李軍艦 念 勇 劉 杰 張 榮

(漢川數(shù)控機(jī)床股份公司，陜西 漢中 723003)

橫梁是龍門機(jī)床結(jié)構(gòu)的主要支承部件，是機(jī)床的重要組成部分，其機(jī)械性能直接影響機(jī)床的精度。在加工及機(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，致使龍門機(jī)床直線度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行反復(fù)加修，影響生產(chǎn)進(jìn)度。

筆者公司龍門機(jī)床種類眾多，分為定梁龍門和動(dòng)梁龍門兩大類，其結(jié)構(gòu)雖然不盡相同，但加工方法及精度要求類似。下面以動(dòng)梁龍門機(jī)床為例進(jìn)行說(shuō)明，定梁龍門不再贅述。筆者公司動(dòng)梁龍門機(jī)床工作臺(tái)寬度最寬5000 mm，橫梁外形尺寸最大11700 mm ×2183 mm×1265 mm，重量最大35 t，屬于超大型零件(如圖1)，其轉(zhuǎn)運(yùn)、加工、檢測(cè)、裝配都需要適當(dāng)?shù)姆椒?。橫梁的加工精度在整臺(tái)龍門機(jī)床的精度中占有舉足輕重的作用。

1 加工難點(diǎn)分析

橫梁橫截面如圖2 所示，其導(dǎo)軌大面及立面、齒條安裝大面及立面、光柵尺安裝大面及立面長(zhǎng)向直線度均為0.015 mm，相互平行垂直為0.020 mm，表面粗糙度均為Ra1.6 μm，精度要求很高。充分考慮到橫梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、外形尺寸及重量，結(jié)合筆者公司設(shè)備，工藝難點(diǎn)及重點(diǎn)如下:

(1)由于橫梁長(zhǎng)度為11700 mm，重量35 t，且兩邊懸伸大，轉(zhuǎn)運(yùn)、吊裝、裝夾比較困難，如何合理安排工藝流程在減少工件的轉(zhuǎn)運(yùn)、翻轉(zhuǎn)的前提下保證其加工精度為工藝難點(diǎn)。

(2)橫梁為機(jī)床的主要支承部件，克服其自重變形及滑鞍主軸部件運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形是橫梁加工最主要的工藝難點(diǎn)，尤其是這兩種變形量疊加的數(shù)值確定為主要難點(diǎn)。

(3)由于橫梁的精度直接影響機(jī)床的精度，因此保證橫梁的精度穩(wěn)定性也是考慮的重點(diǎn)。

2 橫梁加工工藝流程

根據(jù)橫梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及精度要求，結(jié)合筆者公司設(shè)備及工藝習(xí)慣，確定橫梁加工工藝流程如下:

鑄造毛坯→粗加工四周及導(dǎo)軌面→熱時(shí)效→半精加工四周及導(dǎo)軌面→清理、刷底漆→振動(dòng)時(shí)效→半精加工四周面及導(dǎo)軌面→油漆→自然時(shí)效→超精加工導(dǎo)軌面、齒條面等重要面。

工藝流程分析:

(1)在橫梁加工過(guò)程中，安排3 次時(shí)效處理，一次熱時(shí)效，一次振動(dòng)時(shí)效，一次自然時(shí)效，消除鑄件在鑄造時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力和加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，防止鑄件變形和產(chǎn)生裂紋，保證橫梁加工后尺寸及形位公差的穩(wěn)定性。

(2)由于熱時(shí)效產(chǎn)生的變形大，因此在五面體龍門加工中心上粗加工四周及導(dǎo)軌面等留量7 mm。

(3)安排兩次半精加工，第一次四周及導(dǎo)軌面留量3 mm，第二次導(dǎo)軌面、齒條面、光柵尺面留超精加工量1 mm，其余各面及孔均加工成，充分消除加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

(4)超精加工時(shí)，按橫梁裝配時(shí)的狀態(tài)以立柱結(jié)合面為基準(zhǔn)放在諾威納龍門車鏜銑復(fù)合加工中心上進(jìn)行加工，根據(jù)橫梁有限元分析的變形曲線及實(shí)際測(cè)量的變形曲線綜合考慮進(jìn)行反變形加工，并且消除重力對(duì)橫梁的影響，避免裝配時(shí)二次翻轉(zhuǎn)橫梁造成精度損失。

通過(guò)以上分析確定了橫梁加工工藝流程的正確性，按照以上加工工藝流程，能夠滿足大型龍門機(jī)床對(duì)橫梁的各項(xiàng)精度要求。

橫梁粗加工及兩次半精加工用普通加工方法在大型加工母機(jī)上均可進(jìn)行，需要注意的是橫梁自重產(chǎn)生的變形量大，必須選擇合適的支撐點(diǎn)。超精加工時(shí)采用反變形法，這是橫梁加工時(shí)最重要也是最難以實(shí)現(xiàn)的地方。以下重點(diǎn)加以討論。

