摘（zhāi）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麵。對其影響因素進行分析後發現橫梁導軌的不均勻磨損會增大橫梁導軌的直線度和上下（xià）導（dǎo）軌的（de）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（zhǒng）情況產生，從橫梁的結構和裝（zhuāng）配工（gōng）藝兩方麵對其進（jìn）行研究。發現橫梁的不等高（gāo）導軌結構可防（fáng）止不均勻（yún）磨損使上下導軌（guǐ）受力均（jun1）勻，通過有（yǒu）限元仿真分析（xī）得到了橫梁導軌安（ān）裝基麵的最佳（jiā）高度差。對實際裝配工藝產（chǎn）生的垂直度誤差進行計算，發現裝配工藝可能導致機床坐標垂直度誤差超（chāo）差，降低導軌壽命（mìng）。最後給出了改進建議。
 
      關鍵詞: 龍門鏜銑床; 有限元分（fèn）析; 垂直度誤差; 裝配工藝（yì）
 
      龍門鏜（táng）銑床具有高精度（dù）特性，在加（jiā）工結構複雜的模具、板盤、箱體及凸輪等各類工件中發揮著重大作用。但是當其重要支撐部件橫梁導軌與（yǔ）床身導軌的垂直度誤差超過設計精度時，就會（huì）使得零（líng）件的輪廓誤差和位置（zhì）誤差（chà）都超差（chà），大大降低加工工件（jiàn）的質量，因此需要對其（qí）進（jìn）行修正。從現有研究來看，陳安［1］等對數控機床的垂直度誤差影響的（de）孔位誤差、直線和圓弧誤差進行了數值分析並提出了軟件補償的方（fāng）案，但沒有討論橫梁導軌對（duì）垂直（zhí）度誤（wù）差的影響; 張森［2］等對龍門加工中心的橫梁結構進行了優化設計，得到了一（yī）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（yán）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（wèn）題進行探討的（de）報（bào）道。
 
      龍門鏜銑床（chuáng）裝配過程中容易出現工藝不當的問題，隨著使用時間的增長，其主要支撐部件由於（yú）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（jīng）度降低，各部件之（zhī）間的位置關係容易（yì）發生變化，最終使得機床運動幾何誤差增（zēng）大（dà）［3］。經現場測（cè）量某型龍門式加工（gōng）中心發現，橫梁Y 軸與床身X 軸形成水平XY 麵（miàn）內的（de）垂直度誤差是其垂直度誤差的主要方（fāng）麵，因此需（xū）要（yào）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（chà）的影（yǐng）響因素進行分析，發現橫梁導軌的不均勻磨損會（huì）使Y 軸直線度無法保證，容（róng）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（yì）進行研究。
 
     1、 橫梁影響機床坐（zuò）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（zú）機床的設計（jì）精度，就需要進行修正，影響垂直度（dù）誤（wù）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（zhǎng）時間的振動（dòng）和受力，龍門（mén）經常會發生偏移，橫梁導軌的Y 軸和床（chuáng）身X軸之間垂直度誤差就這樣產生了。具體龍門鏜（táng）銑床（chuáng）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（guǐ）處，慢慢往下放，如果看見拖板上滑塊（kuài）定位麵與滑塊間沒有間隙時（shí），就按照對角擰緊的方式擰緊螺釘，檢查時，拖板定位麵與滑塊側麵要求0． 03 mm 塞尺不（bú）入。在（zài）此過程中，如（rú）果吊車多往下放（fàng）1 mm( 這是完全有可（kě）能的（de）) ，就會使得拖板（bǎn）的重量（liàng）全部由（yóu）拖板上的定位麵作用在下（xià）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（biàn）形會引起Y 軸導軌直線度誤差超（chāo）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（gōng）司的導軌，根據保守估計可以使用10 年以上，導軌的磨損量很小。但是，由於結構設計時未進行仿真分析，裝配工藝又易出現上述問題都會導致（zhì）導軌的磨損量過大，使導軌的直線（xiàn）度、上下（xià）導軌的平行度等都達不到設計所給出的要求，最後都會導致機床的垂直（zhí）度誤差無法保證。由此分析，橫梁導軌的實際（jì）磨損量可能嚴重影響龍門（mén）鏜銑（xǐ）床的垂直度誤差，因此需（xū）要對其結構和實際的裝配工藝進行（háng）研究（jiū）。
 
      2 、導軌安裝麵不等高的橫梁結構
 
      國產（chǎn）某型龍門鏜（táng）銑床的導軌安裝麵不（bú）等高結構比等高導軌安裝麵（miàn）的受力情況好得（dé）多（duō）［4］，結構如圖2 所示是仿效國（guó）外的機床結構（gòu），沒有進行過有限（xiàn）元仿真分析，導軌安裝麵相差多高可以（yǐ）使上下導軌受力均勻也未（wèi）進行過仿真分析，隻是根據經驗。下麵從直（zhí）線（xiàn）導軌的均勻受力出發，研究導軌安裝麵的（de）高度差（chà）與直線導軌受力的關係。
  
  
       
