们采用了坐标镗床的精镗铣工序来保障其精度要求。同时, 还通过珩磨工序来保证尾座体套筒孔的形状公差与尺寸。
设计的最初我们这样定义, 即要求尾座体和套简的二者之间配置和配合的最大间隙为0.01mm~0.02mm。为了使加工精度均符合图纸要求, 我们需要首先对尾座体进行精确加工。加工合格后, 才能保证尾座体的套筒孔径的精度值达一定的尺寸要求。再以加工好的尾座体的套筒孔径为基础, 配制和制造套筒外径, 这样加工完的尾座体与套简, 经层层测试和检验, 从组件到分件均符合要求。
2 尾座装配结构的分析
一般情况下, 尾座体主要用几个螺栓将其连接在尾座的底板下方。通过螺杆和压板, 尾座底板与床身的导轨一同固定, 由于空间结构的束缚和限制, 在尾座体上紧紧贴着压紧螺母, 由压紧螺母直接压紧和固定。虽然压紧螺母的作用是为了压紧尾座底板, 但最终受力的却是尾座体, 这是由于这个原因最终导致了机床在使用过程回转精度的问题的发生。
3 尾座体的受力分析
3.1 对尾座体的受力状况进行有限元分析
对尾座体的受力状况进行有限元分析, 我们主要采用应用COS MOS Works分析软件。具体步骤如下:首先, 建立尾座体的几何模型, 建立模型主要通过使用Solid Works绘图软件来实现。其次对模型指定材料属性, 主要通过使用COS MOS Works分析软件。最终生成静态分析算例。
3.2 加载力和加载约束
对尾座体的工作状态进行数字化模拟。我们这样定义:加载力, 即在尾座体受力的位置中心, 按照软件的流程和要求加入与实际受力量大小相当的力;加载约束即在工作过程中, 对尾座体相对不动的面定义为固定面的过程。
3.3 受力求解分析
采用COS MOS Works分析软件, 对有限元模型进行力学模拟分析, 尾座体的部分区域发生了扭曲和变形, 问题严重。这说明:尾座被装配到机床上后, 由于尾座体的受力, 使其自身扭曲、变形, 其中套筒安装孔和底面都在长向上也随之发生了形变。
3.4 结论
通过以上的模拟和分析, 笔者认为当尾座被安装至机床后, 其几何精度 (物理精度) 的误差是由于尾座的不合理组织结构所导致。套筒与尾座体二者在没有装配到机床之前, 其所有加工精度的指标是符合要求的。由于没有外力的作用, 其身不会产生形变, 因此, 此时机床的加工精度会在小范围内变化, 套筒与尾座体二者相对运动灵活, 各自完成各自的功能。但是, 当尾座体按结构装夹后, 为了将尾座体夹紧、固定在尾座底板上, 尾座体自身受到了四周夹紧力的作用。这就直接导致了尾座体的行变, 就连套筒也受其影响, 产生物理变形, 因此致使套筒与尾座二者的配合受到阻滞, 使得范围内的几何精度无法得到保证, 如表1所示的。
4 尾座的装配结构改进
通过第3节的分析, 我们找到了机床尾座体变形、几何精度得不到保障的原因。为了使尾座体装配至机床后不发生以上的形变, 最简单和直接的方法就是使得尾座体在工作状态过程中, 不受力的作用。经过对比和分析, 我们在尾座体上增加了空心套与平垫的方法。空心套和平垫的使用, 使得螺母通过螺杆旋紧在空心套上, 而不是尾座体。直接受力的物体是空心套, 这样使尾座底板即固定在床身导轨上的, 也达到了目的。
5 装置改进后的效果
通过空心套与平垫的引入, 使得前面的问题迎刃而解。并且采用了新结构的夹紧装置, 尾座装配至机床后, 尾座体无物理上变化, 尾座体与套筒二者的相对运动顺畅, 最重要的是保证了数控机床的几何精度, 保证了机床的整机性能, 销售市场得到稳定。
摘要：本文认真分析了数控车床的各个装配组件的零件加工精度, 尤其对数控车床尾座体的应用执行软件 (COS MOS Works) 做了精确的有限元研究, 找到了其回转精度不稳定的内在原因, 同时对数控车床尾座体进行了新的设计和改进, 解决了数控机床尾座体在生产和工作中的实际问题, 意义重大。
关键词：COS MOS Works,数控车床尾座体,回转精度
参考文献
[1] 张晓齐, 李贵群.机械设计[M].北京:电子工业出版社, 2009.