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龍門式銑幢加工（gōng）中心垂（chuí）直度超差的工藝補償研究（jiū）

2018-3-22 來源：齊齊哈爾大學機電土程學院作者：包麗張洪軍

摘要:龍門式銑譴加上（shàng）中心床身X軸與橫（héng）梁Y軸垂直度超差是其垂直度超差的主要方麵。對其成因（yīn）進行分析後發現橫梁（liáng）重力是導致超差產生的重要原因之一。采用有（yǒu）限元分析技術對橫梁上11個位（wèi）置在（zài）重力作用下變形進行仿真分析，得到上下導軌基而與定位而的（de）相應變形數值。由此得到基麵（miàn）與定位而應該加上成的形狀後對橫梁現（xiàn）有（yǒu）加上上藝進行改進。進（jìn）行上藝補償後通過試驗發現，現有上藝產生的直線度誤差基本（běn）得（dé）以消除，垂直度誤差降低（dī）了85 %，進而說明了上（shàng）藝改進方法對於垂直度超差（chà）問題解（jiě）決的有效性和可行性。

關鍵詞（cí）:龍門式銑譴加上中心;有限元分析;垂（chuí）直度超差;上藝改進

O、前言

龍門式世銑加工中心具有高精（jīng）度特性，在加工結構複雜（zá）的（de）模具、板盤、箱體及凸輪等各類零件中發揮著重大作用。但是當其重要支撐部件橫梁導軌與工作台導軌的垂直度誤（wù）差超差（chà）時，就會使得零件的輪廓誤差和位置誤差都（dōu）超出設計要求，大大（dà）降低加工零件的質（zhì）量（liàng）。從現有研究來看，陳安等人對數控機床的垂直度誤差影響的（de）孔位誤差、直（zhí）線和（hé）圓弧誤差進行了數值分析（xī）並提出了軟件補償的力一案，但其沒有從工藝角度（dù）進行補償;張森等人圈對龍門加工中心得（dé）橫梁結構進行了（le）優化設計，得到了一種總位移變（biàn）形量最小的結構形式，但未對垂直度超差問題進行研究（jiū）。現有研究中尚未對龍門式世銑床垂直度超差的工藝補償（cháng）問題進行探討。

龍門式（shì）世銑（xǐ）加工中心裝配過程中容易出（chū）現工藝不當的問題，隨著（zhe）使（shǐ）用時間的增長，其主要支撐部件由於磨損、自身重力（lì）變形、撞擊變形等因素（sù）會導致機床運動幾何精度（dù）降低，各部件（jiàn）之間的位（wèi）置關係容（róng）易（yì）發生（shēng）變化，最終使得機床運動幾何誤（wù）差增（zēng）大固。經現場測量某型龍（lóng）門式銑世加工中心發（fā）現（xiàn），橫梁X軸與工作台Y軸（zhóu）形（xíng）成水平XY麵內的垂直度誤差是最主要的誤差力一麵，兩軸的垂直度存在（zài）超差現象。本文（wén）作者通過對龍門式銑世加工中心垂直度超（chāo）差問題進行分析，發現重力是導致其垂直度超差的重要因素，而現有車（chē）間加（jiā）工中存在不合理的工藝餘（yú）量，利用ANSYS有限元分析軟件閉對龍門式（shì）銑世加工中（zhōng）心進行建模後，得到11個位置處在重力（lì）作用下橫梁的變形量，依托該變形量得到橫梁導（dǎo）軌麵的加（jiā）工曲線，利用該曲線對橫（héng）梁（liáng）工藝進行補償（cháng）加工。結合直線度誤差測量和垂直（zhí）度誤差測量試驗，數據顯示重（chóng）力變形產（chǎn）生的（de）橫（héng）梁直線度誤差得到了很好的控製，橫（héng）梁Y軸與工作台X軸的垂直度（dù）誤差得到了（le）有效（xiào）地降低，證實了工（gōng）藝改進力（lì）一（yī）法的正確性。

