NT偏心镗孔装置原理介绍

精密镗削加工之利器……

Tool Correction System

刀具补偿装置

技術資料(A')

2004年7月

刀具补偿装置概要

高精度和高效化

在机械加工行业中,高精度化要求正逐年提高。互换性零部件的高精度化就是其代表性的实例之一。

为了提高互换精度,可采用先测量加工工件的尺寸,再根据这结果在公差精度范围内划分等级,以选择相互适宜工件的方法。为了要在更高精度水平上进行最适宜的互换,互换零部件自身的尺寸精度亦有必要再提高一个等级。

随着加工技术的进步,在汽车零部件的大批量生产中,为达到零部件的高精度化,对尺寸精度的要求正在向着越来越高的方向发展。可是,要实现高效大批量的加工,仍然会存在很多实际问题需要解决。例如在精密镗削和精密车削加工中,刀刃的磨损就是课题之一。特别是加工对象为铁类材质时,刀刃的磨损将相继发生,直接表现为加工出的工件尺寸发生了变化。在以微米为单位的高精度加工中,这种刀刃磨损的影响更大,是直接影响加工效率的不稳定因素。进一步讲,按照以往传统的方法来进行微米级微调也是极其困难的。

因此,若能对刀刃的磨损进行连续地修正,或能进一步实现微米级微调时,效果会更理想,可实现高精度部件的高效、大批量生产。

连杆大小头孔 活塞销孔 联结枢轴 气缸孔

高效、高精度加工和刀刃的磨损

在批量生产领域,需要进行精镗加工精密切削加工时,为了维持其加工精度,必须要考虑更换磨损的刀片,或者通过微调使磨损的刀片移到起始的位置。

对于铁类材质的工件来讲,为了加工出高精度的产品来,可采取随时更换磨损的刀片的办

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法,但从单件加工成本考虑是难以接受的。此外,还可以采取对刀具进行微调的办法。但若要以微米为单位进行微调的话,不仅需要技术和经验,而且每次调整时还需停机,这也不是一种高效率的办法。再说,虽然称之为微调机构,但其精度也不过0．01毫米级,不可能实现以微米为单位的精密调整。

由此可见,在高效、高精度加工中,迫切需要一种能以微米为单位，且可简单快捷地从机身外部对刀刃的位置进行调整的刀具补偿装置。

刀刃磨损

热变形对刀误差退刀痕

引入刀具补偿时的其它优势

在更换已磨损的刀片时,实现其再现性是难题之一。既然切削刀片的安装精度客观存在,且即使对刀片进行测定并调整,亦不可能达到微米级的精度,在安装过程中总会产生误差。倘若碰到在机外安装的场合,刀杆的安装精度能否再现亦是一个难题。

对于那些确实需要以数微米为单位进行微调的场合,若按以往的方式，想快速准确地实现是极其困难的。因此,如能利用刀具补偿装置在机外准确地对刀片完成以微米为单位的微调的话,可在短时间内更换刀片之后立即继续高效生产。

此外,在刀具退刀时要求不能留下退刀痕,尤其对工件加工面的表面粗糙度和密封性有特殊要求时,这更是一个必然条件。

因此,对于装备有用来调整刀头位置的补偿机构的设备来讲,尚需附加一个条件,即在加工结束后,不能给加工表面留下退刀痕,这是理所当然的要求。

压力和弹性变形相结合的补偿方式

机械式补偿装置,补偿的动力和控制是通过压力使刀夹发生弹性变形而实现的。而本产品中，压力是通过介质作用于驱动装置上,可以从本质上做到不包含松动结构,同时由于使用了压力伺服机构,还具有双向性。

以组装到精镗主轴为例,驱动补偿作用的压力传递,可在毛细管内进行, 不存在结合部位的磨损问题。此外,由于采用了具有动力和控制功能的压力补偿,补偿动作和刀具退刀动作可

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瞬间完成。

「NT-SAMSON」刀具补偿装置,正是着眼于这种思路而开发研制出来的。 Array「NT-SAMSON」方式的刀具补偿装置

该装置是以油压为动力使补偿头部位发生弹性变形来实现补偿,由驱动刀座位移的补偿头和控制压力的控制器组成,控制器上装有控制压力功能的气动伺服阀门。其基本结构如下图所示:

设定控制增压力位移

气液压变换器POWER UNIT 弾性変形

气压液压活塞

气压液压

控制器 压力变换器 补偿头

该装置的特点之一，装有动力组件并发生弹性变形的补偿头。该补偿头是一种刚性整体结构,在其内部装有由液压活塞和气缸组成的动力组件,而由气液压变换器产生的液压则被传递到这里,并在这里转变为使动力组件发生强制性扩张的力。

