插齿机插削加工热稳定性研究

罗天元 罗成 卢宇 陈晓莉

摘 要：为了提高插齿机插削时零件尺寸的稳定性，通过对插齿机加工跟踪研究，结合实际生产的需要，初步建立了一个误差补偿模型，针对不同环境、不同工况填入相应的补偿系数即可保证加工尺寸的稳定性。最后，通过某公司老式的高精度小模数数控插齿机为实例，对其进行了热稳定性测量，证明了该方法容易实施，有效可行，保证了工件尺寸的一致性稳定性，提高了插齿机的工序能力指数，满足了批量生产加工需求。同时，该方法对插齿机的设计制造具有重要的实踐意义。

关键词：插齿机；热稳定性；热补偿

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.24.092

目前插齿机仍然广泛应用于加工小孔内齿轮以及台阶齿轮，其加工通用性强，精度较高。但由于小孔内齿轮因其本身模数小，分度圆小，齿轮跨棒距要求在0～0.03mm以内，尺寸要求比较严格，基于用户现场条件的限制，随着环境温度的不同以及切削工况不一样，机床的热机时间各异，有时甚至为了保证机床热机到一个稳定的状态需要非常长的时间。所以，从冷机到热机的一段时间内，工件的加工尺寸一直在变化，导致部分零件报废，影响了零件产出。在加工过程中也需要时刻检测零件尺寸，反复修改机床进刀参数，直到尺寸合格为止，增加了工人的劳动强度。长时间的热机程序也导致了机床以及能源的消耗，增加成本。研究插齿机热稳定性对指导生产具有十分重要的现实意义。

1 插齿机热变形产生的原因

插齿机加工时是通过刀具的上下切削运动实现刀具对工件的切削，如图1所示，插齿刀每次空行程退刀时为避免刀具和齿轮已加工表面进行摩擦，刀具有远离工件的让刀运动，刀具的进给是通过进给运动带动整个刀具部件进给实现的。从图中可以分析出，刀具与工作的相对位置与让刀运动准确性有关，与进给运动的准确性有关，同时，工件与进给运动都在一个基体上实现，所以工件和刀具的相对位置与基体的稳定性有关。

2 插齿机误差补偿分析模型

2.1 让刀机构热变形量

插齿机的让刀运动普遍采用凸轮滚子进行让刀，弹簧进行复位的方式。如图2所示，由于插齿机切削方式为断续切削，切削受力变化比较大，为了保证准确的让刀运动，凸轮与滚子必需保持严格接触，因此，弹簧具有很高的弹簧刚度，从而导致凸轮和滚子受力较大，长时间的运行凸轮和滚子摩擦发热产生热膨胀，使刀具的轨迹发生变化，影响到零件加工尺寸。则让刀机构热变形量为：

2.2 基座热变形量

插齿机的基座即支撑工件又支撑整个刀具移动部件，如图2所示，理论设计上刀具和工件的相对位置是由进给系统直接决定的，但是由于基座需收集切削并排除切削，切削时会产生大量的切削热，同时基座还承受着切削力，长时间的运行将使部分热量传递到了基座上，使基座生产热变形，改变了工件与刀具的相对位置，影响到零件加工尺寸。则基座热变形量为：

2.3 插齿机误差求解

插齿机理论位移量S与机床的进给量X是一致的，但是受热变形影响，S修正如下：

通过在数控系统里植入一个关于K的补偿系数，K设定为插齿机从冷机状态到热稳定状态的时间。

2.4 变形量值的确定

由于机床所处的加工外部环境不同，零件以及对应不同的加工参数导致补偿系数K设定不一样。因此，很难在机床里预先设定K值，需要通过现场测量机床达到热稳定状态所需的时间来设定K值。由于机床结构部件比较多，传动复杂，机床的整体热变形量很难直接就表达出来，需根据机床的初始状态与热稳定状态的变化来确定变形量1、2。如图3所示，在机床中固定两个千分表，表一的表座吸在导轨上，用千分表检测进给值与理论值的误差ΔX，表三的表座吸在刀头固定部分，用千分表检测刀具稳定运行后的变形量1。通过表二测量加工齿轮的跨棒距M值，可以很快得出基座的变形量2。如果条件可以，1、2值可通过激光干涉仪直接测距得出。

3 实验对比研究

以某公司生产的老式高精度小模数数控插齿机为实验台，通过激光干涉仪测得参数如表1、表2所示。机床在加工过程中随着加工不断进行，机床的热变形比较明显，按计算一般齿轮跨棒距变化是机床热变形量的1.5～2倍，从表中可以看出，机床从开机到热稳定这一段时间内齿轮的跨棒距变化达到了0.07mm，远远超出了齿轮允许的变动范围。

根据测得的变形量，将1、2值入到系统误差补偿中，设定误差补偿系数K值为40，然后对机床进行重新验证。

在机床的工况条件以及加工参数不变的情况下，机床从冷机状态开始加工零件，连续加工到50分钟为止，测量齿轮的尺寸变动误差即跨棒距M如表3（零件跨棒距要求M=54.163（0～0.03））。

从表中可以看出，将插齿机进行误差补偿后，零件的加工尺寸稳定性得到了很好的补偿控制，尺寸都在齿轮允许的范围内，满足了生产的需求。防止因机床热变形的影响导致零件报废，同时也避免出现在开始加工过程中人为不断测量零件尺寸，减轻劳动强度。

4 结语

针对传统机床在冷、热机状态下零件加工尺寸不一致性问题，提出了一种热变形补偿模型，通过对机床负载运行下热变形量的测量以及从初始状态到热稳定状态的时间的确定，快速确定了机床系统的补偿系数，避免了机床各部件以及结构热变形的复杂计算分析，简单有效的实现了机床热误差补偿，保证了机床任意时刻尺寸的稳定和一致性。

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