提高龍門鏜銑床橫粱導(dǎo)軌直線度的方法研究
2017-1-11 來源：齊齊哈爾大學(xué)機電工程學(xué)院 作者：包麗 張洪軍
摘要：橫梁導(dǎo)軌是龍門鏜銑床重要的支撐部件，其直線度精度直接影響工件的加工精度。針對龍門鏜銑床長時間運行后橫梁導(dǎo)軌直線度精度降低的問題，依托有限元技術(shù)。從橫梁結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場裝配工藝兩個角度提出解決方案。從橫梁結(jié)構(gòu)上改進(jìn)來提高抗彎剛度，從工藝上調(diào)整立柱的地腳螺栓處墊鐵。通過橫梁導(dǎo)軌變形量試驗，結(jié)構(gòu)和工藝都改進(jìn)后的橫梁導(dǎo)軌直線度提高超過50％，說明改進(jìn)方法對提高橫梁導(dǎo)軌直線度有明顯作用。
關(guān)鍵詞：龍門銑鏜床；有限元分析；直線度；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；墊鐵
龍門鏜銑床具有高精度特性，在加工結(jié)構(gòu)復(fù)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(dāng)其重要支撐部件橫梁導(dǎo)軌的直線度誤差超過設(shè)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(zhì)量，因此需要對提高橫梁導(dǎo)軌直線度精度的方法展開研究。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，韓麗娟等對某型數(shù)控車床的導(dǎo)軌直線度及其測量過程進(jìn)行了研究，并編寫了直線度誤差測量程序，但沒有從結(jié)構(gòu)和工藝角度對提高橫梁直線度的方案進(jìn)行討論；寧延平舊。等對國內(nèi)外高精度直線度的各種測量方案進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析，但未針對龍門鏜銑床的橫梁導(dǎo)軌直線度進(jìn)行研究。現(xiàn)有報道多見對直線度測量及數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容，未見對大型龍門銑床的橫梁導(dǎo)軌直線度提高方法的探討。
龍門鏜銑床裝配過程中容易出現(xiàn)工藝不當(dāng)?shù)膯栴}，隨著使用時間的增長，其主要支撐部件如橫梁由于磨損、自身重力變形、撞擊變形等因素會使得導(dǎo)軌的直線度精度降低日J(rèn)。要保證工件的加工精度就必須保證橫梁導(dǎo)軌的直線度精度。針對長時間運行后機床橫梁導(dǎo)軌直線度精度降低的問題，本文從橫梁導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場裝配工藝兩個方面進(jìn)行研究。利用有限元分析技術(shù)，分別改進(jìn)橫梁結(jié)構(gòu)和裝配工藝來提高橫梁直線度精度：一在結(jié)構(gòu)上提高橫梁的抗彎剛度；二是調(diào)整靠近橫梁導(dǎo)軌側(cè)的立柱上地腳螺栓處墊鐵。最后將改進(jìn)結(jié)構(gòu)和工藝后的橫梁導(dǎo)軌有限元仿真結(jié)果和現(xiàn)場試驗測試結(jié)果對比分析，提高直線度都達(dá)到了50％以上，證明改進(jìn)方案是正確的。
1.有限元建模
國產(chǎn)的某型龍門鏜銑床由床身、立柱、橫梁、主軸箱、工作臺等部件組成，如圖1所示。由于龍門鏜銑床幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建立有限元模型時，忽略掉所有細(xì)微復(fù)雜的幾何因素，只考慮起主導(dǎo)作用的因素來建立整機的簡化模型。4。j。采用Pro／E軟件先將各部件建立三維實體模型并裝配得到整機模型，導(dǎo)人ANSYS的Work—bench應(yīng)用平臺，設(shè)置機床的材料屬性∞。o。其中立柱的材料為HT250，楊氏模量為1．2 X 105 MPa，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 X 105 MPa，密度為7 860 kg／m3，泊松比0．3。在結(jié)合面處將節(jié)點自由度完全耦合舊J，將床身、立柱、橫梁、連接梁和主軸箱等部件裝配，得到龍門鏜銑床整機的有限元模型。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，采用SOLID 45單元對實體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有338 390個節(jié)點，142 169個單元，見圖2。
2.改進(jìn)橫梁導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)
為提高橫梁導(dǎo)軌直線度，需要從結(jié)構(gòu)上改變。其結(jié)構(gòu)可以在內(nèi)部改進(jìn)，考慮到現(xiàn)有龍門鏜銑床橫梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)成型，因此在橫梁外部進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，橫梁在y向的抗彎剛度較低。由于其剛度是連續(xù)變化的，而橫梁中間沒有支撐點，其柔度較大。為增加其y軸的抗彎剛度，考慮到需要在原有橫梁的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提出一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案如圖3。為避免主軸箱的加工行程受限，將矩形結(jié)構(gòu)增加在原有橫梁上方來提高其在垂直面和水平面的剛度。對改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的橫梁裝配體在重力作用下的變形進(jìn)行有限元分析，得到結(jié)構(gòu)改變后的主軸頭沿z向位移量見表1和圖4a，沿X向位移量見表2和圖4b。
