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高（gāo）精度橋式五軸加工中心橫梁仿形工藝技術（shù）

2023-5-4 來（lái）源：通（tōng）用技術集團（tuán）沈陽機床有限責任公司作（zuò）者：尚紅趙普金

摘（zhāi）要 : 現代航空航天等行業對（duì）零（líng）件精度和質量要求較（jiào）高，需要加工機床具備高精度、高可靠性和精度保持性。國產設備在高精度和可靠性（xìng）方麵與國外先進技術水平還有一定差距，在航空航天（tiān）等領域國產設備占有（yǒu）率低，在關（guān）鍵核心（xīn）技術上還有許多 “卡脖子” 問題急需解（jiě）決。高精度橋式五軸加工中心主要用於飛機部件骨架表麵銑削、鑽削加工與裝配製孔。其加工（gōng）能力強，尺寸規格大，定位精度高（gāo），兼（jiān）容高效切削，機床具有五軸聯動功能。對機（jī）床的關鍵部件大型橫梁導軌直（zhí）線（xiàn）度仿形加工、裝配、測量技術研究（jiū），是（shì）此類機床精度保持性（xìng）的核心製造技術之一。本文通過（guò）對（duì）橫（héng）梁加工、裝（zhuāng）配及檢測精度的製造工藝技術的實踐與總結，詳述大型橫梁的仿形加工及（jí）裝配工（gōng）藝過程。

一、依據有限元分析繪出橫梁導軌受力（lì）變形曲線

高精度橋式五軸加工中心因橫梁兩端由橋梁、滑座雙支撐橫跨工（gōng）作台的結構特點，中（zhōng）間懸掛滑板、滑枕和五軸頭等部件，導致橫梁導軌（guǐ）除受自身重力外，還需承載較大的重力及傾覆力（lì）矩，實際裝配掛梁後由於重力及傾覆力矩作用橫梁產生塌腰現象。

1.Ansys靜力分析

以裝（zhuāng）配體的形式建（jiàn）立橫梁三維模型，通過有（yǒu）限元對橫梁靜、動態性能進行分（fèn）析（xī），依據（jù）橫梁（liáng）振動相（xiàng）對變形（xíng）的振型和幅值，以及機床的工作環境和機床設計的結構力學理論，提出橫梁結構及加工的改進建議，從而對（duì）橫梁進行仿形加工。

建立橫（héng）梁裝配體三維模型，以 X 方向為垂直於橫梁（liáng）向內、Y 方向為平行於橫梁向左、Z 方向為垂直於（yú）橫梁向上為正。依據有限元分析，設計大（dà）型橫梁 1# 上導（dǎo）軌大麵、2# 上導軌立麵、3#下導軌大麵、4# 下導軌立麵仿形曲線（xiàn）圖（見圖 1）。

圖 1 橫梁導軌麵示意（yì）圖

2.橫梁導軌仿（fǎng）形曲線

裝配狀態下橫梁僅受重（chóng）力作用，由（yóu）於受自身重力（lì）及懸掛滑板、滑枕等部件的重力導致變形，橫梁上下兩條直線導軌（guǐ）麵中間部（bù）位（wèi）變形最大，最大位置為橫梁中間上端部分 , 變形趨勢主要為橫梁中間部分（fèn）下沉和繞 Y 方向扭轉。橫（héng）梁受重力和（hé）切削力共同作用，受 X/Y/Z 方（fāng）向（xiàng）切削（xuē）力情況下的整體和分方向靜力變形，最大（dà）位置均為橫梁中間上端，其中受 X 方向切削力（lì）變形明顯，主要是（shì）因為中部（bù）上端受切削力後扭轉增大 ; 受 Y 方向切削力變形不大 ; 受 Z 方向切（qiē）削力變形中部上端變化明顯。橫梁的最大變形量發生在滑板移動到橫梁中間（jiān），滑枕移到下極限位置時。加工工藝根據其變形曲線（xiàn）仿形加（jiā）工，減少（shǎo）滑板、滑枕在橫梁上移動時產生的（de）直線度誤差。橫（héng）梁導軌受力變形量仿形曲線圖（見圖 2）。