  
      2． 1 有限元（yuán）建模（mó）
   
      國產的某型龍門鏜銑床由橫梁、工作台、床身、拖板等主要零部件組成。由於龍門（mén）鏜銑床幾何結構複雜，在進行有限元建模時，應該（gāi）忽略所有細微複雜的幾何因素，隻考慮一些起主導作用的（de）因素來建立整機（jī）的簡化模型［5］。采用Pro /E 對其進行三維建模後，導入ANSYS 進（jìn）行有限元靜力學分析。設置（zhì）機床的材料屬性，其中立柱的材料為HT250，楊氏模量為（wéi）1． 2 × 105MPa，密度為7 210 kg /m3，泊鬆比0． 22; 橫梁等其他大件用Q235A，楊氏模量（liàng）為2． 1 × 105 MPa，密度為7 860kg /m3，泊鬆比0． 3。進行網格劃分時，采用SOLID 45單元（yuán）［5］對實體進行網格劃（huá）分（fèn），在結合麵處用自由度完全耦合［6］的方法將立柱、橫梁（liáng）和拖板等部件（jiàn）進行裝配可得到用於靜力學仿真的有限元模型見圖3。
  
  
    
  
  
      2． 2 橫梁導軌（guǐ）的不等高結構
 
     選取龍（lóng）門鏜銑床工（gōng）況（kuàng）最惡劣的狀態即將拖板置於橫梁（liáng）正（zhèng）中央位置後針（zhēn）對導軌（guǐ）安裝麵高度的不同差值對鏜銑床進行靜力學分析，即（jí）計算機床在重力作用下的變形情況。得到導軌（guǐ）安（ān）裝麵高度差0 mm，40mm，70 mm，75 mm，80mm，130 mm 處Z 向( 和導軌麵垂直方向) 的（de）上下導軌平均受力表1 以及其（qí）比（bǐ）值圖4。圖5 為仿真分析得出的在導軌安裝麵高度差為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（xià）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（wéi）75 mm 前，上導軌滑（huá）塊滾珠處的受（shòu）力大於下導軌滑塊滾珠處（chù）的受力; 75mm 後正好相（xiàng）反。因此，從（cóng）上下導軌受力均勻考慮（lǜ），上下導（dǎo）軌安裝麵的高度差應該選為（wéi）75 mm，與仿照國（guó）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麵的高度差為75 mm 時（shí），可使得橫梁導軌上下受（shòu）力均勻，從而（ér）使得上下導軌的磨損均勻，實現橫梁導軌的等壽命設計。橫梁導（dǎo）軌的（de）均勻磨損（sǔn）可以保證Y軸的直（zhí）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，並擰緊螺釘的（de）過程中（zhōng），拖板絕大部分力很可能由拖板的定位麵直接作用於下導軌滑塊上，從而使下導軌滑塊（kuài）承受絕大部分力的情況。
  
    
  
     圖6 為拖板上的定位（wèi）麵（miàn）與滑塊結合處的（de）結構簡圖。針對（duì）此種情（qíng）況的機床重力進（jìn）行有限元靜力學仿真分析，得到（dào）圖7。由圖看出下導軌滑塊上滾珠處（chù）的受力由原來的0．81 MPa 變為現在的12． 7 MPa，下導軌滑塊中滾珠的磨損量也大大增加。下（xià）導軌的平均（jun1）受力為0． 8 MPa，相比滑塊上（shàng）滾珠處的受（shòu）力是很小的，所以不計其磨（mó）損。
  
    

    
    
    
  
     將國產某型龍（lóng）門式鏜銑床的（de）手（shǒu）冊中相關數據代入式( 1) ，得到一（yī）年後的磨損（sǔn）量為11． 3 μm。說明（míng）現場裝配工藝使得下導軌承受絕大部（bù）分（fèn）力，下導軌受力比較嚴重，可能導致一年後的磨損量為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（quán）長) ，說明現場裝配工藝產生的垂直（zhí）度（dù）誤差按照現有工藝估算隻能大約用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（nián）以（yǐ）上有較大出（chū）入。因此，針對裝（zhuāng）配工藝產生的垂直度誤（wù）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（shàng）導軌采用精度差一（yī）點，耐磨性也（yě）差一點，價格（gé）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，實現經濟性的要求。( 2) 零（líng）件（jiàn）如橫梁的（de）加工工藝應該考慮其本身自（zì）重對其原有工藝的影響; 對於導（dǎo）軌的安裝基麵( 含床身、橫梁) 應考慮添加“刮（guā）研”工藝。( 3) 在調整好X /Y 軸垂直度之後，在擰緊立柱地腳螺栓時，靠近（jìn）橫（héng）梁一側的墊鐵（tiě）稍頂高一些，要根據橫梁及其拖板的重力來確定這個頂（dǐng）高（gāo）量; 再調整橫梁等高和水平，如不符合要求( 少量) ，應該加修或（huò）者刮研，不應該（gāi）強製調整墊鐵。
 
      4 、結語
   
     龍門鏜銑床的橫梁是其重要的核心部（bù）件（jiàn），橫梁導軌不均勻性的磨損會（huì）直接影響其直線度和上下導軌的平行度誤（wù）差，其所在的（de）Y 軸在X/Y 平麵內的直線度無法保證就會（huì）導致拖板在Y 軸上移動的（de）時候，X/Y 軸不垂（chuí）直即（jí）垂直度誤差（chà）超差。為保證機床X/Y 軸垂直（zhí）度，從（cóng）橫梁導軌安裝麵的不等高結構以及實際的裝配工藝兩方麵展開對垂直度影響的分析。先分析了不等高導（dǎo）軌安裝麵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（zhuāng）麵（miàn）相比具有上下（xià）導軌受力均勻（yún）的優點，同時得到了橫梁導軌安裝基麵的最佳高度差; 再對（duì）裝配工藝導致下導軌（guǐ）主要承受拖板重力的情況進行分（fèn）析（xī）後發（fā）現這種情況會導致機（jī）床坐標軸垂直度誤（wù）差增大，大大降（jiàng）低橫梁導軌的壽命（mìng）。最後提出了具體的改進建議。