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       摘要: 龍門鏜銑床的床身X 軸與橫梁Y 軸垂直度誤差是其坐標垂直度誤差的主要方面。對其影響因素進行分析后發(fā)現(xiàn)橫梁導軌的不均勻磨損會增大橫梁導軌的直線度和上下導軌的平行度誤差，從而嚴重影響鏜銑床坐標垂直度誤差。為防止此種情況產生，從橫梁的結構和裝配工藝兩方面對其進行研究。發(fā)現(xiàn)橫梁的不等高導軌結構可防止不均勻磨損使上下導軌受力均勻，通過有限元仿真分析得到了橫梁導軌安裝基面的最佳高度差。對實際裝配工藝產生的垂直度誤差進行計算，發(fā)現(xiàn)裝配工藝可能導致機床坐標垂直度誤差超差，降低導軌壽命。最后給出了改進建議。
 
      關鍵詞: 龍門鏜銑床; 有限元分析; 垂直度誤差; 裝配工藝
 
      龍門鏜銑床具有高精度特性，在加工結構復雜的模具、板盤、箱體及凸輪等各類工件中發(fā)揮著重大作用。但是當其重要支撐部件橫梁導軌與床身導軌的垂直度誤差超過設計精度時，就會使得零件的輪廓誤差和位置誤差都超差，大大降低加工工件的質量，因此需要對其進行修正。從現(xiàn)有研究來看，陳安［1］等對數(shù)控機床的垂直度誤差影響的孔位誤差、直線和圓弧誤差進行了數(shù)值分析并提出了軟件補償?shù)姆桨福珱]有討論橫梁導軌對垂直度誤差的影響; 張森［2］等對龍門加工中心的橫梁結構進行了優(yōu)化設計，得到了一種總位移變形量最小的結構形式，但未對垂直度誤差問題進行研究。現(xiàn)有研究中未見對橫梁導軌對龍門式鏜銑床垂直度誤差的影響問題進行探討的報道。
 
      龍門鏜銑床裝配過程中容易出現(xiàn)工藝不當?shù)膯栴}，隨著使用時間的增長，其主要支撐部件由于磨損、自身重力變形、撞擊變形等因素會導致機床運動幾何精度降低，各部件之間的位置關系容易發(fā)生變化，最終使得機床運動幾何誤差增大［3］。經現(xiàn)場測量某型龍門式加工中心發(fā)現(xiàn)，橫梁Y 軸與床身X 軸形成水平XY 面內的垂直度誤差是其垂直度誤差的主要方面，因此需要對其影響因素進行研究。本文通過對龍門鏜銑床坐標垂直度誤差的影響因素進行分析，發(fā)現(xiàn)橫梁導軌的不均勻磨損會使Y 軸直線度無法保證，容易導致機床垂直度誤差超差，所以對圍繞導軌不均勻磨損的兩大原因即橫梁導軌的結構和現(xiàn)場裝配工藝進行研究。
 
     1、 橫梁影響機床坐標垂直度誤差
   
     龍門鏜銑床在加工過程中，各軸的垂直度誤差都經過測試，欲滿足機床的設計精度，就需要進行修正，影響垂直度誤差的因素主要是各配合部分的移動［1］。作為機床最核心的關鍵性部件，經過長時間的振動和受力，龍門經常會發(fā)生偏移，橫梁導軌的Y 軸和床身X軸之間垂直度誤差就這樣產生了。具體龍門鏜銑床結構見圖1。
 
    
  
     在實際的裝配工藝中，在安裝拖板時，是由吊車吊至導軌處，慢慢往下放，如果看見拖板上滑塊定位面與滑塊間沒有間隙時，就按照對角擰緊的方式擰緊螺釘，檢查時，拖板定位面與滑塊側面要求0． 03 mm 塞尺不入。在此過程中，如果吊車多往下放1 mm( 這是完全有可能的) ，就會使得拖板的重量全部由拖板上的定位面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。這樣拖板的重力變形會引起Y 軸導軌直線度誤差超差進而產生垂直度誤差。國產某型龍門機床橫梁上使用的是日本THK 公司的導軌，根據(jù)保守估計可以使用10 年以上，導軌的磨損量很小。但是，由于結構設計時未進行仿真分析，裝配工藝又易出現(xiàn)上述問題都會導致導軌的磨損量過大，使導軌的直線度、上下導軌的平行度等都達不到設計所給出的要求，最后都會導致機床的垂直度誤差無法保證。由此分析，橫梁導軌的實際磨損量可能嚴重影響龍門鏜銑床的垂直度誤差，因此需要對其結構和實際的裝配工藝進行研究。
 
      2 、導軌安裝面不等高的橫梁結構
 
      國產某型龍門鏜銑床的導軌安裝面不等高結構比等高導軌安裝面的受力情況好得多［4］，結構如圖2 所示是仿效國外的機床結構，沒有進行過有限元仿真分析，導軌安裝面相差多高可以使上下導軌受力均勻也未進行過仿真分析，只是根據(jù)經驗。下面從直線導軌的均勻受力出發(fā)，研究導軌安裝面的高度差與直線導軌受力的關系。
  
  
       
