数控车床刀具安装高度对零件内孔加工误差的影响.doc

数控车床刀具安装高度对零件内孔加工误差的影响
龙雄辉

（广州铁路职业技术学院，广东 广州 510430）
摘要: 车削外圆时，可以通过车端面到中心来校验刀具安装高度。内孔车刀调整则比较困难，有时加工的孔较小，为避免刀杆与工件孔相碰，往往会把刀具装高一些。在这种情况下，如果加工台阶孔则会产生加工尺寸误差。车削内孔时，由于数控车刀刀尖与车削回转中心不等高时，加工后形成的表面直径会产生加工误差。通过理论分析和验证，得出刀尖高度误差越大，加工直径与对刀直径相差越大，加工误差将越大的结论，并提出具体判断方法和解决措施，以减小因刀尖高度误差对零件内孔尺寸误差的影响。
关键词：刀具安装 加工误差 刀尖高度 数控车削
中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：
收稿日期：2013-4-20
基金项目：广州市教育科学规划青年专项课题《校企“双主体”构建数控技术专业项目课程体系的研究与实践(11B099)》和广东省教育科研“十一五”规划2011年研究项目“广东省职业教育数控技能竞赛信息化平台建设的研究与实践”（2011TJK252）
作者简介：龙雄辉（1974-），男，湖南益阳人，机电一体化硕士，研究方向为机械制造自动化、计算机技术应用。

数控车床用同一把车刀加工直径相差较大的两个内孔时，经常出现一个孔的加工尺寸很准，与编程数值一致，但是另一个孔的加工尺寸比编程尺寸大。经过初步检查，没有发现机床在控制系统和机械方面有任何的故障，零件加工工艺也没有问题。为了进一步证实问题的原因不是出在机床本身，又用外圆车刀加工两级台阶轴，加工结果是两级轴的加工直径与编程尺寸一致。这就基本说明内孔加工误差原因不在机床，应该在其他方面查找原因。
1．内孔加工误差原因
在车床上加工内孔与加工外圆相比，影响的因素较多。比如刀杆长度较长，直径较小，刚性差，冷却和排屑困难，刀尖与机床轴线安装等高不好控制等等。同时，孔的加工精度要求较高。
车削前，安装车刀一般都要把刀尖与机床主轴轴线调至等高[1]。对于斜床身数控车床，其刀塔与机床主轴轴线安装的相对高度在制造时有严格要求，只要用标准刀具就不必调整刀尖高度。平床身数控车床大部分机床生产厂家对刀架与主轴轴线的相对高度无统一标准，每台的高度不一样，即使用标准刀具也要用垫片调整刀尖的高度。
实际加工过程中，加工阶梯轴外表面很少出现加工误差，主要是操作者可以通过试切端面检查刀具中心高度是否与主轴一致，便于测量刀尖偏差，产生加工误差的情况较少且容易解决。而加工阶梯内孔时出现加工误差的原因很多且误差产生原因难以发现，操作者通常会认为是机床精度的问题。内孔车刀调整比较困难，有时加工的孔比较小，为避免刀杆与工件孔相碰，往往会把刀具装高一些。在这种情况下，对刀段的加工直径是准确的，如果加工台阶孔则会产生加工尺寸误差。
对误差原因分析后发现主要是出现在对刀过程中，外圆加工对刀会进行试切端面检查刀具中心高度是否与主轴一致，便于测量刀尖偏差，产生误差的情况较少；但加工孔时对刀由于无法试切端面检查刀具中心高，大部分是直接测量内孔直径，所以对刀段的直径是准确的，但刀具中心高度不便测量，用这种产生了高度差的刀具加工其他直径的内孔时将产生误差。
2．内孔加工误差计算
本文开头提到的内孔加工误差就是安装内孔车刀时刀尖与机床主轴等高误差造成的。下面来具体分析刀尖的安装高度与加工误差的关系。
假设试切外圆直径大于实际加工外圆直径，试切内孔直径大于实际加工内孔直径。加工外圆和加工内孔刀尖安装高度对加工误差的影响是一样的，为了描述更为清晰，图1以外圆加工为例来分析车刀安装误差与加工误差关系。