1、機（jī）床（chuáng）垂直度超差成因分析

龍門（mén）式世銑（xǐ）加工中心在加工過程中，各軸的垂直度誤差都經過測試，欲滿足機床的設計精度（dù），就需要進行修正，垂直度誤差超差的原因主要是各配合部分的移動。作為機（jī）床（chuáng）最核心的關鍵性部件（jiàn），經過長時間的震動和受力，龍門經常會發生偏移，橫梁導軌的X軸和床身（shēn）Y軸之間垂直度誤差就這樣產生（shēng）了。具體龍門銑床結構見圖1。在實際的裝（zhuāng）配工藝中，在（zài）安裝托（tuō）板時候，是由吊車吊（diào）至導軌處，慢慢往下放，如果看見托（tuō）板上滑塊（kuài）定位麵與滑塊間（jiān）沒有間隙時，就按照對角擰（nǐng）緊的力一式擰緊（jǐn）螺釘，檢查時，托板定位麵與滑塊側麵要求0. 03 mm塞尺不入。在此過程中，如果吊車多往下放1 mm(這是完全有可（kě）能的)，就會（huì）使得托板的質量全部由托板上的定位麵作用在下滑塊上的情況，使得下導軌承受絕大部分力的情況。這樣托板的重力變形會引起的Y軸導軌直線度（dù）誤差超差進而（ér）使得垂（chuí）直度誤差也相（xiàng）應超出設計要求。國產某型龍門機床橫梁上使用的是日本（běn）THK公司的導軌（guǐ），根據保守估計可以（yǐ）使用10年以上（shàng），導軌的磨損量很小。但是，由於結構設（shè）計時未進行仿真分析，裝配（pèi）工藝時又易出現上述問題都（dōu）會導致導軌的磨損量過大，使導軌的直線度、平行度等都達不到設計所給出的要求，最後都會使得機床的垂直度誤差超差。

圖1某型龍門機床（chuáng）結構簡圖

龍門銑床的橫梁導軌滑塊（kuài）由於承受托板和滑枕重（chóng）力以及傾覆力矩的影響，使得托板在沿Y軸運動過程中沿Y向與X向的變形（xíng）較大，運動至中間時變形最大，參見圖1。此時，如果仍（réng）將導軌安裝麵加

工成直線，將對最終的X軸與Y軸垂（chuí）直度造成很大的影響，根據實際受力情況進行分析，應該將上下（xià）導軌的安裝定位麵加工成向上凸起的形狀，上導軌安裝基麵加工成向裏四進的形狀（zhuàng），下導軌安（ān）裝基麵

加工（gōng）成（chéng）向外（wài）凸出的形狀，各個麵具體（tǐ）情況見橫梁導軌裝配基麵與定位麵簡圖見圖2。下麵從加工車間（jiān）實際的加工工藝（yì）以及（jí）仿真分析兩力一麵考慮，得出比較完善的解（jiě）決這一（yī）問題的加工力一案，並給出了導軌安裝基麵與定位麵需要加工成的形狀以及相應的數值（zhí）。

圖2 橫（héng）梁上（shàng）下導軌安（ān）裝（zhuāng）麵與定位麵簡圖

2、土藝補償（cháng）分析

2. 1 車間實（shí）際加土土藝

由於意識到實際裝配過程中重力的影響會導致橫梁導軌在Z力一向有向下四的變形，在（zài）X力一向（xiàng），上導（dǎo）軌外凸而下導軌內四，所以實際（jì）加工過程中（zhōng），將（jiāng）上下導軌定位麵加工成凸形（xíng），凸形的最大處為25 μm。將下導軌安裝（zhuāng）基麵加（jiā）工成凸（tū）形，凸形最大處數值為25μm，但是，由於銑削不能（néng）銑削出四形，所以上導軌（guǐ）安裝基麵還是按照平麵加工，圖2為橫（héng）梁導軌安裝基麵與定位麵（miàn）的簡圖。

2. 2 有限兒靜力學仿真

國（guó）產的某型龍門（mén）式世銑加工中心由（yóu）橫梁、工作台（tái）、床身、托板等主要零部件組成。采用SOLID-WORKS對其進行三維建模後導入ANSYS進行有限元靜力學分析。設置（zhì）機床的材料屬性，其中立柱的材料為HT250，楊氏（shì）模量為1. 2 x 10５ MPa，密度為7 210 kg/m3，泊鬆比0.22;橫梁等（děng）其他大件用Q235 A，楊氏（shì）模量為2. 1 x 10５ MPa，密度為7 860kg/時，泊鬆比 0. 3。進行網（wǎng）格劃分時，采用SOLID 45單元圈對實體進行網格劃分，得到可用（yòng）於靜力學仿真的有限元模型。由於龍（lóng）門結構的重力（lì）對於（yú）機床垂直度誤差有重大影響，而托板位於橫梁的不同位置時，龍門結構總（zǒng）體重力分布（bù）的情況差異較大，因此從橫梁右端到左端每隔300 mm，一共11個位置在重力作用（yòng）下變形的仿真分析給出的X向（xiàng）與Z向變形，見（jiàn）圖3和圖（tú）4(在此隻給出了左端、右端以及中間的仿真圖形)

