平均效应在精密机械加工中地基础应用

【doc】平均效应在精密机械加工中的应用平均效应在精密机械加工中的应用平均效应在精密机械加工中的应用上海科学技术大学夏沪生提要平均效益在精密机械装构设计中已被广泛采用.本文拟向从事精密和超精密加工技术工作的广大工艺人员推荐运用简便,有效的平均鼓应原羁研制或加工高精度偶件的方怯.机器制造过程中不合理的装配会导致相关件的装配误差大于零件的单元误差.若要提高装配精度,必须提高相关零件的加工精度,这会给精密工艺装备和精密仪器的制造带来很大困难六十年代以来,广泛地采用了平均效应原理进行结构设计备勺趋向,诺如液体静压轴承或导轨,空气静压轴承或导轨,密珠回转轴承,密珠移动导轨,端两多齿分度盘,精密丝杠副,球面蜗杆副,长光栅尺与圆光栅盘等而在加工领域申却有待积极推广这一原理.所谓平均效应甄理,就是把单个较大定位误差起作沼的单元发展成为均亿后多个定位混差同时起作用的系统,使整个系统的精度高于单个零件的制造精度保证了精密偶件间互为基准的要求为精密零件的制造创造了有利条件.本文就平均效应均化加工误差在加工中的应用,举例讨论.一,平均效应在多面棱体(简称多面体)加工中的应用众所周知,多面体己广泛地应用于高速摄影机和检测仪中,这是因为多面体与其它角度基准件相比,具有不要求与被测零件保持严格同心的特点.多面体的精度要求较高,例如36面体的角度精度,其累积误差不得超过3秒.多面体的加工过程,实质上是误差平均的过程.它利用圆分度误差封闭性的特点设计制造一套结构简单,操作方便的加工或测量装置并借助操作者实际工作技能完成的.这里介绍种采用通甩的精密量仪及工具加工多面体的方法.?棚'多面体加工的主要工作量及精度获得是在研磨工艺上,其中修正研磨和测量是交替进行的.舍去多面体的塔差,棱面平面度和表面粗糙度的修研,测量方法不言扼要介绍角度精度的修研和测量方法.1.中心角误差f设自多面体内某一点O引至多面体各个面的垂线为法线.在理想状态下各相邻两法线所夹的中心角为,怕为面数如图1所示.由"-一于加工误差的存在,使相邻两条法线所夹的中心角相对于理论中心宿萼)二有偏差以,AO…一,A0.根据圆分度误差的封闭性【j]知全封闭角度系统(羔++(++--?+f+1—360.即:?一A0x十2十……+以一O(1)同理:所夹中心角乏和等于18o.时,称半周封闭角度系统中心角之和等于0o.时,称直图工角封闭角度系统等,并且仍然有?目一0曲特点.2.法线偏差由图1可知,若选定一条法线O—0为基准并以逆时针方向为角度的计算方向,每一条法线对于理论位置的偏差叫做法线偏差.盘j果第根法线与理论位置偏离了一个角度.刚与计算方向同向的法线偏差为正,反之为负.相邻两根法绂的法线偏差,就是这两根法经所夹的中心角误差.因此修正中心角误着,只需要修研每一个平面的法线相对基准法!的位置偏差,亦即每个平面的法线相对基准法线的位置都对了.其中心角也就对了.3.测量与修研过程修正研磨加工必须以测盈敛仁为依据从中确定修正那些棱面,修研多步角度.常见的测量装置有:自准直仪与光学转台或机械转台组成的测量装置,高精度多齿分皮盘测量装置;标准平板与直角框架,千分表所经成的直角测量装置(图2)等.下面真准直仪与光学转台组成的测量装置,加工正八面体为例说明其过程..譬21一工{牛2一千分丧事一框架首先对八面体逐次等分(中心角误差也随之均分).因为8一得三次两等分:即360.