立式加工中心加工曲面轮廓变形的原因分析

摘 要 本文主要以我公司生产的涡旋盘为例，阐述影响其变形的几种原因及处理方法。

关键词 曲面加工；涡旋盘；立式加工中心；轮廓度

中图分类号：TG76 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-114-02

数控加工中心加工曲面时可能会出现实际加工轮廓变形的现象，我公司加工涡旋盘使用立式加工中心较多，型号NV5000，设备配置FANUC 0i-MC系统和驱动系统，三轴联动，可实现各种复杂曲面的加工。但是涡旋盘侧壁轮廓度经常出现变形的情况，而其轮廓度是影响压缩机整机性能的重要指标，所以这个问题不容忽视。

1 设备水平对加工曲面轮廓的影响

1.1 异常状况

公司内某立式加工中心加工涡旋盘时，三座标测量仪测得工件实际轮廓斜45°方向整体变形发生轮廓度变形，第一、三象限轮廓挤压变短，第二、四象限轮廓拉伸变长，形成斜椭圆状轮廓（如图1）。（本文所述的所有轮廓度图形，图中4条曲线，形状不规则的一条是实际测量曲线，另外三条形状规则的曲线，中间一条是理论曲线，另外两条分别是最大允许偏差尺寸和最小允许偏差尺寸。）

1.2 原因分析

出现以上情况后，立即对设备主轴及定位夹具进行评价，主轴各项指标合格，夹具定位面平面度0.012 mm（管理范围0.006 mm），调整至合格范围内后，再加工工件轮廓度变形未见好转。后使用条式水平仪对设备水平状态进行评价，设备静态水平（托盘移动至中心位置测量）X向实测0.02 mm/m，Y向实测0.04 mm/m，未见异常。但在评价设备动态水平后发现，条式水平仪X向放置时，手轮摇动设备Y轴由外向内移动托盘过程中，设备水平状态由左低右高逐渐变化为左高右低，变化值达0.08 mm/m，也就是说此设备的动态水平状态是扭曲的。

至此，初步断定轮廓变形为设备动态水平差异过大所致。因为我公司使用立式加工中心加工动涡旋盘轮廓时，Z轴只转动而无位移，设备通过X、Y轴联动带动工件移动完成切削。X、Y轴移动时，托盘会因设备动态水平的扭曲，导致各加工加工位置与设备主轴的相对状态发生改变，从而影响工件侧壁各处加工不均匀，最终形成轮廓变形。

1.3 处理方法

根据设备动态水平状态调整设备地脚螺钉，将上文所述的变化量控制在0.02 mm/m范围内，并保证手摇Y轴前后移动时，条式水平仪左右高低的方向不改变。再试加工进行测量，工件轮廓变形消失，如图2。

此类轮廓变形的原因大多出现在新购置或移位不久的机床，设备固定不牢靠，首次调整设备水平后，在进行连续加工一段时间的过程中，由于设备自身重力及震动，设备状态会出现微小变化，导致实际加工轮廓偏离理想轨迹，所以在新购置或移位不久的机床，使用初期需要注意加工情况及设备自身状态，适时调整，防止加工出不良工件。

2 导轨精度对加工曲面轮廓的影响

2.1 异常状况

公司内某立式加工中心加工涡旋盘，三座标测量仪测得工件实际轮廓同样在斜45度方向整体变形发生轮廓度不良，第一、三象限轮廓挤压变短，第二、四象限轮廓拉伸变长，形成斜椭圆状轮廓（图3）。

2.2 原因分析

此设备出现轮廓变形前一月，曾更换过全新X轴导轨一副，因此先排除X轴导轨方面的影响。再评价设备主轴、定位夹具无异常后，测量设备静态水平状态也正常。但在评价动态水平过程中仔细观察发现，水平仪X向放置时，手轮摇动Y轴前后缓慢移动，有两段很小的范围内，水平仪显示气泡来回移动明显，变化量大于0.1 mm/m，而Y向前、中、后三点的差异仅0.02 mm/m。

从这种情况来看，设备动态水平并无扭曲现象，而造成Y轴小范围内移动过程中水平仪显示气泡来回移动的原因是Y轴导轨磨损。因为Y轴移动时，前、中、后三点设备水平状态一致，说明动态水平正常，而托盘移动至导轨磨损严重的位置时，托盘便会带动工件随之倾斜，导致工件曲面轮廓变形。

2.3 处理方法

Y轴导轨磨损严重需要及时更换，但因公司内临时无备件，导轨磨损的位置又正好在工件的加工位置，所以暂时将工件定位夹具Y向位置在设备行程允许的范围内移动100 mm，使加工位避开导轨磨损位置，试加工并测量工件轮廓度，有很大改善（图4），短期内可以生产。

在进行单一零件大批量加工的设备使用过程中，导轨长期在某局部范围内移动，磨损不均匀，导致局部磨损严重。这种情况需要在设备使用过程中经常改变工件加工位置，从而有效的延长导轨的使用寿命，同时也能减少加工不良。

3 丝杠反向间隙对加工曲面轮廓的影响

3.1 异常状况

公司内某立式加工中心加工涡旋盘，三座标测量仪测得工件实际轮廓形状异常，有错位现象，如图5。

3.2 原因分析

根据实测轮廓图形看，错位发生在0°和180°的象限交界处，而这正是加工过程中X轴运动方向改变的位置，于是屏蔽设备X轴光栅尺，使之无效，再使用杠杆千分表测得X轴丝杠反向间隙为0.008 mm。由此判断为设备X轴丝杠反向间隙过大导致加工轮廓错位。

3.3 处理方法

根据X轴反向间隙实测值，将参数P1851中X轴设定值由5改为80，参数P1852中X轴设定值由5改为80，试加工并测量工件轮廓度，形状错位现象消失，如图6。

丝杠反向间隙的存在是影响换向点轮廓精度的最主要因素，针对此类问题，FANUC 0i系统可通过调整参数P1851（各轴进给时反向间隙补偿值）和参数P1852（各轴快速移动时反向间隙补偿值）来解决，有时还需调整另外一些参数，比如设定P2003#5为1（反向间隙加速功能有效），再调整参数P2048（反向间隙加速范围值，典型设定为600）、P2071（反向间隙加速有效周期，通常设定为50～100），如果过切，再将参数P2009#7设定为1（使反向间隙加速停止功能有效），调整参数P2082（反向间隙加速停止时间），典型设定为5。

随着社会的进步，机械加工越来越多地使用了数控设备，而数控设备在自动加工曲面轮廓过程中，经常会发生实际轮廓与理论轮廓形状不符的现象。本文介绍了几种影响轮廓度的原因以及处理方法，当然除此之外还有其它一些原因，在生产中要根据实际情况多方面调查并处理，以保证我们的数控机床能加工出理想的曲线轮廓。

参考文献

[1]FANUC Serise 16i/160i/160is-MODEL B B-63525CM/02维修说明书.

[2]FANUC Serise 16i/160i/160is-MB B-63534CM/02操作说明书.

[3]FANUC Serise 16i/160i/160is-MODEL B B-63530EN/03参数说明书.