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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(biāo)垂直度誤差的主要方面。對(duì)其影響因素進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)橫梁導(dǎo)軌的不均勻磨損會(huì)增大橫梁導(dǎo)軌的直線度和上下導(dǎo)軌的平行度誤差，從而嚴(yán)重影響鏜銑床坐標(biāo)垂直度誤差。為防止此種情況產(chǎn)生，從橫梁的結(jié)構(gòu)和裝配工藝兩方面對(duì)其進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)橫梁的不等高導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)可防止不均勻磨損使上下導(dǎo)軌受力均勻，通過有限元仿真分析得到了橫梁導(dǎo)軌安裝基面的最佳高度差。對(duì)實(shí)際裝配工藝產(chǎn)生的垂直度誤差進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)裝配工藝可能導(dǎo)致機(jī)床坐標(biāo)垂直度誤差超差，降低導(dǎo)軌壽命。最后給出了改進(jìn)建議。
 
      關(guān)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(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)軌與床身導(dǎo)軌的垂直度誤差超過設(shè)計(jì)精度時(shí)，就會(huì)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(duì)其進(jìn)行修正。從現(xiàn)有研究來看，陳安［1］等對(duì)數(shù)控機(jī)床的垂直度誤差影響的孔位誤差、直線和圓弧誤差進(jìn)行了數(shù)值分析并提出了軟件補(bǔ)償?shù)姆桨福珱]有討論橫梁導(dǎo)軌對(duì)垂直度誤差的影響; 張森［2］等對(duì)龍門加工中心的橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了一種總位移變形量最小的結(jié)構(gòu)形式，但未對(duì)垂直度誤差問題進(jìn)行研究。現(xiàn)有研究中未見對(duì)橫梁導(dǎo)軌對(duì)龍門式鏜銑床垂直度誤差的影響問題進(jìn)行探討的報(bào)道。
 
      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(shí)間的增長(zhǎng)，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(huì)導(dǎo)致機(jī)床運(yùn)動(dòng)幾何精度降低，各部件之間的位置關(guān)系容易發(fā)生變化，最終使得機(jī)床運(yùn)動(dòng)幾何誤差增大［3］。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(nèi)的垂直度誤差是其垂直度誤差的主要方面，因此需要對(duì)其影響因素進(jìn)行研究。本文通過對(duì)龍門鏜銑床坐標(biāo)垂直度誤差的影響因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)橫梁導(dǎo)軌的不均勻磨損會(huì)使Y 軸直線度無法保證，容易導(dǎo)致機(jī)床垂直度誤差超差，所以對(duì)圍繞導(dǎo)軌不均勻磨損的兩大原因即橫梁導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)裝配工藝進(jìn)行研究。
 
     1、 橫梁影響機(jī)床坐標(biāo)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(jīng)過測(cè)試，欲滿足機(jī)床的設(shè)計(jì)精度，就需要進(jìn)行修正，影響垂直度誤差的因素主要是各配合部分的移動(dòng)［1］。作為機(jī)床最核心的關(guān)鍵性部件，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)和受力，龍門經(jīng)常會(huì)發(fā)生偏移，橫梁導(dǎo)軌的Y 軸和床身X軸之間垂直度誤差就這樣產(chǎn)生了。具體龍門鏜銑床結(jié)構(gòu)見圖1。
 
    
  
     在實(shí)際的裝配工藝中，在安裝拖板時(shí)，是由吊車吊至導(dǎo)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(shí)，就按照對(duì)角擰緊的方式擰緊螺釘，檢查時(shí)，拖板定位面與滑塊側(cè)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(huì)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(dǎo)軌承受絕大部分力的情況。這樣拖板的重力變形會(huì)引起Y 軸導(dǎo)軌直線度誤差超差進(jìn)而產(chǎn)生垂直度誤差。國(guó)產(chǎn)某型龍門機(jī)床橫梁上使用的是日本THK 公司的導(dǎo)軌，根據(jù)保守估計(jì)可以使用10 年以上，導(dǎo)軌的磨損量很小。但是，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未進(jìn)行仿真分析，裝配工藝又易出現(xiàn)上述問題都會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)軌的磨損量過大，使導(dǎo)軌的直線度、上下導(dǎo)軌的平行度等都達(dá)不到設(shè)計(jì)所給出的要求，最后都會(huì)導(dǎo)致機(jī)床的垂直度誤差無法保證。由此分析，橫梁導(dǎo)軌的實(shí)際磨損量可能嚴(yán)重影響龍門鏜銑床的垂直度誤差，因此需要對(duì)其結(jié)構(gòu)和實(shí)際的裝配工藝進(jìn)行研究。
 
      2 、導(dǎo)軌安裝面不等高的橫梁結(jié)構(gòu)
 
      國(guó)產(chǎn)某型龍門鏜銑床的導(dǎo)軌安裝面不等高結(jié)構(gòu)比等高導(dǎo)軌安裝面的受力情況好得多［4］，結(jié)構(gòu)如圖2 所示是仿效國(guó)外的機(jī)床結(jié)構(gòu)，沒有進(jìn)行過有限元仿真分析，導(dǎo)軌安裝面相差多高可以使上下導(dǎo)軌受力均勻也未進(jìn)行過仿真分析，只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)。下面從直線導(dǎo)軌的均勻受力出發(fā)，研究導(dǎo)軌安裝面的高度差與直線導(dǎo)軌受力的關(guān)系。
  
  
       
