产生刃磨精度的误差及其根源

　　在研究钻尖数控刃磨理论，设计钻尖数控刃磨机床时，除考虑从运动关系上能够磨出正确形态的钻尖外，还应重视各种误差因素对钻尖刃磨结果的影响。刃磨质量低的刃磨设备不仅磨出的钻头达不到要求，而且浪费人力、财力和原材料。但是无针对性地提高刃磨设备的精度，既不合理，又不现实。钻尖数控刃磨工艺系统中，每个环节的误差对最终刃磨质量的影响程度是不同的。本文分析系统中影响刃磨精度的各种误差因素，特别是确定主要影响因素，为合理提高钻尖的刃磨精度提供参考。

　　1．影响刃磨精度的因素分析钻尖数控刃磨的机械加工工艺系统，由硬件和软件组成。硬件包括控制驱动部分和机械部分：控制驱动部分是指微机及控制接口电路、步进电动机及位置检测元件等；机械部分则包括机床、砂轮、夹头和钻头等。软件包括工艺方案、计算程序和控制程序等。在工艺系统中可能影响刃磨精度的误差及其来源。

　　机床运动的控制脉冲信号来自微机及控制接口电路，只要接口电路设计合理，产生脉冲信号误差的可能性比较小。一旦出现，则是故障，且具有破坏性，它影响加工的稳定性，不属于刃磨精度问题。

　　步进电动机是机床运动的动力源，它的步距精度和运行中的失步，直接影响各数控轴的运动精度和定位精度，必须加以控制。可以通过选择高精度大功率步进电动机或细分步距的办法，也可以选用闭环和半闭环控制。

　　位置检测元件在刃磨中主要用于初始零点定位，它的检测误差会直接影响坐标轴的零点定位精度。机床作为刃磨的主体，是加工误差的主要来源。各坐标轴的零点定位误差、定位误差和运动累积误差，机床制造时的形位误差，机床加工中的热变形及刚性都会影响刃磨精度。因为砂轮直接与钻尖接触，所以砂轮的磨损以1∶1的比例影响磨削精度。

　　夹头是工件的重要定位元件，它对刃磨精度的影响主要为：夹头本身制造误差，工件在夹头的定位误差，夹头在工件头架上的定位误差等。夹头本身的制造误差可通过其加工精度来减小；关键是定位误差，数控系列刃磨机采用的是弹性自动定心夹头，工件在夹头上的定位误差是一个常规问题，本文不作分析。

　　夹头在工件头架上的定位形式如所示，配合间隙，会引起钻尖位置径向偏差，即= 2 1+ l s l t（1）式中l s――钻头伸出长度l t――头架导向长度磨后钻尖型面产生几何偏心。这种钻头在使用中会产生径向振摆而加大孔径，所以应适当减小间隙和钻头伸出长度l s，加大导向长度l t。

　　钻头本身的原始误差和刚性也会影响刃磨精度。如已经弯曲的钻头，刃磨后的对称度偏差就很大，因此刃磨前需对钻头进行筛选，剔除不合格钻头。在装夹钻头时，应尽可能减小钻头伸出长度，以保证刃磨时钻头有足够刚性。

　　钻尖数控刃磨属一次安装，工艺方案主要体现在软件控制程序中。计算过程产生的计算误差和控制中插补误差对刃磨精度有影响，因此必须减少近似性计算，选择合适的插补方法，以减少由此带来的原理性误差。综上所述，在诸多的误差因素中，尤以机床误差对刃磨精度的影响最大。

　　2．数控轴定位误差对刃磨精度的影响机床各数控轴的定位误差对磨后钻尖结构参数精度的影响程度，将因刃磨原理和机床结构的不同而不同。由于存在误差敏感方向，同一台机床的不同坐标轴的影响程度也不同。为了能从误差和精度的角度对数控系列刃磨机的刃磨原理和机床结构的合理性充分认识，以及借此指导今后的刃磨机设计，有必要对机床定位误差的传递规律进行分析研究。

　　以六自由度（六数控轴）的钻尖刃磨机为例。六自由度的钻尖刃磨机有6个坐标轴（数控轴） ，在刃磨锥面钻尖时， C1轴起调整角向位置和刃磨分度作用， C2轴用于锥面成形运动， C3轴用于调整半锥角0及锥轴倾斜角# 0，X、Y轴用于调整水平面内钻尖相对砂轮的位置以及完成进给运动， Z轴用于在垂直平面内钻尖相对于砂轮位置的调整。刃磨的过程实际为6个坐标轴的运动合成。为便于比较，选该机刃磨锥面钻尖，且以各坐标轴定位误差对磨后结构参数主刃锋角和圆周后角f c的影响为例，进行分析。