另一方面,在补偿头的外壳装有一个带有平行平板型弹性部的Ｓ状切槽,虽然是整体部件,

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通过平行弹簧的作用,使其具有宛如由两个部件组成般的构造,在其内部装有动力组件。在动力组件处,油压产生的扩张力作用于补偿头外壳的受压部件上,由于该力的作用使补偿头发生强制性补偿位移。

压力的控制和补偿位移量

上述调节方式的控制性能优良,完全满足F=kX 的比例关系(虎克定律)。也就是说,补偿头的位移量与液压系统的压力成正比,因此需要控制位移量或者说补偿量时,只需对其施加的压力进行控制即可。

由于采用了可压缩气体作为介质的气动伺服机构,可以确保压力调节性能的高精度化。使刚性体发生弹性变形的动力在气液压变换器处转换为巨大的压力(帕斯卡原理),所采用的动力源-压力具有了可控性,所以说，本系统具备了可以微米为单位进行控制的可能性。 快速补偿／退刀动作和1微米的精度

采用液压和强制性弹性变形这一方式的优点,在于解除液压后瞬间即可恢复到原来的位置,而且每当再次施加液压时,立即可回归到弹性变形的状态。在施加液压的状态下进行精密镗削加工,控制液压的大小，可对补偿作用进行调节,而当液压解除时,利用其恢复原位的功能即可实现刀具退刀。

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采用这种方式，必然能缩短补偿和退刀的响应时间,不会对机械加工的节拍产生影响。而且由于补偿状态和退刀状态的切换是通过安装在气压管路中的电磁阀来完成的,在确保精度的气动伺服系统内,对任何设定值均无需变更,即可获得稳定的作用力输出,从而确保重复精度达到1微米的水平。

平行平板型弹性体的高刚性和线性(Linearity)

如前所述,这种补偿头的特点之一就是采用了平行平板型弹性体。平行平板型弹性体之变形方向是唯一的,而在其它方向则具有极强的刚性。

因此,在考查切削阻力和补偿头的刚性时,可以不考虑切削时的主切削力和进给力的影响,而只需考虑切削时的背向力和补偿头的刚性即可。

在考虑对背向力的刚性时,对于一般的标准产品来讲,具有10-20Kg/微米的刚性,这与精镗时的背向力阻力相比,其刚性是足够的(例如钢材Ks=280Kg/平方毫米,S=0．1毫米/转、Ar(加工余量)=0.15毫米，切削阻力与背向力之比为70%时的背向力:

F(x)=Ar×S×Ks×0.7≒3kgf

其次,我们再来探讨一下所用的动力组件,其安装位置在于补偿头壳体的内部,靠其扩张时产生的力而实现补偿位移。这就是说,切削阻力是作用于补偿头壳体部位上,与其内部的动力组件的扩张力无关。因此,对于由切削阻力引起的补偿头变形(反作用力),只需考虑平行平板型弹性体自身的刚性就够了,前面所说的相对于背向力具有足够刚性之说法,亦可由此得到印证。

设计紧凑、结构简单、高可靠性

该补偿头是由外壳体和动力组件两部分所构成，由于外观设计紧凑,其刚性超乎寻常地高。也就是说,与设备主轴的刚性相比(例如,根据SKF产品目录中的刚性资料:向心推力轴承「前3列」Φ80者为20kgf/μm),补偿头的刚性(例如,按照本公司产品目录上的标准制品Ⅱ-A型、324巴规格、120C=75类，对200μm补偿头切削背向力的刚性为20kgf/μm)，可以说是已经足够了。

在补偿头的内部结构上,只装有动力组件,并未采用任何复杂的驱动部件,因而不存在带有摩擦的机械零件,所以即使在使用频率极高的情况下,仍有很高的可靠性。

此外,对于弹性变形部件来讲,因在其不会产生残余应力的范围内变形,常年使用也不会影响精度。也就是说,结构本身的设计决定了该装置即使经过常年的使用亦不会发生由于机械磨损而产生的松动。

下面所列举的是补偿头的尺寸和刚性:

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径向补偿头Ⅱ-A型、324巴规格 标准品

型号 An6 B C Dn6 F G H J K L±0.1 M N P QH6 R 名称

80 80 92 56 30 6 6 5 5 M6×1.0 58 47 11 6.6 42 6ModelⅡ-A.324.80型

100 100 115 62 40 6 6 6 6 M8×1.25 75 53 15 9 45 6 ModelⅡ-A.324.100型 120c=75 120 135 75 50 8 8 8 8 M10×1.5 85 65 18 11 55 6 ModelⅡ-A.324.120C=75型120c=80 120 135 80 50 8 8 8 8 M10×1.5 85 67 18 11 55 6 ModelⅡ-A.324.120C=80型140 140 155 85 60 8 8 8 8 M10×1.5 104.8 72 18 11 65 6 ModelⅡ-A.324.140型