圖 2 橫梁導軌仿形曲（qǔ）線圖

二（èr）、橫梁仿形加工

從橫梁材料硬度、熱處理、加工、裝配及檢測精度入手，通過橫梁加工及裝配（pèi）過（guò）程（chéng）直線度等精度檢測數據分析，找出橫梁導軌麵加工曲線及工藝方法滿足裝配精度（dù）要求。

1. 材料及熱處理

高精度橋式五軸加工中心大型橫梁材（cái）料為焊接低合金結構鋼 16Mn，零件輪廓尺寸長 × 寬 ×高為（wéi） 10460×1815×1580mm，淨重 25.5 噸，標準材料 16Mn 鋼材厚度（dù）大於 50~100mm 方，抗拉強度 Rm 為 470~620N/mm2。根據硬度抗拉強度對照（zhào）表德國標準 DIN50150 查得布氏硬度為143~185HBW。

大型零件材料為焊接件（jiàn）的（de）由於焊接引起焊件不均（jun1）勻的（de）溫度分布，焊縫（féng）金屬的熱脹冷（lěng）縮等因造成焊接殘餘應力，零件在機加工之後其內部易殘存應力，所有這些內（nèi）應力都必須消除。消除殘餘應力最通用的方法是去應力退火，即將零件放在熱（rè）處理爐內加熱到一定溫度 (Ac1 以下 ) 和保溫一定時間，利用材料在（zài）高溫下屈服極（jí）限的降低，使內應力高的（de）地方產生塑性流動，彈性變形逐（zhú）漸減少，塑性變形逐漸增（zēng）加而使應力（lì）降低。焊接件去應力退火加熱溫度為 500~550℃，保溫時間為 2~4h，爐冷至 300℃以下出爐空冷，消除加工應力退火加熱溫度為 400~550℃，保溫時間為 2~4h，爐冷或空冷（lěng）。橫梁去應力退火對零件精度（dù）保（bǎo）持有重要作用（yòng），零件質量穩定性較（jiào）好，因此大型橫梁應二次以（yǐ）上去應力（lì）熱處理即毛（máo）坯焊接

後及粗加工後去應（yīng）力退火。

依據標準並結合實際應用（yòng）繪出熱處理溫度 -時間工藝曲線圖（見（jiàn）圖 3）。熱處理工藝（yì）規程 :大（dà）型焊接橫梁裝爐（lú）底部墊平，入爐溫度不大於300℃，加熱升溫速度不大於 100℃ /h，加熱至500~550℃保持溫（wēn）度 4h，後隨爐冷卻至 300℃以下，出爐空冷。

2. 橫梁加（jiā）工工藝

大型橫梁加工工（gōng）藝流程（chéng） : 毛坯（焊接16Mn）- 毛坯去應力退火 - 劃 - 粗銑 - 時效處理（二次去（qù）應力退火）- 半精銑（放置 48h）-精銑（仿形加工（gōng））- 搖鑽 - 鉗序（清理）- 油漆。大型（xíng）橫梁在加工前應劃線，照顧支撐麵及直（zhí）線導軌麵壁厚均（jun1）勻，回字內腔壁厚均勻且成矩形。粗銑（xǐ）選用大型龍門銑床，用可調墊鐵，以導軌麵為粗加工（gōng）基準，銑背麵做為導軌麵粗銑加工基準麵，粗銑序橫梁直線導軌向（xiàng）上，銑出導軌形狀，去除機械加工餘量（liàng），提前發現毛坯缺陷等（děng）。橫梁粗加工後要進行二次時（shí）效，去除殘餘應力退火。半精銑選擇大型數控龍門鏜銑床，為（wéi）避免大型橫梁吊裝、翻轉產生（shēng）變形，大型橫梁應在此（cǐ）序以（yǐ）裝配狀態加工，以導軌麵為裝（zhuāng）置（zhì）麵，精銑橫梁支撐麵做裝置（zhì）麵，除直線導軌、光柵（shān）尺、齒條基準麵

