高精度橋式五軸加工中心橫梁仿形工藝技術
2023-5-4 來源： 通用技術集團沈陽機床有限責任公司 作者：尚 紅 趙普金
摘要 : 現代航空航天等行業對零件精度和質量要求較高，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方面與國外先進技術水平還有一定差距，在航空航天等領域國產設備占有率低，在關鍵核心技術上還有許多 “卡脖子” 問題急需解決。高精度橋式五軸加工中心主要用于飛機部件骨架表面銑削、鉆削加工與裝配制孔。其加工能力強，尺寸規格大，定位精度高，兼容高效切削，機床具有五軸聯動功能。對機床的關鍵部件大型橫梁導軌直線度仿形加工、裝配、測量技術研究，是此類機床精度保持性的核心制造技術之一。本文通過對橫梁加工、裝配及檢測精度的制造工藝技術的實踐與總結，詳述大型橫梁的仿形加工及裝配工藝過程。
一、依據有限元分析繪出橫梁導軌受力變形曲線
高精度橋式五軸加工中心因橫梁兩端由橋梁、滑座雙支撐橫跨工作臺的結構特點，中間懸掛滑板、滑枕和五軸頭等部件，導致橫梁導軌除受自身重力外，還需承載較大的重力及傾覆力矩，實際裝配掛梁后由于重力及傾覆力矩作用橫梁產生塌腰現象。
1.Ansys靜力分析
以裝配體的形式建立橫梁三維模型，通過有限元對橫梁靜、動態性能進行分析，依據橫梁振動相對變形的振型和幅值，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，從而對橫梁進行仿形加工。
建立橫梁裝配體三維模型，以 X 方向為垂直于橫梁向內、Y 方向為平行于橫梁向左、Z 方向為垂直于橫梁向上為正。依據有限元分析，設計大型橫梁 1# 上導軌大面、2# 上導軌立面、3#下導軌大面、4# 下導軌立面仿形曲線圖（見圖 1）。
圖 1 橫梁導軌面示意圖
2.橫梁導軌仿形曲線
裝配狀態下橫梁僅受重力作用，由于受自身重力及懸掛滑板、滑枕等部件的重力導致變形，橫梁上下兩條直線導軌面中間部位變形最大，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下沉和繞 Y 方向扭轉。橫梁受重力和切削力共同作用，受 X/Y/Z 方向切削力情況下的整體和分方向靜力變形，最大位置均為橫梁中間上端，其中受 X 方向切削力變形明顯，主要是因為中部上端受切削力后扭轉增大 ; 受 Y 方向切削力變形不大 ; 受 Z 方向切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，滑枕移到下極限位置時。加工工藝根據其變形曲線仿形加工，減少滑板、滑枕在橫梁上移動時產生的直線度誤差。橫梁導軌受力變形量仿形曲線圖（見圖 2）。
圖 2 橫梁導軌仿形曲線圖
二、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過程直線度等精度檢測數據分析，找出橫梁導軌面加工曲線及工藝方法滿足裝配精度要求。
1. 材料及熱處理
高精度橋式五軸加工中心大型橫梁材料為焊接低合金結構鋼 16Mn，零件輪廓尺寸長 × 寬 ×高為 10460×1815×1580mm，凈重 25.5 噸，標準材料 16Mn 鋼材厚度大于 50~100mm 方，抗拉強度 Rm 為 470~620N/mm2。根據硬度抗拉強度對照表德國標準 DIN50150 查得布氏硬度為143~185HBW。
大型零件材料為焊接件的由于焊接引起焊件不均勻的溫度分布，焊縫金屬的熱脹冷縮等因造成焊接殘余應力，零件在機加工之后其內部易殘存應力，所有這些內應力都必須消除。消除殘余應力最通用的方法是去應力退火，即將零件放在熱處理爐內加熱到一定溫度 (Ac1 以下 ) 和保溫一定時間，利用材料在高溫下屈服極限的降低，使內應力高的地方產生塑性流動，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加而使應力降低。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。橫梁去應力退火對零件精度保持有重要作用，零件質量穩定性較好，因此大型橫梁應二次以上去應力熱處理即毛坯焊接
后及粗加工后去應力退火。
依據標準并結合實際應用繪出熱處理溫度 -時間工藝曲線圖（見圖 3）。熱處理工藝規程 :大型焊接橫梁裝爐底部墊平，入爐溫度不大于300℃，加熱升溫速度不大于 100℃ /h，加熱至500~550℃保持溫度 4h，后隨爐冷卻至 300℃以下，出爐空冷。
