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提高龍門鏜銑床橫粱導軌直線（xiàn）度的方（fāng）法研究

2017-1-11 來源：齊齊哈爾（ěr）大學機電工程學院作者：包麗（lì）張洪軍

摘要：橫梁導軌是龍門鏜銑床重要的支（zhī）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後橫梁導軌直線度（dù）精度降低的問題，依托有限元技術。從橫梁結構和現場裝配工藝兩個角（jiǎo）度提出解決方案。從橫梁結構上改進來提高抗彎剛度，從工（gōng）藝上調整（zhěng）立柱的（de）地腳螺栓處（chù）墊鐵。通過橫梁導軌變形量試驗，結構（gòu）和工藝都改進後的橫梁導軌直線度提高超過50％，說明改進方法對提高橫梁導軌直線度有明顯作用。

關鍵詞：龍門銑（xǐ）鏜床；有限元（yuán）分析；直線度（dù）；結構改進（jìn）；墊鐵

龍門（mén）鏜（táng）銑床具有高（gāo）精度特性，在加工結構複雜的模具、板盤、箱體及（jí）凸輪等各類工件中發揮著重大作用。但是當其重要支撐（chēng）部件橫（héng）梁導軌的直線度誤差超過設計精度時（shí），就會使得零件的輪廓誤（wù）差和位置誤差都超（chāo）差，大大降低加工工件的質量，因此需要對提高（gāo）橫梁導軌直線度精（jīng）度的方法展開研究。從現有（yǒu）文獻來看，韓麗娟等對某型數控（kòng）車床的導軌直線度及其測量過程進行了研究，並編寫了直線度誤差測（cè）量程序，但沒（méi）有（yǒu）從結構和工藝角度對提高橫梁直線度的方案進行討論；寧延平舊。等（děng）對國內（nèi）外高精度（dù）直線度的各種測量方案進行了詳細的對比（bǐ）分析，但未（wèi）針對龍門（mén）鏜銑床的橫梁導軌直線度（dù）進行研究。現有報道多見對（duì）直線度測量及數據處理的內容，未見對大型龍門銑（xǐ）床的橫梁導軌（guǐ）直線度提高（gāo）方法的探討。

龍門鏜銑床裝配過程中容（róng）易出現工藝不當的問（wèn）題，隨著使用時間的增長，其主要支（zhī）撐部件如橫（héng）梁由於磨損、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。要保證工件的加工精度就必須保（bǎo）證橫梁導（dǎo）軌的直線度精度。針對長時（shí）間運行後機床橫梁導軌直線（xiàn）度精度降（jiàng）低的（de）問題，本文從橫梁導軌的結（jié）構和現場裝配（pèi）工藝兩個方麵進行研究。利用（yòng）有限元（yuán）分析技術，分（fèn）別（bié）改進橫梁結構和裝配工藝來提高橫梁直線（xiàn）度精（jīng）度：一在結（jié）構上提高橫梁的抗彎剛度；二是調整靠近橫梁導軌側的立柱上地腳螺栓處墊鐵。最後將改進結構和工藝後的橫梁導軌有限元仿真結果和現場試驗測試結果對（duì）比（bǐ）分析，提高直（zhí）線度都達到了50％以上，證明改進方案是正確的。

1.有限元建模

國產的某型龍門鏜銑床由床身、立柱、橫梁、主軸箱、工作台等部件組成，如圖1所示。由於龍門鏜銑（xǐ）床幾何結構（gòu）複雜（zá），在建立（lì）有限（xiàn）元模（mó）型時，忽略掉所（suǒ）有細微複雜（zá）的幾何因素，隻（zhī）考慮起主導作（zuò）用的因素來建立整機的簡化（huà）模（mó）型。4。j。采用Pro／E軟件先（xiān）將各部件建立三維實體模型並裝配得（dé）到整（zhěng）機模型，導人ANSYS的Work—bench應用平台，設置機床的材料屬性（xìng）∞。o。其中立（lì）柱的材料為HT250，楊氏模量為1．2 X 105 MPa，密度為7 210 kg／m3，泊鬆比0．22；橫（héng）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，泊鬆比0．3。在結合麵處將節點自由度完全耦合舊J，將床身、立柱、橫梁、連（lián）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。進行網格劃分（fèn）時，采用SOLID 45單（dān）元對實體進行網格劃分，共（gòng）有338 390個節點，142 169個單元，見（jiàn）圖2。

2.改（gǎi）進橫梁導（dǎo）軌（guǐ）結構

為提高橫梁導軌直線度（dù），需要從結構上（shàng）改變。其結（jié）構可（kě）以在內部改進，考（kǎo）慮到現有龍門鏜銑床橫梁結構已經成型，因此在橫梁外部進行改進（jìn）。根據文獻[9]可（kě）知，橫梁在y向的抗彎剛度較低。由（yóu）於其剛度（dù）是連續變化的，而橫梁中間沒有支撐點，其柔度較大。為增加其y軸的抗（kàng）彎剛度，考慮（lǜ）到需要（yào）在原有橫梁的基礎上進行結構（gòu）改進，提出一種結構改進方案如圖3。為避免主軸箱的加工行程（chéng）受（shòu）限，將矩形結構增加在原有橫梁上方來提（tí）高其在（zài）垂直麵和水平麵的剛度。對改進結構後的橫梁裝配體在重力作用下的變形進行有限元分析，得到結構改變後的主軸（zhóu）頭沿z向位移量見表1和圖4a，沿X向位（wèi）移量見表2和圖（tú）4b。