等分成二个18o,180.等分成二个9O.,9O.等分成二个45..第一步:将360.等分戊二十18o如图3所曩.将I,II两只自椎直议安置在同一直线的A,B两个相对位置上,I为定位,II用于读数.先使1面对准I,用II读出6面的读数;光学转台回转18O.,使6面对准I,从II读出1面的读数由于两只自准直仪之间的图3安置可能有角偏差存在,所以+巩常不为零设两自准直仪问的安置角偏差为?,面5相对面1和面1相对砥5的加工角偏差分别为以一5和5—1,则:一1—5一?(2)一5—1一?(3)两式捅得?目一占+一(A以一5+一i)一2o,,因A1—5+一1—0故:一(4)它表明测量装置的安置角偏差等于两次读数灼平均值但符号相反.将式(4)代入式(2)和(3)分剐得工件的加工角偏差口一和A旦(5)巩一堕(6)按测得的偏差修研,使1面和5面之闻的角度,达到180.间所允许的误差值以内.!一第二步:将180.等分成二个9.仍使1面对准I,将自准直仪?搬移到与位置A成9o.角的位置a(图3),由II读出3酉的读数8i.转动光学转台使3面对准I,用II读出5面的读数8.若8一8则表示180已被等分成二个9O..若8?8,则测量装置仍有安置角偏差m一一』.代入式(2)和(3)后分别得工件角偏差81—8和88As一;s一=;.:i;.(7)(8)?53'按同样方法,逐步修研面3与7,使其所夹的中心角均达到9O间的允许偏差范围内.第三步:把0O.等分成二个45.自准直仪I不动使l面对准I,工工搬到与位置A成45.角的位置上(图3),由II读出2面的读数封,再转动光学转台使2面对准I,从II读出3面的读数按上述计算求出角偏差,精心修研面2以及按相似步骤精心研修面4,6和8直至全部中心角偏差在允许范围内为止.多面体的累积误差,是最大正值的法线偏差与最大负值的法线偏差绝对值之和.二,平均效应在高精度丝杠副加工中的应用在超精密切削加工,超精密测量等高技术领域中,诸如金刚石刀精密车床,光栅刻划机,精密测量仪,三座标测量机,座标镗床等的微量进给机构中,都有高精度丝杠传动副的应用.制造高精度丝杠的典型工艺是精密螺纹磨削和精密研磨修正.研磨修正是使精密偶件相互研台即先用研具与丝杠啮台研磨,然后用工作螺母与丝杠跑台研磨,充分应用平均效应作用,将使丝杠上存在的各种较大误差均化为无数个极小误差起作用.从图4可见,丝杠螺旋面的波峰与研具螺旋面相接触,若螺距P小,则摩擦阻力j,大,其研磨量也大.反之,螺距大,则摩擦阻力小,研磨量小.经过反复研磨,使大小螺距的尺寸趋于平均值,螺距的误差也随之均化而逐渐减小.通常,修研后的丝杠副误差比研磨前的加工误差减小6,1O倍,甚至数十倍.l一丝杠2一研窘螺母闰4精密丝杠剐的修研过程如—Fl1.研具与工艺装备?54?研具一般由材料为灰'铸铁HT20—4O的研磨螺母和工作螺母组成.研磨螺母主要用于粗,精研磨,以提高丝杠的加工精度工作螺母用来进一步提高精密偶件间的接触精度和表面光洁度.研磨螺母根据使用要求可分为多种形式,如图5所示.长研磨螺母(长度约为丝杠螺纹部分的三分之一)主要修研丝杠的综台性误差;短研磨螺母L长度约为丝杠螺纹部分的六分之一)用于修研丝杠的局部误差{对于局部性小误差也可采用图5(0)所示的三点研磨螺母进行修研,A,B,a研磨点的配置,既可均布,也可按需配置.