2. 橫梁加工工藝
大型橫梁加工工藝流程 : 毛坯（ 焊接16Mn）- 毛坯去應力退火 - 劃 - 粗銑 - 時效處理（二次去應力退火）- 半精銑（放置 48h）-精銑（仿形加工）- 搖鉆 - 鉗序（清理）- 油漆。大型橫梁在加工前應劃線，照顧支撐面及直線導軌面壁厚均勻，回字內腔壁厚均勻且成矩形。粗銑選用大型龍門銑床，用可調墊鐵，以導軌面為粗加工基準，銑背面做為導軌面粗銑加工基準面，粗銑序橫梁直線導軌向上，銑出導軌形狀，去除機械加工余量，提前發現毛坯缺陷等。橫梁粗加工后要進行二次時效，去除殘余應力退火。半精銑選擇大型數控龍門鏜銑床，為避免大型橫梁吊裝、翻轉產生變形，大型橫梁應在此序以裝配狀態加工，以導軌面為裝置面，精銑橫梁支撐面做裝置面，除直線導軌、光柵尺、齒條基準面
留量外，其余防護、管路及電氣元件等結合面、螺紋孔均加工完成，保證零件相關尺寸精度。
圖 3 溫度 - 時間工藝曲線圖
關鍵工序精銑序，選擇精密龍門五面加工中心，先以導軌面為裝置面，精銑橫梁支撐面做裝置面，保證支撐面平面度不大于 0.05mm。再以裝配狀態支撐面為裝置面，將四塊墊鐵按橫梁支撐面內側基面位置固定于方箱座上，自銑墊鐵鈔平，橫梁放置于四塊鈔平墊鐵上，按導軌大面找正 0.02mm，檢測各墊鐵與橫梁支撐基面間是否有縫隙，將 4 個 0.1mm 等厚銅皮放于墊鐵上，橫梁落下后，抽動銅皮不動，可以進行加工（見圖 4）。用直角頭精銑齒條安裝正、側面，檢測正面和側面直線度，通過數據曲線分析機床實際精度。按設計仿形曲線圖及機床實際精度綜合修正值編程，按程序再次加工齒條安裝正、側面驗證曲線，加工后檢測。檢測直線度與導軌設計仿形曲線一致后，仿形加工上下導軌大面、立面，同時精銑齒條面、光柵尺面等安裝基面，精銑時壓板松開不夾緊。
圖 4 橫梁加工示意圖
大型橫梁精加工設備采用沈陽機床自制的龍門橋式五軸加工中心 GMC50200u， 用A/C 五軸頭（刀柄 HSK-A63）直角定位精銑仿形曲線，設備精度具備 X/Y/Z 定位精度0.02/0.015/0.01mm,重復定位精度0.008mm。加工刀具 : 大面精銑用方肩面銑刀 Φ63（Z=5），立面精銑整體硬質合金立銑刀 Φ20（Z=3），液壓夾緊刀柄，切削參數均為轉速 S=1000r/min, 進給 F=285mm/min。
三、橫梁裝配
高精度橋式五軸加工中心與橫梁相關的幾何精度有:G3 項Y軸軸線運動的直線度 : ① 在YZ 垂直平面內 ; ② 在XY水平平面內允差值 :0.014/1000mm;0.035/7000mm。G4項Y軸移動的角度偏差 : ① 在 YZ垂直平面內 ( 俯 仰 ); ② 在 XZ 垂直平面內（傾斜）; ③在 XY 水平面內（偏擺）允差值：0.015/1000mm;0.04/7000mm。
1. 橫梁裝配工藝
橫梁裝配工藝流程 : 橫梁精加工后入裝配 -單件直線度檢測 - 線軌裝配 -- 安裝線軌后直線度檢測 - 齒條裝配 - 光柵尺裝配 -Y 軸驅動裝配 -安裝液壓管路 - 電氣接線 - 安裝行程開關確定 Y軸行程 -Y 軸總裝直線度檢測（加修或刮研調整）-角度偏差檢測（加修或刮研調整）- 防護安裝。通常，龍門式數控機床為保證裝配后的 Y 軸運動的直線度，工藝方法根據設計變形曲線圖進行仿形加工，但因設備精度、環境溫度、材料硬度等諸多因素影響，實際銑削仿形曲線往往會隨之發生變化。橫梁精加工后轉部裝，為減少環境溫度偏差造成的直線度誤差，橫梁進部裝在安裝直線導軌前、后應復檢導軌正、側向直線度，對于直線導軌橫梁部裝檢測有兩種姿態即平放或立放檢測。平放即直線導軌大面向上，用自準直儀檢測
直線度，根據直線度計算軟件得出上下導軌正、側向曲線值，應用于小型批量型龍門式數控鏜銑床橫梁。大型橫梁采用立放即裝配狀態，用激光校準儀檢測導軌直線度，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。