图1 车刀安装误差与加工误差关系
假设刀具安装高度与主轴轴线高度差为AC，即为Δh。对刀时试切外圆直径为2R1。假设刀具实际车削时沿X方向进刀距离为ΔX，即加工后的编程直径值为2R3，零件的编程半径值为OB。由于刀尖比机床主轴轴线高Δh的距离，刀具车削后的零件实际直径值为2R2，刀尖在C点位置，加工后的零件半径值是OC。很明显，在图1中R2＞R3。这就是刀尖与机床主轴不等高时加工直径与编程数值不一致的原因。
由于OA是与拖板导轨面和X向丝杆轴线平行，所以当刀尖与工件轴线等高时，拖板的移动量与加工直径的变动量是一致的。如果刀尖安装高于轴线OA，高出Δh的距离，则拖板的移动量与加工直径的变动量不一致，加工直径误差K=2×（R2－R3）[2] 。
通过分析图1，可知由安装高度误差带来的加工误差为K=2（OC-OB）=2（ ）=2（），将上图中各变量代入，可得：
K=2() 公式（1）
通过公式（1）可以看出，由于刀尖与工件轴线不等高，导致的加工误差与工件试切半径R1、刀尖高出工件轴线的高度Δh及进给深度ΔX有关。
将公式（1）进行推导换算，可得：
K=2() 公式（2）
由公式（2）分析可知，当加工吃刀量ΔX不变，即实际车削直径固定时，随着车刀安装高度误差的增大，加工误差K也随之增大。
当车刀安装高度误差固定时，将公式（2）进行求导，可得：
= 公式（3）

由公式（3）易知，始终大于0。由此可知当车刀安装高度误差固定时，随着吃刀量ΔX的增大，加工误差K也随之增大。将公式（1）进行推导换算，可得：
刀尖高度误差＝-（）2 公式（4）
如果难以测定刀尖中心高误差，可用公式（4）式算出应降低刀尖的高度。同理，如果安装时刀尖低于机床主轴轴线，也可以按照公式（4）算出应提高刀尖的高度。
3．内孔加工误差的判断
刀尖与机床主轴轴线不等高造成的内孔加工误差主要有以下3个明显的特点：
3.1 总有一台阶直径尺寸是准确的，而且这一台阶一定是对刀的那段。其实这一段也同样存在误差，但由于是对刀段，有误差总是认为是对刀不准，用修改刀补来修正，所以这一段的尺寸是准确的。
3.2 加工多件零件，各相同尺寸台阶的直径误差基本稳定。
3.3 除对刀段加工直径尺寸与编程尺寸一致外，其余台阶的尺寸总是比编程尺寸大。
通过观察加工中有无以上特点，就可以迅速判断是否刀尖安装的原因造成加工尺寸误差，通过重装刀具就可以解决上述加工误差。
4．刀尖安装等高误差对加工的其他影响
除影响加工台阶轴(孔)的直径尺寸外，刀尖安装高度误差对加工还有其它多个方面的影响：
4.1 改变了刀具实际切削角度。车外圆时刀具装高时，刀具工作前角增大，工作后角减少[3]；装低时，刀具工作前角减少，工作后角增大。改变了刀具切削性能和刀具寿命，同时也可能影响加工表面粗糙度。但有时候我们也可以利用这点来改善刀具切削性能。
4.2 车外螺纹时刀尖装高，车内螺纹刀尖装低，加工时后刀面与工件接触面增大，容易产生振纹。
4.3 成形车刀一般是零前角，刀具形状与图纸相同，安装刀具时刀刃必须与机床主轴轴线重合，否则加工出的零件形状与刀具形状有误差。加工螺纹时会造成螺纹角度误差而不能旋进。
以上是对车刀刀具安装的一些探讨，但并不是任何车削加工的刀具刀尖必须与机床主轴轴线等高，不同的加工有不同的要求。如切槽和切断时，切刀的刀刃应高于机床主轴轴线约0.05—0.10mm，零件直径越大，高度差应取得更大，这样切削时刀具不易产生振动，也不易产生打刀现象。
参考文献：
[1] 周旭光. 数控车削对刀高度误差对加工精度的影响[ J] .机床与液压, 2006( 7) : 105.
[2] 程仲文，胡彦军，沈建成. 数控车削加工误差理论分析及控制方法 [J], 兰州工业高等专科学校学报,2011(6):45-47.
[3]赵剑利．关于车刀装夹对车削加工的影响分析［J］． 实习与教学， 2008（12）: 116-117．

The influence of installing height of CNC lathe tool on the part hole maching error
LONG Xionghui
(Guangzhou Institute of Railway Technology, Guangzhou 510430, China)
Abstract：Turning in the hole, because CNC lathe tool tip and turning Rotary Center isn’t in the equal height, the formed surface diameter after the processing will have a processing error.When turning cylindrical, can validate tool installed height by turning the head face to the Center. Hole cutting tool adjustment is more difficult, sometimes processing hole smaller, to avoid the Arbor and workpiece bore collide, tends to put the cutter high. In this case, if processing stepped hole machining dimension error is generated.Through theoretical analysis and verification, we can draw a conclusion: the tip height error larger, the difference between the machining diameter and the cutter diameter greater, the processing error greater .In the end ,drawing a specific method of judging and solving measures to reduce the Tip height errors influence upon the parts hole size error.
Key words：tool installation ; processing errors; tip height ;numerical control turning;
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