留量外，其餘防護、管路及（jí）電氣元件等結合麵（miàn）、螺紋（wén）孔（kǒng）均加（jiā）工完成，保證零件相關尺寸精度。

圖 3 溫度 - 時間工藝曲線圖

關鍵工序精銑（xǐ）序，選擇精密（mì）龍門五（wǔ）麵加（jiā）工中心，先以導軌麵為裝置麵，精（jīng）銑橫梁支撐麵做裝置麵，保證支撐（chēng）麵平麵度不大於 0.05mm。再以裝配（pèi）狀（zhuàng）態支撐麵為裝置麵，將四塊墊鐵按橫梁支撐麵（miàn）內側基麵位置固定於（yú）方（fāng）箱座上，自銑墊鐵鈔平，橫（héng）梁放置於四塊鈔平墊鐵（tiě）上，按導軌大麵找正（zhèng） 0.02mm，檢測各墊鐵與橫梁支撐基麵間是否有縫隙（xì），將 4 個 0.1mm 等厚銅皮放於墊鐵上，橫梁落下後，抽（chōu）動銅（tóng）皮不動，可以進行加工（見（jiàn）圖 4）。用直角頭精銑齒條安裝正、側麵，檢測正麵和側麵直線度，通過數據曲（qǔ）線分（fèn）析機床（chuáng）實（shí）際精度。按設計仿（fǎng）形曲線圖及機（jī）床實際精度（dù）綜合修正值編程，按程序再次加工齒條安裝正、側麵驗證曲線，加工後檢測。檢測直線度（dù）與導軌設計仿形曲線一致後，仿形（xíng）加工上下導軌（guǐ）大麵、立（lì）麵，同（tóng）時精銑齒（chǐ）條麵、光柵尺麵等安裝基麵，精銑時壓板鬆開不夾緊。

圖 4 橫梁加工示意（yì）圖

大型橫梁精加工設備采（cǎi）用沈陽（yáng）機床自製的（de）龍門橋式（shì）五軸加（jiā）工中心 GMC50200u，用A/C 五軸（zhóu）頭（刀柄 HSK-A63）直角定位精銑仿形（xíng）曲線，設備精度具備 X/Y/Z 定位精度0.02/0.015/0.01mm,重複定（dìng）位精度0.008mm。加工刀具 : 大麵精銑用方肩麵銑刀 Φ63（Z=5），立麵精銑整體硬質（zhì）合（hé）金立銑刀 Φ20（Z=3），液（yè）壓夾緊刀（dāo）柄，切（qiē）削參數均為轉速 S=1000r/min, 進給 F=285mm/min。

三、橫梁裝配

高精度橋式五軸（zhóu）加工中心（xīn）與橫梁相關（guān）的幾何精度有:G3 項Y軸軸（zhóu）線運動的直線（xiàn）度（dù） : ① 在YZ 垂直平麵內（nèi） ; ② 在XY水平平麵內允差值 :0.014/1000mm;0.035/7000mm。G4項Y軸移動的角度偏差 : ① 在（zài） YZ垂直平麵內 ( 俯仰 ); ② 在 XZ 垂直平麵內（傾斜）; ③在 XY 水平麵（miàn）內（偏擺）允差值：0.015/1000mm;0.04/7000mm。

1. 橫梁裝配（pèi）工藝（yì）

橫梁裝配工藝流程（chéng） : 橫梁精加工後入裝配 -單件直線度檢測 - 線軌裝配 -- 安裝線軌後直線度檢（jiǎn）測 - 齒條裝配（pèi） - 光柵尺裝配 -Y 軸驅動（dòng）裝配 -安裝液壓管路 - 電氣接線 - 安裝行程開關確定 Y軸行程（chéng） -Y 軸總裝直線度（dù）檢測（加修或刮研調整）-角度偏差檢測（加修或刮研（yán）調整）- 防護安裝。通常，龍門式數控機床（chuáng）為保證裝配後的 Y 軸運動的直線（xiàn）度，工藝方法根據設計變形曲線圖（tú）進行仿形加工，但因設（shè）備精度（dù）、環境溫度、材料硬（yìng）度等諸多因素影響，實際銑削仿形曲線往往會隨之發生變化。橫梁精加工後轉部裝，為減少環境溫度偏差造成的直線度誤差，橫梁進（jìn）部裝在安（ān）裝（zhuāng）直線導軌前、後應複檢導軌正、側向直線度，對於直線導軌橫梁部裝（zhuāng）檢測有兩種姿（zī）態即平放或立放檢測（cè）。平放即直線（xiàn）導軌大麵向上，用自準直儀檢測

