王道明 于鳳軍 郭志超 楊 寧 劉清濤

(①沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧沈陽(yáng)110142;②沈陽(yáng)遠(yuǎn)大企業(yè)集團(tuán)，遼寧沈陽(yáng)110027;③長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064)

對(duì)于龍門(mén)機(jī)床而言，橫梁是機(jī)床結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其機(jī)械性能直接影響機(jī)床的加工精度。在機(jī)床安裝調(diào)試過(guò)程中，橫梁經(jīng)常因?yàn)樽灾丶笆茌d后發(fā)生變形，致使龍門(mén)機(jī)床橫梁方向直線(xiàn)度經(jīng)常不合要求，需要反復(fù)加修，影響安裝進(jìn)度。為此，本文提出通過(guò)有限元分析和實(shí)際檢測(cè)相結(jié)合的方法來(lái)解決此問(wèn)題。

1 橫梁工藝分析

橫梁是機(jī)床的主要支承件，對(duì)整個(gè)機(jī)床的性能影響非常大。其結(jié)構(gòu)聯(lián)接一般是通過(guò)兩端部螺釘固定在兩立柱上，滑板主軸箱等構(gòu)件在其上橫向移動(dòng)，如圖1所示。龍門(mén)式機(jī)床橫梁的受力結(jié)構(gòu)為兩點(diǎn)簡(jiǎn)支梁支承形式，造成橫梁變形的主要原因是重力和加工時(shí)的切削力，需要有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能［1］。龍門(mén)機(jī)床驗(yàn)收要求滑板沿橫梁運(yùn)動(dòng)方向(Y軸)的正向和側(cè)向直線(xiàn)度符合特定要求。

橫梁材質(zhì)多為鑄鐵，龍門(mén)橫梁正面B、C和側(cè)面A是影響龍門(mén)機(jī)床Y軸正向和側(cè)向直線(xiàn)度的主要因素，因此這三面的加工精度極為重要，一般B、C面有平面度和直線(xiàn)度的限制，A面需要給出直線(xiàn)度和相對(duì)于B面的垂直度要求。目前，設(shè)計(jì)人員大多只是給出精度要求的具體數(shù)值，依照傳統(tǒng)加工方法，銑、磨A、B、C面以達(dá)到精度要求。但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在滑板和主軸箱安裝之后，橫梁受自重、滑板和主軸箱的翻轉(zhuǎn)力矩作用而發(fā)生變形，使得橫梁直線(xiàn)度經(jīng)常難以保證，如圖2所示。

如:對(duì)一長(zhǎng)6 m的機(jī)床橫梁，Y向行程4 100 mm，機(jī)床幾何精度Y軸正面和側(cè)面直線(xiàn)度要求0.03 mm，在橫梁安裝在立柱上之前，測(cè)得橫梁A、B、C面直線(xiàn)度為0.03 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但是安裝之后發(fā)現(xiàn)A面直線(xiàn)度全長(zhǎng)0.06 mm，B面0.07，C面0.06;不合要求，需多次調(diào)整、加修，費(fèi)工時(shí)，提高加工成本，安裝進(jìn)度難以保證。

2 橫梁仿形加工

仿形加工難點(diǎn)是要找得仿形加工輪廓數(shù)據(jù)［3］，本文采用有限元分析和實(shí)際檢測(cè)結(jié)合的方法，對(duì)橫梁A面求得其仿形加工曲線(xiàn)，具體過(guò)程如下:

2．1 橫梁有限元分析

先不考慮鑄件本身缺陷及自重的影響，僅考慮橫梁受外力作用引起的變形。本文采用國(guó)際知名Soliworks公司開(kāi)發(fā)的具有先進(jìn)技術(shù)的Soliworks simulation軟件［2］，對(duì)滑板位于橫梁任意位置時(shí)的受力情況進(jìn)行有限元分析，得出A面變形曲線(xiàn)如圖3所示。

在該有限元分析中，邊界條件處理:兩立柱底部的3個(gè)方向的固定約束，橫梁和立柱結(jié)合面的螺釘連接，滑板和橫梁面面接觸，滑板上壓板與橫梁面面接觸。載荷處理:采用遠(yuǎn)程載荷方式處理滑板和主軸箱等件自重;網(wǎng)格劃分:采用高品質(zhì)，不同部位分別劃分的方法。

2．2 橫梁的仿形加工

具體過(guò)程如下:

①如圖4所:將橫梁平放，正面朝上，兩端4個(gè)支撐塊支承，A、B面精銑，留加工余量;

②模擬橫梁工作時(shí)的放置狀態(tài)，如圖5所示。自然時(shí)效處理一定時(shí)間后，可用水平儀和光管，求出A面實(shí)際變形曲線(xiàn)，即圖6中的曲線(xiàn)D，即為考慮材質(zhì)分布不均橫梁自重變形的實(shí)際曲線(xiàn)。

③將有限元分析得到的如圖3所示的曲線(xiàn)相對(duì)于O線(xiàn)鏡像得到如圖6中的C曲線(xiàn):即為不考慮橫梁自重時(shí)的橫梁加工曲線(xiàn);將圖6中的C線(xiàn)與D線(xiàn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)做減運(yùn)算，得到A面仿形加工的B曲線(xiàn)。

④橫梁再放回與如圖4所示的位置，依照B線(xiàn)對(duì)橫梁對(duì)A面進(jìn)行仿形加工，此處為最后一道工序，一般在磨床上采用數(shù)控編程進(jìn)行加工。如果按照?qǐng)D5加工，獲得的結(jié)果將更加精確，但受機(jī)床加工條件限制，一般只能采用圖4位置加工最后一道工序。

通過(guò)橫梁受力的有限元分析，確定出橫梁不考慮自重時(shí)的加工曲線(xiàn)，而后以測(cè)得自重時(shí)橫梁的變形曲線(xiàn)對(duì)不考慮自重時(shí)的加工曲線(xiàn)進(jìn)行修正，得到最終的仿形加工曲線(xiàn)。仿形加工曲線(xiàn)事先考慮到橫梁受自重及外力作用的變形情況，使龍門(mén)機(jī)床Y軸直線(xiàn)度在一次安裝后即可滿(mǎn)足要求。因?yàn)橛邢拊治鼋Y(jié)果的誤差，會(huì)使得仿形曲線(xiàn)有一定誤差，但一般局部修配即可滿(mǎn)足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

采用對(duì)橫梁進(jìn)行有限元分析的方法，求出橫梁受力后的理論變形曲線(xiàn)，并對(duì)其進(jìn)行修正;然后，按此曲線(xiàn)對(duì)橫梁進(jìn)行仿形加工，使得加工出的橫梁一次安裝即可以滿(mǎn)足幾何精度要求，避免了盲目、反復(fù)加修橫梁，加快了機(jī)床安裝進(jìn)度，降低了成本，同時(shí)可為其他類(lèi)似產(chǎn)品加工提供參考。

［1］羅傳林，李鍛能.龍門(mén)式機(jī)床橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2006(3):45-47.

［2］葉修梓，陳超祥.SolidWorks Simulation高級(jí)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］陳時(shí)虎.轉(zhuǎn)K3型轉(zhuǎn)向架側(cè)梁腹板孔仿形加工工藝［J］.機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2009(1):14-15.