總裝掛箱后實測 Y 軸移動直線度，滑枕處于最下端，用激光校準儀通過專用支板具與滑枕結合置于滑枕上，200mm 步長采數，分別得出 YZ垂直平面內正向直線度，XY 水平平面內側向直線度。用電子水平儀置于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 垂直面內角偏和 YZ 垂直面內角偏。用自準直儀移動滑板 Y 軸由負向正，得在 XY 水平面內角偏。通過總裝掛箱后實測 Y 軸運動直線度及角度偏差，分析直線度及角度偏差是否滿足幾何精度允差值，如與要求不符合裝配分析直線度及角偏數值及曲線圖形，計算實際曲線修正值并編制程序加修，或裝配采取刮研方法，達到整機幾何精度的驗收要求。
2. 橫梁裝配刮研
橫梁在總裝精度檢測后為減少其加修過程中的變形，裝配采取刮研方法進行精度調整。高精度橋式五軸加工中心大型橫梁直線導軌呈對稱式設計，依據仿形曲線并結合實際，裝配仿形曲線導軌直線度檢測精度在 YZ 垂直面內下導軌大面直線度為 0.01~0.02mm，導軌中部凹，上導軌大面直線度為 0.025~0.03mm，導軌中部凹。在 XY 水平面內上、下導軌立面直線度為0.1~0.13mm，導軌中部上凹下凸，上下導軌平行度 0.02mm。仿形加工后，部裝安裝直線導軌，用電子水平儀檢測導軌直線度，對比理論曲線 : │實測值 - 理論值│≤ 50μm，導軌直線度基本符合設計曲線允差范圍。總裝掛箱并安裝五軸頭后Y 軸移動用激光校準儀檢測導軌直線度及用電子水平儀檢測角偏，裝配記錄檢測數值并分析。為減少橫梁反修周轉變形，裝配采用刮研橫梁上下導軌大面及立面方法，使用電動或手動刮刀，通過刮研導軌大面和立面，提高 Y 軸移動的直線度及角偏精度。刮研方法，刮研前根據總裝檢測數值及圖形，先確定刮研位置及范圍、刮研量、刮研次數。按 200mm 一段劃線做好標記，導軌面刮研應邊刮研邊檢測，每次刮研嚴格控制刮研量，不許刮過量，每刮一次需用專用研具檢驗接觸率 ,當刮研直線導軌兩端時，假導軌面也需要刮研，保證假導軌與導軌對接處平整，不能出現臺階。刮研完成后，安裝直線導軌檢驗幾何精度，若不合，再一次進行刮研，直至合格為止。
四、橫梁直線度檢測方法
導軌直線度現有四種檢測方法 : 平尺拉表法、自準直儀（平行光管）、水平儀、激光校準儀。平尺拉表法因為受平尺長度影響，只能檢測橫梁局部的直線度，所以不采用。一般情況下，橫梁直線度檢測用自準直儀，通過專用橋板長200mm 置于直線導軌大面及立面上，檢測平數隨導軌長度增加而增多，記錄數據后通過輸入計算機直線度計算程序軟件，生成圖形曲線。框式水平儀一般用于調整橫梁水平，因檢測直線度效率低及讀數誤差大，現已很少使用。大型橫梁直線度檢測，為提高檢測精度及檢測效率購置高精度的電子水平儀、激光校準儀、直線度鏡組，并根據檢測方法設計專用的滑塊連接板、平行檢具、等高塊等。電子水平儀因無讀數誤差、數據可傳輸、可通過軟件計算生成曲線圖，操作簡單等優
點，為工藝方法廣泛推廣使用。
五、結束語
通過對大型橫梁仿形加工及裝配的實踐，提出橫梁設計及工藝優化的建議。
（1）橫梁結構直線導軌應采用上下導軌側基準在下導軌形狀平移式分布，不應如床身直線導軌形狀對稱式分布（見圖 5）。優點在于 : ①側基準在下可作為直線導軌的支撐面，通過預變形仿形加工凸形補償導軌因重力塌腰 ; ②平移式側基準面因中凸式仿形加工，立銑刀為切出式切削，切削力小，切削精度及效率高，相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，切削精度受影響 ; ③平移式側基準對于大型橫梁立式裝配有利。大型橫梁為避免吊裝、翻轉的變形，部裝采用裝配狀態安裝直線導軌、齒條、光柵尺，直線導軌側壓塊安裝方便且側頂力均勻。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，側壓塊在鎖緊固定時，需要較大的力，導致直線導軌側基準因受力不均而變形，影響裝配精度。④平移式側基準對于裝配刮研有力。因側基準為平行中凸，裝配刮研只刮高點，操作相對容易且準確快捷。而對稱式分布兩條側基準仿形為上凹下凸式，凹面刮研量大且困難。
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。鑄件橫梁上下導軌階梯平移式布局、焊接橫梁背板整板煨彎式設計、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，建議橫梁半精加工、精加工按裝配狀態自然裝夾，保持加工及裝配基準統一。
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