直線度，根據直線度計算軟（ruǎn）件得出上下（xià）導軌正、側向曲線值，應用於小型批量型龍門式數控鏜（táng）銑（xǐ）床橫梁。大型橫梁采用立放即裝配狀態，用激光（guāng）校準儀（yí）檢測導軌直（zhí）線度，檢測數值與設計曲線值對比，不合格轉加工車間加修，合格轉總裝掛箱檢測。

總裝掛箱後實測 Y 軸移動直線（xiàn）度，滑枕處於最下端，用激（jī）光校準儀通過專用支板具與滑枕結（jié）合置於滑枕上，200mm 步長采數，分（fèn）別得出（chū） YZ垂直平（píng）麵內（nèi）正向直線度，XY 水平平麵內側向直（zhí）線度。用電子水平儀置於與滑枕連接支架具上，500mm 步長采數，移動滑板 Y 軸由負向正，得ZX 垂直（zhí）麵（miàn）內角偏和 YZ 垂直（zhí）麵內角偏。用自準直儀移動滑板 Y 軸由負向（xiàng）正，得在 XY 水平麵內角（jiǎo）偏。通（tōng）過總裝掛箱後實測 Y 軸運動（dòng）直線度及角（jiǎo）度偏差（chà），分析（xī）直線度及角度偏差是否滿足幾何精（jīng）度允差（chà）值（zhí），如與要求不符合裝配分析直線度及角偏數值及曲（qǔ）線圖形，計算（suàn）實際（jì）曲線修正值並編製程序加修，或（huò）裝配采取刮研方法，達到整機幾何精（jīng）度的驗收要求。

2. 橫梁（liáng）裝配刮研

橫梁在總裝精度檢測後為減少其加（jiā）修過程（chéng）中的變形，裝配采（cǎi）取刮研方法進行精度調整。高精度橋（qiáo）式五（wǔ）軸加工中心大（dà）型橫梁直線導軌（guǐ）呈對稱式設計，依據仿形（xíng）曲線並結合實際，裝配仿（fǎng）形（xíng）曲線導軌直線度檢測精度在 YZ 垂直麵內下導軌大麵直線度為 0.01~0.02mm，導（dǎo）軌中部凹，上導軌大麵直線（xiàn）度為 0.025~0.03mm，導軌中部凹。在 XY 水平麵（miàn）內上、下導軌立麵直線（xiàn）度為0.1~0.13mm，導（dǎo）軌中部上凹下凸，上下導軌平行度 0.02mm。仿形加工（gōng）後，部裝安裝直線導（dǎo）軌，用電子水平儀（yí）檢測導軌（guǐ）直線度，對比理論曲線 : │實測值 - 理論值│≤ 50μm，導軌直線度基本符合設計（jì）曲線允差範圍。總裝掛箱並安裝五軸（zhóu）頭後Y 軸移動用激光（guāng）校準儀檢測導軌直線度及用電子水平儀檢測（cè）角偏，裝配記錄檢測數值並分析。為減少橫梁反修周（zhōu）轉（zhuǎn）變形，裝（zhuāng）配采用刮研橫梁上下導軌大麵及立麵方法，使用電動或手動刮刀，通過刮研導（dǎo）軌大麵和立（lì）麵，提高 Y 軸移動的（de）直線度及角偏精度。刮研方法，刮研前根據總裝檢測數值（zhí）及圖形，先確（què）定刮研位置及範圍、刮研量、刮研次（cì）數。按 200mm 一段劃線做好標記，導軌麵刮研應邊刮研邊檢測，每次刮研嚴格（gé）控製刮研量，不許刮過量，每（měi）刮一次（cì）需用專用研具（jù）檢驗接觸率 ,當刮研（yán）直線導軌兩端時，假導軌麵也需要刮研，保證假導（dǎo）軌與導軌對接處平整，不能出現台階。刮研完成後（hòu），安裝直線導軌檢驗幾何（hé）精度，若不合，再一次進行刮研，直至合（hé）格為止。