圖3 在（zài）重（chóng）力（lì）作用下X向變形（xíng）

圖4 在重力作用下Z向變形

2. 3 土藝補（bǔ）償

根據龍門結構在（zài）重力作（zuò）用下仿真得到的數（shù）據，整理後得到表1。表1為在這（zhè）11個位置上下導軌基麵與定位麵的相應變形數值(表中200 mm表示托板距橫梁右端200 mm)，由此結果可以擬合得到上下導（dǎo）軌基麵與定位麵應該加工成的形狀，如圖5所示。

圖5 導軌麵的加（jiā）上圖線

從表1可以看出，下導（dǎo）軌（guǐ）安裝基麵由於受壓的關係，其變形基（jī）本為0，所以實際加工中，將下導軌基麵加工成凸形，其最高處大概為25μm是錯誤的，應該（gāi）大致加（jiā）工成直線。表中負值表示受拉，應（yīng）該把曲（qǔ）麵加工成四形（xíng），圖5給出了上導軌基麵與定位麵，上下導軌定位麵的加工圖線（xiàn）。

表（biǎo）1 重力（lì）作用下導（dǎo）軌安裝麵的變形數值

由圖5的仿真分析結果，可知上下導軌定位麵加工的凸峰的峰值應為18μm左右，不應該為實際車間加工的25 μm。同時，上導（dǎo）軌安裝基麵應該加（jiā）工成四形，最大值為13 μm，下導軌安裝基麵基本加工成直線。如果從現有車間加工工藝出發，根據（jù）仿真分析的結（jié）果（guǒ）以及所給的加工工藝（yì），會產生(25一13 ) μm/ 1 500 mm的誤差，即8 μm / 1 000 mm的誤差·由於現有的橫梁導軌基麵的加工工（gōng）藝會（huì）導致橫梁導（dǎo）軌8μm / 1 000 mm的誤差，因此，結合加工圖線5對橫梁加工工藝進行改進。

3、試（shì）驗驗證

由於垂直度（dù）誤差（chà）的（de）檢測與直線度誤差息息相關，而且橫梁導（dǎo）軌改進工（gōng）藝後也需要通過測量導軌直線度誤差進行（háng）驗證，因（yīn）而在進行垂直度測（cè）量的同時也對橫梁導軌的直線（xiàn）度誤差進行檢測。為了保證實際測量的準確性，測量時不僅要測量導軌兩端的誤差，對其中間部分也進行了測量，然（rán）後取平均值。通（tōng）過平尺、直角尺和千分表對垂直度進行測定，測量原（yuán）理回如圖6所示。測（cè）量（liàng）X, Y軸相互垂直度時，將直角尺置於工作台（tái）上，指示器安裝在Y軸上（shàng），指示器的測頭與直角尺懸邊接觸。移（yí）動Y軸，得到指（zhǐ）示器讀數。橫梁導軌（guǐ）直線度的測量實驗，測量原理圖如圖7。利用雷尼（ní）紹公司的ML10激光器測量導軌直線度，其原理為:使用（yòng）激光十涉儀測量導軌時，反射鏡（jìng）3沿著導軌力一向運動，當反射鏡有偏（piān）轉角度時，光束5和（hé）6會（huì）產生光（guāng）程差，即十涉條（tiáo）紋會產生相應的變化，通過運算器將其轉換為直線度誤差。將得到的直線（xiàn）度和垂直度數據列入表（biǎo）2.

圖6 垂直度測量（liàng）原理

圖7 直線度測量（liàng）原理

表2 直線度和垂直度測量值

工藝改進後與（yǔ）現（xiàn）有車間加工工藝相比，數據結果顯示橫梁導軌直線度誤差降低了81%, X軸與Y軸垂直度誤差降低了85 % ,裝配精（jīng）度顯著提高。由此證明通過改進橫梁加工工藝進而解決機床X軸與（yǔ）Y軸超差的問題是十分有效的。

4、結論

通過對龍門式世銑（xǐ）加工中（zhōng）心垂直度誤差進行（háng）測量後發現其X軸和Y軸形成的垂直度誤差為其主要誤差源。對兩軸垂直度誤差產生的原（yuán）因進行分析後得知橫梁（liáng）重力是其重要的影響因素。通過有（yǒu）限元軟（ruǎn）件對加工中心進行靜力學仿真分析後，得到在（zài）11個橫梁位置處的變形（xíng）量，從而得到供加工工藝補（bǔ）償（cháng）用的加工曲線。利用直（zhí）線度誤差和垂直度誤差測量實驗，發現改進工（gōng）藝後直線度（dù）誤差降低了81%, X軸與Y軸垂直度誤（wù）差降低（dī）了85 %。說明通過改進橫梁的加工工藝（yì），可以實（shí）現橫梁裝配精（jīng）度的提高，也證明了該力一法對於加工中心解決X軸與Y軸垂直度超差問題的正確性和（hé）可行性。

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