圖4原始和改進後結構兩種情況下主軸頭沿z向和坰位移的變化量

表1 結構改變前後主軸頭z向位移的變化

表（biǎo）2結（jié）構改變前後（hòu）X向位移的變化

從表1、2的數據和圖4發現：(1)原始（shǐ）結構主軸（zhóu）頭沿z、x方向的位移變化值相對（duì）較大，其差值（zhí）也相（xiàng）對（duì）較大，分別為：39．1—25．8=13．3鬥m，14．5—5．5=9Ixm；(2)改進後（hòu）的結（jié）構主軸頭沿z、x方（fāng）向的位移變化值相對較小，其差值也相對較（jiào）小，分別為：33．5—26．1=7．4 Ixm，9．8—4．5=5．3 txm；(3)改進的結構能使y軸橫梁在眩平（píng）麵和XY平麵內（nèi）直線度變好，都（dōu）提高了近50％。

3.改進裝配工藝

現場裝配工藝按照先部裝，再總裝的原則，先對橫梁進行部裝後，將橫梁與立柱進行裝配（pèi）。在安裝調（diào）整（zhěng）好之後，對（duì）裝配工（gōng）藝進行改進：通過調整立柱的（de）地腳螺栓處可調（diào）墊鐵(靠近橫梁的導軌（guǐ）側)，使其稍微調高一些，要根（gēn）據有（yǒu）限元模型中橫梁及其主軸箱的重力來確定“調高（gāo）”的這個量。這（zhè）種做法（fǎ）可以改善（shàn）滑鞍、主軸箱傾（qīng）覆力矩對橫梁導軌直線度的影響，但主軸頭（tóu）的位置可能會發生相對較大的位移，這樣會產生應力(主要是床身與立柱的（de）連接螺栓處)，對機床精度保持性可能產生影響。把（bǎ）調（diào）整墊鐵沿z方向調高0．03 mm的位移，再根據有限元分析計算主軸頭上在XY平麵內沿x向（xiàng）的（de）位移的變化值，得出變化值的係列值。得到（dào）表3和圖5。在變（biàn）化的係列值找（zhǎo）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（zhǒng）情況下主軸頭沿x方向位移的變化量（liàng）

從表3的（de）數（shù）據及圖5發現：(1)原始結構主軸頭沿x方向的（de）位移變化值比較小，但是其差（chà）值相對較大，其大小為（wéi）：14．5—6．9=7．6鬥m；(2)地腳螺栓處墊鐵調（diào）整後（hòu）主軸頭沿x方（fāng）向的位（wèi）移變化值比較大，但是其差值相對（duì）較小，其（qí）大小為：51．2—47．2=4鬥（dòu）m；(3)調整靠近滑鞍側地腳螺栓處墊鐵能使橫梁導軌直線度變好，提（tí）高（gāo）了近50％。

4.試驗驗證

為檢驗結構和工藝（yì）改進後橫梁導軌直線度的變化，考慮到橫梁在Z向的變形量較大，因此進行（háng）了主（zhǔ）要體現其z向位移（yí）變化的橫（héng）梁導軌變形量測量實驗，測量現（xiàn）場如（rú）圖6。橫梁在x向的位（wèi）移可采用自準直儀法進行測量（liàng）Ll 0|，文中不加詳述。將改進方案後的有（yǒu）限元（yuán）仿真結果與試驗結（jié）果進行對比分析。通過對比改（gǎi）進方案前後主軸頭沿（yán）z向位移（yí）量，得到橫（héng）梁（liáng）導軌的直線度數值。按照實際裝配情況將橫梁置於立柱上，以工作台水平為基（jī）準，將千分表放置於滑枕下，以橫梁右端（duān）為起始點，得到方案改變前後主軸（zhóu）頭z向（xiàng）位移變化¨¨如圖7。由圖7發（fā）現：(1)試驗測量結果和有限元仿真結果吻合度較好，有限元仿（fǎng）真結（jié）果（guǒ）的位移差值(3．8鬥m)比測量結果(2．6鬥（dòu）m)大；(2)測量結果中原始結構（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(鬥（dòu）m)；(3)方案改進後主軸頭沿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(鬥m)；(3)方案改進後，有限元仿真結果和試驗（yàn）測量結果顯示（shì）分別提高橫梁導軌直線度53％和67％。

5.結（jié）語

橫梁導軌（guǐ）直線度精度對加工件質量有著重大影響。對國產某型龍門（mén）鏜銑床進行實體建模和有限（xiàn）元網格劃（huá）分後，對橫梁導軌結（jié）構（gòu）和裝配工藝分別進行改進後（hòu）得到兩組仿真結果。結合橫梁導軌變形量測量（liàng）試驗和總體方案改進後的仿真數據，得到如（rú）下結（jié）論：

(1)單（dān）獨將（jiāng）橫梁導軌外部結構進（jìn）行改進後能使橫梁在XY和泫平麵內直線度都提高近50％。

(2)通過調整靠近滑鞍側的地腳螺栓處墊鐵可以（yǐ）改善滑鞍、主軸箱傾（qīng）覆力矩對橫梁導軌直線度的影響，但主軸頭的位置發（fā）生了相對較大的位移。但仍能使橫梁（liáng）導軌直線度提高近50％。

(3)結構和工藝都改進後的方（fāng）案有限（xiàn）元仿真（zhēn）結果與試驗得到（dào）的數據吻合度好，對橫梁（liáng）導軌直線度分別提高53％和67％。說明（míng）了改進方案的正確（què）性和有效性。

(4)在（zài）改進橫梁導軌直線度的兩（liǎng）種方法中，在保證機床整體剛度的前提下，可以優先考慮調節地腳（jiǎo）螺栓（shuān）處（chù）墊鐵的方案，但是調整地腳螺栓處墊鐵方法的通用性需要進一（yī）步探討。

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