  
      2． 1 有限元建模
   
      國(guó)產(chǎn)的某型龍門鏜銑床由橫梁、工作臺(tái)、床身、拖板等主要零部件組成。由于龍門鏜銑床幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在進(jìn)行有限元建模時(shí)，應(yīng)該忽略所有細(xì)微復(fù)雜的幾何因素，只考慮一些起主導(dǎo)作用的因素來建立整機(jī)的簡(jiǎn)化模型［5］。采用Pro /E 對(duì)其進(jìn)行三維建模后，導(dǎo)入ANSYS 進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。設(shè)置機(jī)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(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用SOLID 45單元［5］對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在結(jié)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(jìn)行裝配可得到用于靜力學(xué)仿真的有限元模型見圖3。
  
  
    
  
  
      2． 2 橫梁導(dǎo)軌的不等高結(jié)構(gòu)
 
     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(duì)導(dǎo)軌安裝面高度的不同差值對(duì)鏜銑床進(jìn)行靜力學(xué)分析，即計(jì)算機(jī)床在重力作用下的變形情況。得到導(dǎo)軌安裝面高度差0 mm，40mm，70 mm，75 mm，80mm，130 mm 處Z 向( 和導(dǎo)軌面垂直方向) 的上下導(dǎo)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(dǎo)軌安裝面高度差為75 mm 時(shí)Z 向的受力。
    
      

    
  
                           表1 上下導(dǎo)軌平均受力對(duì)比表
    

     
   
     圖4 為上下導(dǎo)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(dǎo)軌滑塊滾珠處的受力大于下導(dǎo)軌滑塊滾珠處的受力; 75mm 后正好相反。因此，從上下導(dǎo)軌受力均勻考慮，上下導(dǎo)軌安裝面的高度差應(yīng)該選為75 mm，與仿照國(guó)外經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)給出的75 mm 正好符合。由此說明橫梁導(dǎo)軌安裝基面的高度差為75 mm 時(shí)，可使得橫梁導(dǎo)軌上下受力均勻，從而使得上下導(dǎo)軌的磨損均勻，實(shí)現(xiàn)橫梁導(dǎo)軌的等壽命設(shè)計(jì)。橫梁導(dǎo)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(duì)導(dǎo)軌磨損的影響

     之前已經(jīng)分析過，拖板由吊車吊至導(dǎo)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(dǎo)軌滑塊上，從而使下導(dǎo)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(jié)合處的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。針對(duì)此種情況的機(jī)床重力進(jìn)行有限元靜力學(xué)仿真分析，得到圖7。由圖看出下導(dǎo)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(dǎo)軌滑塊中滾珠的磨損量也大大增加。下導(dǎo)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(jì)其磨損。
  
    

    
    
    
  
     將國(guó)產(chǎn)某型龍門式鏜銑床的手冊(cè)中相關(guān)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(chǎng)裝配工藝使得下導(dǎo)軌承受絕大部分力，下導(dǎo)軌受力比較嚴(yán)重，可能導(dǎo)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(zhǎng)) ，說明現(xiàn)場(chǎng)裝配工藝產(chǎn)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(dǎo)軌。這與預(yù)先保守估計(jì)的導(dǎo)軌壽命10 年以上有較大出入。因此，針對(duì)裝配工藝產(chǎn)生的垂直度誤差超差情況，可采取以下方案進(jìn)行改進(jìn):
 
     ( 1) 可以使下導(dǎo)軌采用比較耐磨、精度比較高的直線導(dǎo)軌，上導(dǎo)軌采用精度差一點(diǎn)，耐磨性也差一點(diǎn)，價(jià)格比較便宜的導(dǎo)軌。這樣，既能保證上下導(dǎo)軌等壽命設(shè)計(jì)，提高Y 軸導(dǎo)軌的直線度，保證X /Y 軸垂直度不超差，又能降低導(dǎo)軌的成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的要求。( 2) 零件如橫梁的加工工藝應(yīng)該考慮其本身自重對(duì)其原有工藝的影響; 對(duì)于導(dǎo)軌的安裝基面( 含床身、橫梁) 應(yīng)考慮添加“刮研”工藝。( 3) 在調(diào)整好X /Y 軸垂直度之后，在擰緊立柱地腳螺栓時(shí)，靠近橫梁一側(cè)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(gè)頂高量; 再調(diào)整橫梁等高和水平，如不符合要求( 少量) ，應(yīng)該加修或者刮研，不應(yīng)該強(qiáng)制調(diào)整墊鐵。
 
      4 、結(jié)語
   
     龍門鏜銑床的橫梁是其重要的核心部件，橫梁導(dǎo)軌不均勻性的磨損會(huì)直接影響其直線度和上下導(dǎo)軌的平行度誤差，其所在的Y 軸在X/Y 平面內(nèi)的直線度無法保證就會(huì)導(dǎo)致拖板在Y 軸上移動(dòng)的時(shí)候，X/Y 軸不垂直即垂直度誤差超差。為保證機(jī)床X/Y 軸垂直度，從橫梁導(dǎo)軌安裝面的不等高結(jié)構(gòu)以及實(shí)際的裝配工藝兩方面展開對(duì)垂直度影響的分析。先分析了不等高導(dǎo)軌安裝面上下導(dǎo)軌的受力情況，從而得出不等高導(dǎo)軌與等高導(dǎo)軌安裝面相比具有上下導(dǎo)軌受力均勻的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)得到了橫梁導(dǎo)軌安裝基面的最佳高度差; 再對(duì)裝配工藝導(dǎo)致下導(dǎo)軌主要承受拖板重力的情況進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)這種情況會(huì)導(dǎo)致機(jī)床坐標(biāo)軸垂直度誤差增大，大大降低橫梁導(dǎo)軌的壽命。最后提出了具體的改進(jìn)建議。