  
      2． 1 有限元建模
   
      國產的某型龍門鏜銑床由橫梁、工作臺、床身、拖板等主要零部件組成。由于龍門鏜銑床幾何結構復雜，在進行有限元建模時，應該忽略所有細微復雜的幾何因素，只考慮一些起主導作用的因素來建立整機的簡化模型［5］。采用Pro /E 對其進行三維建模后，導入ANSYS 進行有限元靜力學分析。設置機床的材料屬性，其中立柱的材料為HT250，楊氏模量為1． 2 × 105MPa，密度為7 210 kg /m3，泊松比0． 22; 橫梁等其他大件用Q235A，楊氏模量為2． 1 × 105 MPa，密度為7 860kg /m3，泊松比0． 3。進行網格劃分時，采用SOLID 45單元［5］對實體進行網格劃分，在結合面處用自由度完全耦合［6］的方法將立柱、橫梁和拖板等部件進行裝配可得到用于靜力學仿真的有限元模型見圖3。
  
  
    
  
  
      2． 2 橫梁導軌的不等高結構
 
     選取龍門鏜銑床工況最惡劣的狀態(tài)即將拖板置于橫梁正中央位置后針對導軌安裝面高度的不同差值對鏜銑床進行靜力學分析，即計算機床在重力作用下的變形情況。得到導軌安裝面高度差0 mm，40mm，70 mm，75 mm，80mm，130 mm 處Z 向( 和導軌面垂直方向) 的上下導軌平均受力表1 以及其比值圖4。圖5 為仿真分析得出的在導軌安裝面高度差為75 mm 時Z 向的受力。
    
      

    
  
                           表1 上下導軌平均受力對比表
    

     
   
     圖4 為上下導軌以及滑塊上滾珠處的受力比值曲線。由圖可以看出，在高度差為75 mm 前，上導軌滑塊滾珠處的受力大于下導軌滑塊滾珠處的受力; 75mm 后正好相反。因此，從上下導軌受力均勻考慮，上下導軌安裝面的高度差應該選為75 mm，與仿照國外經驗設計給出的75 mm 正好符合。由此說明橫梁導軌安裝基面的高度差為75 mm 時，可使得橫梁導軌上下受力均勻，從而使得上下導軌的磨損均勻，實現(xiàn)橫梁導軌的等壽命設計。橫梁導軌的均勻磨損可以保證Y軸的直線度，減小龍門鏜銑床X /Y 軸垂直度誤差。
 
     3 、裝配工藝對導軌磨損的影響

     之前已經分析過，拖板由吊車吊至導軌滑塊上，并擰緊螺釘?shù)倪^程中，拖板絕大部分力很可能由拖板的定位面直接作用于下導軌滑塊上，從而使下導軌滑塊承受絕大部分力的情況。
  
    
  
     圖6 為拖板上的定位面與滑塊結合處的結構簡圖。針對此種情況的機床重力進行有限元靜力學仿真分析，得到圖7。由圖看出下導軌滑塊上滾珠處的受力由原來的0．81 MPa 變?yōu)楝F(xiàn)在的12． 7 MPa，下導軌滑塊中滾珠的磨損量也大大增加。下導軌的平均受力為0． 8 MPa，相比滑塊上滾珠處的受力是很小的，所以不計其磨損。
  
    

    
    
    
  
     將國產某型龍門式鏜銑床的手冊中相關數(shù)據(jù)代入式( 1) ，得到一年后的磨損量為11． 3 μm。說明現(xiàn)場裝配工藝使得下導軌承受絕大部分力，下導軌受力比較嚴重，可能導致一年后的磨損量為11． 3 μm，由此帶來
  
     
  
     即7． 99 μm，裝配工藝要求X /Y 軸的垂直度為0． 03mm( 全長) ，說明現(xiàn)場裝配工藝產生的垂直度誤差按照現(xiàn)有工藝估算只能大約用3 年半左右就需要更換導軌。這與預先保守估計的導軌壽命10 年以上有較大出入。因此，針對裝配工藝產生的垂直度誤差超差情況，可采取以下方案進行改進:
 
     ( 1) 可以使下導軌采用比較耐磨、精度比較高的直線導軌，上導軌采用精度差一點，耐磨性也差一點，價格比較便宜的導軌。這樣，既能保證上下導軌等壽命設計，提高Y 軸導軌的直線度，保證X /Y 軸垂直度不超差，又能降低導軌的成本，實現(xiàn)經濟性的要求。( 2) 零件如橫梁的加工工藝應該考慮其本身自重對其原有工藝的影響; 對于導軌的安裝基面( 含床身、橫梁) 應考慮添加“刮研”工藝。( 3) 在調整好X /Y 軸垂直度之后，在擰緊立柱地腳螺栓時，靠近橫梁一側的墊鐵稍頂高一些，要根據(jù)橫梁及其拖板的重力來確定這個頂高量; 再調整橫梁等高和水平，如不符合要求( 少量) ，應該加修或者刮研，不應該強制調整墊鐵。
 
      4 、結語
   
     龍門鏜銑床的橫梁是其重要的核心部件，橫梁導軌不均勻性的磨損會直接影響其直線度和上下導軌的平行度誤差，其所在的Y 軸在X/Y 平面內的直線度無法保證就會導致拖板在Y 軸上移動的時候，X/Y 軸不垂直即垂直度誤差超差。為保證機床X/Y 軸垂直度，從橫梁導軌安裝面的不等高結構以及實際的裝配工藝兩方面展開對垂直度影響的分析。先分析了不等高導軌安裝面上下導軌的受力情況，從而得出不等高導軌與等高導軌安裝面相比具有上下導軌受力均勻的優(yōu)點，同時得到了橫梁導軌安裝基面的最佳高度差; 再對裝配工藝導致下導軌主要承受拖板重力的情況進行分析后發(fā)現(xiàn)這種情況會導致機床坐標軸垂直度誤差增大，大大降低橫梁導軌的壽命。最后提出了具體的改進建議。