四、橫梁直線度檢測方法

導軌直線度現（xiàn）有四種檢測（cè）方法 : 平尺（chǐ）拉表法（fǎ）、自準直儀（yí）（平行光（guāng）管）、水平儀、激光校準儀。平尺拉表法因（yīn）為（wéi）受（shòu）平（píng）尺長（zhǎng）度影響，隻（zhī）能檢測（cè）橫梁局部的直線度，所以不采用。一般情況下（xià），橫梁直線度檢（jiǎn）測用（yòng）自準直儀，通過專用橋板長200mm 置於（yú）直線（xiàn）導軌大麵及立麵上，檢測平數隨導軌長度增加而增（zēng）多，記錄（lù）數據後通過輸（shū）入計算機直線度計算（suàn）程（chéng）序軟件，生成圖（tú）形曲線。框式水平儀一般用於調整橫梁水平，因檢測直線度效率低及讀數誤差大，現已（yǐ）很少（shǎo）使用。大型橫梁直線度檢測，為提高（gāo）檢（jiǎn）測精度及檢測效率購置高精度的電子水（shuǐ）平儀、激光校準儀、直（zhí）線度鏡組，並根（gēn）據檢測方法設計專（zhuān）用的滑塊連接板（bǎn）、平行檢具、等高塊等。電子水平儀因無讀數誤（wù）差、數（shù）據可（kě）傳輸、可通過軟（ruǎn）件計算生成曲線圖，操作簡單等優

點，為工（gōng）藝方（fāng）法廣泛推廣使用。

五、結束語

通過對大型橫梁仿形加工及裝配的實踐（jiàn），提（tí）出橫梁設計及工藝優化的建議。

（1）橫梁結構直線導（dǎo）軌應采（cǎi）用上下導軌側基準在下導軌形狀平移式分布，不應如床身直（zhí）線導軌形狀（zhuàng）對（duì）稱式（shì）分布（見圖 5）。優點在於 : ①側基準在下可作為直線導軌的支撐麵，通過預變（biàn）形仿形加工凸形補償導軌因重力塌腰 ; ②平（píng）移式側（cè）基準麵因（yīn）中凸式仿形（xíng）加工，立銑刀為切出式切削，切削力小，切削（xuē）精度及（jí）效率高，相（xiàng）反如果對稱式分布其中一條側基準為切入式吃刀，切削力變大，切（qiē）削精度受影響 ; ③平移式側基（jī）準對於大型橫梁立式裝配有利（lì）。大型橫梁為（wéi）避免吊裝、翻轉的變形，部裝（zhuāng）采用裝配狀態安（ān）裝直線導（dǎo）軌、齒條、光柵尺，直線導軌側（cè）壓塊安裝方便且側（cè）頂（dǐng）力均勻。相反如果對稱式分布其中一條側基準在上，導軌仿形為凹形，側壓塊在（zài）鎖緊固定時，需要較大的力，導致直線導軌側基準因受力不（bú）均而變形，影響裝配精度。④平移（yí）式側基準對於裝配刮研有力。因側基準為平行（háng）中凸，裝配（pèi）刮研隻刮高點，操作相對容易且準確快捷。而對稱式分布兩條側（cè）基準仿形為上凹下凸式，凹麵刮研量大且困難。

圖 5 橫梁直線導軌分布

（2）大型橫梁超重超大，因結構優化橫梁外觀差別較大。鑄件橫梁上下導軌（guǐ）階梯平（píng）移（yí）式布局、焊接橫梁背板整板煨彎式（shì）設計、大型焊接橫梁回字腔整板筋加強型設計等，大型橫梁因吊裝翻轉困難且容易變形，建（jiàn）議橫梁半精（jīng）加工、精加工（gōng）按裝配狀態自然裝夾，保持加工及裝配基準統一。

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