圖4原始和改進(jìn)后結(jié)構(gòu)兩種情況下主軸頭沿z向和坰位移的變化量
表1 結(jié)構(gòu)改變前后主軸頭z向位移的變化
表2結(jié)構(gòu)改變前后X向位移的變化
從表1、2的數(shù)據(jù)和圖4發(fā)現(xiàn)：(1)原始結(jié)構(gòu)主軸頭沿z、x方向的位移變化值相對較大，其差值也相對較大，分別為：39．1—25．8=13．3斗m，14．5—5．5=9Ixm；(2)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)主軸頭沿z、x方向的位移變化值相對較小，其差值也相對較小，分別為：33．5—26．1=7．4 Ixm，9．8—4．5=5．3 txm；(3)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)能使y軸橫梁在眩平面和XY平面內(nèi)直線度變好，都提高了近50％。
3.改進(jìn)裝配工藝
現(xiàn)場裝配工藝按照先部裝，再總裝的原則，先對橫梁進(jìn)行部裝后，將橫梁與立柱進(jìn)行裝配。在安裝調(diào)整好之后，對裝配工藝進(jìn)行改進(jìn)：通過調(diào)整立柱的地腳螺栓處可調(diào)墊鐵(靠近橫梁的導(dǎo)軌側(cè))，使其稍微調(diào)高一些，要根據(jù)有限元模型中橫梁及其主軸箱的重力來確定“調(diào)高”的這個量。這種做法可以改善滑鞍、主軸箱傾覆力矩對橫梁導(dǎo)軌直線度的影響，但主軸頭的位置可能會發(fā)生相對較大的位移，這樣會產(chǎn)生應(yīng)力(主要是床身與立柱的連接螺栓處)，對機床精度保持性可能產(chǎn)生影響。把調(diào)整墊鐵沿z方向調(diào)高0．03 mm的位移，再根據(jù)有限元分析計算主軸頭上在XY平面內(nèi)沿x向的位移的變化值，得出變化值的系列值。得到表3和圖5。在變化的系列值找出最大值和最小值的差值，即對直線度的影響。
表3主軸頭上某固定點沿z向的位置變化值
圖5兩種情況下主軸頭沿x方向位移的變化量
從表3的數(shù)據(jù)及圖5發(fā)現(xiàn)：(1)原始結(jié)構(gòu)主軸頭沿x方向的位移變化值比較小，但是其差值相對較大，其大小為：14．5—6．9=7．6斗m；(2)地腳螺栓處墊鐵調(diào)整后主軸頭沿x方向的位移變化值比較大，但是其差值相對較小，其大小為：51．2—47．2=4斗m；(3)調(diào)整靠近滑鞍側(cè)地腳螺栓處墊鐵能使橫梁導(dǎo)軌直線度變好，提高了近50％。
4.試驗驗證
為檢驗結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)后橫梁導(dǎo)軌直線度的變化，考慮到橫梁在Z向的變形量較大，因此進(jìn)行了主要體現(xiàn)其z向位移變化的橫梁導(dǎo)軌變形量測量實驗，測量現(xiàn)場如圖6。橫梁在x向的位移可采用自準(zhǔn)直儀法進(jìn)行測量Ll 0|，文中不加詳述。將改進(jìn)方案后的有限元仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。通過對比改進(jìn)方案前后主軸頭沿z向位移量，得到橫梁導(dǎo)軌的直線度數(shù)值。按照實際裝配情況將橫梁置于立柱上，以工作臺水平為基準(zhǔn)，將千分表放置于滑枕下，以橫梁右端為起始點，得到方案改變前后主軸頭z向位移變化¨¨如圖7。由圖7發(fā)現(xiàn)：(1)試驗測量結(jié)果和有限元仿真結(jié)果吻合度較好，有限元仿真結(jié)果的位移差值(3．8斗m)比測量結(jié)果(2．6斗m)大；(2)測量結(jié)果中原始結(jié)構(gòu)主軸頭沿z方向的位移變化值相對較大，其大小為：14．5—6．5=8(斗m)；(3)方案改進(jìn)后主軸頭沿z方向的位移比較大，但是其差值相對較小，其大小為：51．1—48．5=2．6(斗m)；(3)方案改進(jìn)后，有限元仿真結(jié)果和試驗測量結(jié)果顯示分別提高橫梁導(dǎo)軌直線度53％和67％。
5.結(jié)語
橫梁導(dǎo)軌直線度精度對加工件質(zhì)量有著重大影響。對國產(chǎn)某型龍門鏜銑床進(jìn)行實體建模和有限元網(wǎng)格劃分后，對橫梁導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和裝配工藝分別進(jìn)行改進(jìn)后得到兩組仿真結(jié)果。結(jié)合橫梁導(dǎo)軌變形量測量試驗和總體方案改進(jìn)后的仿真數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：
(1)單獨將橫梁導(dǎo)軌外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后能使橫梁在XY和泫平面內(nèi)直線度都提高近50％。
(2)通過調(diào)整靠近滑鞍側(cè)的地腳螺栓處墊鐵可以改善滑鞍、主軸箱傾覆力矩對橫梁導(dǎo)軌直線度的影響，但主軸頭的位置發(fā)生了相對較大的位移。但仍能使橫梁導(dǎo)軌直線度提高近50％。
(3)結(jié)構(gòu)和工藝都改進(jìn)后的方案有限元仿真結(jié)果與試驗得到的數(shù)據(jù)吻合度好，對橫梁導(dǎo)軌直線度分別提高53％和67％。說明了改進(jìn)方案的正確性和有效性。
(4)在改進(jìn)橫梁導(dǎo)軌直線度的兩種方法中，在保證機床整體剛度的前提下，可以優(yōu)先考慮調(diào)節(jié)地腳螺栓處墊鐵的方案，但是調(diào)整地腳螺栓處墊鐵方法的通用性需要進(jìn)一步探討。
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