日日()(6)(c)(整体开口式长研膏母)割分式短研磨螺母(c)三点研唐螺母图5由于螺纹研磨充分地应用了平均效应原理,其加工精度的获得并不依赖于工艺装备的遗传精度,所以对工艺装备的精度要求不高.图6所示的研磨机床是由一台普通车床改制的.为了消除研具园自重对丝杠修研加工的影响,在车床上设鼍有重力平衡装置.1一墼扛2一研磨螺母8一重力平衡装置图62.螺纹修研过程螺纹修研过程的周期疑,对恒温要求高,是一项耐心和细致的作业粗研的目的,是初步修正螺纹磨削加工时的综合误差及磨削痕迹.修研过程中应不断地调整螺母的紧,松程度.经过一段时间的研磨,手感摩擦力比较均匀,全部螺纹面呈暗灰色,即可洗净,测量.如果局部误差较大,可用短研瞎(下转第34页)平衡阀不会被打开.另外平衡油缸的活塞与油缸配台间隙为0.O4,0.08mm,虽有两只软质O型密封圈防泄漏,但实际上,在3.53.2MPa油压下泄漏量为0.]60m/日?.由此得泄漏的油能使点动进给造成的平衡阀阕芯偏移在半秒钟内得到复位.4.电接点压力表上,下限间指针跳动频率核算尽管我们在平衡系统中放了两只蓄能器.但实测得,当系统泄漏量达0.3,O.5ore0时即使油压从3.5MPa下降到3.2MPa.即每隔3,4秒后电接点压力表需发讯补偿平衡油缸泄漏损耗液油(同时弥补压力损失),使液压平衡始终能精确保持与磨头,拖板自重量相平衡.在用户使用液压平衡系统的机床上实测YX一150上,下限电接点压力表的吸合频率为每分钟16次.符台计算届正常情况.5.平衡阔的响应性能设计,为使磨头快速升降时平衡阀能及时打开工作.必须使平衡阀有足够的灵敏度,而平衡阀移动灵敏度取决于平衡弹簧刚度.我们设定当弹簧受到31N(即相当于滑阕两端压力差为0.1MPa)时即能被压缩6?m,使排油口打开.使用证明这样完全能保证磨头在正常下降时平衡阀立即被打开溢流回油.进一步提高液压平衡系统性能的方向.由上述计算可见,平衡油缸目前间隙泄漏是较大的,导致平衡阀不能充分发挥作用,电接点压力表作用频率高,易损坏.如果能提高工艺制造水平,把平衡油缸活塞间隙由0.04,0.08mm减小到0.0lmm左右,使泄漏量大大减少.这首先将使电接点压力表工作频率大为下降同时将使平衡阀的滑阀保持在排油孔槽逝灵敏抖动,使平衡阀充分发挥作用,但这将对平衡弹簧稳定性提出高质量要求.还由于取消了平衡活塞上的橡胶O形密封圈,油缸活塞运动阻力大为减小,灵敏度大大增加.另一方面由于平衡油缸间隙极小,平衡油缸的铰链联接须保证不能使活塞倾轧,需改柔性联接.这都将有待于在不断提高技术水平发展中得以实施.(上接第54页)螺母或三点研磨螺母进行局部性修正.精研是以提高局部螺纹精度及表面光洁度为主.可采用不同的研磨螺母酣情对丝杠进行修研.随着丝杠精度的逐步提高,相应地选用颗粒更细(粒度W2.5,w1.5)的研磨剂修研.每次精研后必须仔细清洗,并用工作螺母跑合,然后再洗净,测量.根据测量的结果,选用三点研磨螺母进行精心修研以消除或减少丝杠的局部误差直至研磨到理想精度.在上述基础上.用长研磨螺母对丝杠再精心修研一下,修正丝杠的圆柱度误差.最后再用工作螺母对丝杠进行耐心的跑台研磨,使工作螺母的磨纹面,全部复台在丝杠的螺纹面上.长春光学精密机械研究所在研制光栅刻刘机时.由于精密螺纹磨削后的分距丝杠存在较大的周期误差,局部误差,累积误差以及圆柱.?驰?度,棱圆度等误差,远远满足不了光栅刻划机的精度要求,因此,就采用了修研技