　　2. 1锥面钻尖刃磨参数分析如所示，建立坐标系O 1 XYZ，坐标原点O 1在钻芯尖上；选择矢量坐标系Oij k，坐标原点O为钻头轴线与锥轴在面Oik上投影的交点。两坐标系的Z轴、k轴与钻头轴线重合。O 2为锥轴与j轴的交点。圆锥顶点为P.0为锥顶角的半角，决定了圆锥的大小。C X和C Y表示锥顶点P的i、j坐标值的绝对值，决定了钻尖在锥面上的位置。0为钻头轴线和砂轮面在Oik面上的交角，决定了钻头轴线相对锥轴的位置。0、C C、C Y、0等4个刃磨参数决定了所磨钻尖后刀面的形状。普通麻花钻的刃沟是一螺旋面，在钻尖轧制或磨沟时就已成形，不受钻尖后刀面刃磨方法的影响。

　　但是它的一部分与后刀面相交形成主切削刃，这一部分为前刀面。如所示，选择矢量坐标系Oij k，坐标原点选在离钻尖p 0处， A B段即为前刀面与后刀面相交形成的主切削刃。改变p 0值时，会影响前刀面在坐标系Oij k中的初始位置，从而导致主切削刃位置的变化。可见，前刀面影响主切削刃形状。令%= B- p 0，因此确定%为另一刃磨参数。至此，得到了钻尖的5个刃磨参数，即： C X、C Y、0、0、%.2. 2C1轴的定位误差C1 C1轴无论是起调整角向位置作用，还是分度作用，它产生的C1都是通过影响刃磨参数%来间接影响和f c的。C1与%的误差%的关系为% = r 0 tanC1（ 2）式中r 0――钻芯半径表示了定位误差C1与钻尖结构参数、f c的误差、f c的关系曲线（刃磨参数为： C X = 50，C Y = 3，0 = 14°，0 = 60°，%= 0）。

　　从中可以看出，随着C1的增加（从钻尖尾部看，逆时针） ，主刃锋角和圆周后角误差比例向负向增大。后角误差比主刃锋角误差大。它们的关系为= - 1 150C1f c = - 1 80C1（3）从式（3）中可以看出误差传递系数远小于1，因此C1轴方向对于、f c属于误差非敏感方向。2. 3C2轴的定位误差C2轴用于锥面成形运动，它所引起的误差C2对锥面钻尖的结构参数基本不会产生影响。2. 4C3轴的定位误差C3 C3轴用于调整半锥角0及锥轴倾斜角# 0。C3轴产生的定位误差会对5个刃磨参数中的4个产生影响，即： C X、0、0和%，使它们产生C XC3与钻尖结构参数、f c的误差、f c的关系曲线。从图中可以看出，随着C3的增大，误差、f c比例增大，而且C3对后角误差影响大，C3 = 0. 5°时，f c达2. 5°。它们的关系式为= 1. 67 C3f c = 5 C3（ 5）同样道理， C3轴用于调整锥轴倾斜角# 0时，C3与钻尖结构参数、f c的误差、f c的关系为= 1. 33 C3f c = 4. 5 C3（ 6）它们的误差传递系数都大于1，尤其对于f c来说，误差放大倍数高达5倍。因此应严格控制使C3轴产生误差的因素。

　　2. 5X轴的定位误差X X轴产生的定位误差会导致刃磨参数C X、%出现误差C X和%，如所示。X与它们关系为C X = cos（0 - 0）sin 0 sin 0 - 1 X = X tan 0（ 7）为X与钻尖结构参数、f c的误差、f c的关系曲线。从图中可以看出，随着X的增大，误差、f c也成比例增大，它们的关系为它们的误差传递系数比C2、C3轴的小，均小于1，但比C1大得多。

　　2. 6Y轴的定位误差Y轴产生的定位误差会导致刃磨参数C X、%出现误差C X和%，如所示，Y与它们的关系为C X = sin（0 - 0）sin 0 sin 0Y = Y（ 9）f c的误差、f c的关系曲线，从图中可以看出，随着Y的增大，、f c成比例增大，但f c增大的比例小，它们的关系为= 0. 8 Yf c = 0. 25 Y（ 10）与X轴的定位误差影响相反，Y对影响大，误差传递系数也大。

　　2. 7Z轴的定位Z如所示， Z轴方向产生Z的偏差，引起的砂轮径向钻尖相对砂轮位置的变动量p r。Z与p r的关系为pr = Z sinZ R S（ 11）式中R S――砂轮半径由于砂轮半径很大（ R S = 150 mm） ， sinZ R S很小，所以pr很小。因此沿轴方向产生的误差对锥面钻尖刃磨精度的影响很小。这个方向为误差非敏感方向。

　　3．结束语

　　从刃磨锥面钻尖时的误差传递规律来看， 6个数控轴定位误差对刃磨精度的影响程度从大到小的排序是： C3轴、Y轴、X轴、C1轴、Z轴和C2轴。C3轴是该机床刃磨精度的最薄弱环节，在机床设计时，应尽量减小它的定位误差传递系数，以确保钻尖刃磨精度。

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