补偿头的刚性(代表例)

类别 80 100 120

(c=75) 120

(c=80)

140 补偿量［μm］ 100200100200100200100 200 100200对切削背向力的刚性［Kgf/μm］ 22112714271458 29 71 35对主切削力的刚性 ［Kgf/μm］ 100kgf/μm以上

刀具补偿装置的构成

刀具补偿装置,由补偿头、压力转换器、控制单元所构成。

下面介绍用于孔的精镗的补偿装置的构成实例:

2004年7月

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补偿头的控制是利用空气伺服机构使压力增高或降低来实现的。由于补偿控制器输出的补偿压力为0-4巴，所以给控制器提供的原始压力必须高于输出的压力。向补偿控制器输送的原始压力,将按补偿量的控制指令输出所必须的补偿用气压。

从控制器输出的补偿气压,通过压缩气管路传递到压力转换装置－气液压变换器,并进行气压/液压变换(第一级气压/液压变换增压器)。

此后,这压力又通过液压管路被传送到压力变换装置-液压增压器,并在那里再次增压(第二级液压增压器)。

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这个补偿液压经过贯通轴芯的油压管道传

送至径向补偿头的动力组件处。该动力组件由

于油压的扩张作用使径向补偿头发生弹性变形

并产生补偿位移。同时促使安装在补偿头前部

的镗刀杆产生平行移动,对加工孔径进行补偿。

补偿控制器的压力控制和输出压力

这种刀具补偿装置的补偿量是通过精密地增减控制器处的气压来进行控制的。其伺服机构并非靠气体的流量来工作,只取决于压力。所以,其控制器的构成,先将输出的压缩气压力增压转换成液压,进而将其按比例地变换为补偿位移。

当进行自动补偿时,其系统构成如下图所示:

在补偿控制器的正面,可用手动方式调节补偿量。通过补偿按钮○

+○-的操作即可进行。此外,还可通过接收检测装置的补偿信号来进行自动补偿。至于补偿指令的输出输入信号，因与

加工设备的时序有关,需借助于加工设备的控制部分(时序控制装置-Sequencer)来进行。

无论是手动补偿还是自动补偿,所输入的补偿量指令均是通过控制器内的逻辑处理进行D/A变换(数字/模拟)而转变成通向i/p转换器(精密比例控制阀)的输出电流。在i/p转换器处，以输入电流值为基准,将原始压力(初级气压)精密地转换为控制气压(二级气压)。这种i/p转换器的精度很高，滞后为0.2%/间隔、对初级气压的变动误差为0.2%/0.1巴。

自动刀具补偿

采用装有刀具补偿装置的机床设备进行加工时, 用气动测微仪或电子测微仪在下一个工序对工件进行在线测量，并判断加工孔径是OK(合格)还是NG(不合格)。当需要进行补偿时,向补偿装置输出补偿信号的后工序型自动刀具补偿将构成如下的循环体系。

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补偿量和动平衡(Dynamic Balance)的关系

补偿量发生变化时,补偿头的重心位置会发生变化。为了最大限度地减少因补偿引起的重心偏移,将补偿量的中间值位置设在重心变化最小的位置。 Array

补偿范围为200μm(0.4mmΦ)的补偿头,其最大重心偏移量为0.1mm。另外,此种在通常使用的补偿范围内的重心移动量仅为0.05mm。假设随着补偿动作,所移动的质量为2Kg,由补偿引起的不平衡量会增加100g/mm(10g/cm)。若此时的主轴转数为N=3,000Rev/min.时,所产生的离心力为1kgf。这与补偿头所固有的刚性(如Type120 C=75、20Kgf/μm)相比，居于保险数值范围。

但是,当主轴的转数N=4,000Rev/min.以上时,应在设计阶段考虑离心力的影响。当然,对于镗刀和主轴等旋转件,应进行动平衡处理(Dynamic Balance)。

一般来讲,按JIS B0905 G2.5级(2,000RPM)标准进行动平衡处理较为合适。

另外,对于有必要进行高速加工的铝（Al）或其它金属材质来说,一般采用磨损较小的金刚石刀片，从动平衡(Dynamic Balance)的角度看，尽量选用较小的补偿量设定是很有效的办

法。

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