3 橫梁反變形加工

補(bǔ)償橫梁變形的常用方法是反變形法，就是使橫梁導(dǎo)軌面的幾何形狀成為橫梁彈性位移的倒影線，從而補(bǔ)償橫梁及其導(dǎo)軌因受自重力及滑鞍主軸系統(tǒng)重力產(chǎn)生的彈性變形。反變形加工難點(diǎn)是要找到變形曲線輪廓，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中采用有限元分析和實(shí)際檢測(cè)相結(jié)合的方法得到橫梁的反變形加工曲線。

3.1 橫梁有限元分析

先不考慮鑄件本身缺陷，僅考慮橫梁受滑鞍主軸部件等外力作用引起的變形。

首先用SolidWorks 軟件建立橫梁的三維模型，然后將此三維模型導(dǎo)入ANSYS 軟件進(jìn)行有限元建模并求解。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將滑鞍主軸部件簡(jiǎn)化為位于其重心位置的質(zhì)點(diǎn)，計(jì)算時(shí)只需輸入重量即可。滑鞍主軸部件和橫梁直線導(dǎo)軌滑塊安裝位置之間用無(wú)質(zhì)量的剛性桿連接，橫梁用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計(jì)算彎曲變形時(shí)，采用一端固定另一端浮動(dòng)的約束形式。計(jì)算扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，采用兩端固定的約束方式。為全面了解橫梁的變形，在滑鞍主軸部件全行程上每隔300 mm計(jì)算一次變形量。得到變形曲線如圖3、圖4 所示。

3.2 實(shí)際檢測(cè)

半精加工后，將橫梁放在廠房?jī)?nèi)自然時(shí)效15～20天，模擬橫梁工作狀態(tài)在諾威納車鏜銑機(jī)床上固定并找正基準(zhǔn)面(如圖5 所示)，上專用工裝用雷尼紹儀檢驗(yàn)導(dǎo)軌立面及大面實(shí)際變形量，即為考慮材質(zhì)分布不均橫梁自重變形的實(shí)際曲線。

3.3 曲線擬合

將有限元分析得到的曲線相對(duì)于0 線鏡像，得到不考慮橫梁自重時(shí)的橫梁變形曲線，與實(shí)際檢測(cè)得到的曲線做減運(yùn)算，得到實(shí)際加工時(shí)的曲線，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7 可以看出:①上、下導(dǎo)軌立面、齒條立面加工成中凸，最大值0.14 mm;②上導(dǎo)軌大面加工成中凹，最大值0.05 mm;③下導(dǎo)軌大面加工成中凸，最大值0.05 mm;④齒條大面加工成中凸，最大值0.030 mm;⑤曲線左端為刀庫(kù)側(cè)，在橫梁結(jié)構(gòu)中懸伸最大，變形量也最大。

依據(jù)實(shí)際加工曲線利用MasterCam 或UG 進(jìn)行加工程序編制。

3.4 反變形加工具體過(guò)程

(1)用雷尼紹儀檢驗(yàn)諾威納龍門車鏜銑復(fù)合加工中心，檢驗(yàn)項(xiàng)目:機(jī)床水平面內(nèi)直線度，不合適時(shí)調(diào)整;Y 軸最小移動(dòng)脈沖當(dāng)量值(最小設(shè)定單位)。

(2)將橫梁按圖5 所示安裝在諾威納機(jī)床上，拉表找正兩導(dǎo)軌大面，11790 mm 尺寸兩端在0.01 mm內(nèi)，找正兩導(dǎo)軌立面后用擠鐵擠緊，不允許用壓板壓緊，防止因壓板產(chǎn)生的變形。

(3)在橫梁不重要面上(如護(hù)罩安裝面)上試刀加工驗(yàn)證程序，加工完成后拉表檢驗(yàn)，與編程曲線相對(duì)比驗(yàn)證程序正確性，要求每隔300 mm 記錄一次數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

(4)按驗(yàn)證正確的程序精銑兩導(dǎo)軌大面及立面，齒條大面及立面。

合理安排時(shí)效，達(dá)到完全釋放材料自身應(yīng)力及因各序加工造成的應(yīng)力。采用有限元分析從理論上分析實(shí)際工作狀態(tài)下受力，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)加工情況及鑄件材質(zhì)分布狀況，三者綜合考慮，擬合出一條正確的變形曲線，根據(jù)此曲線采用反變形法精加工橫梁。

4 結(jié)語(yǔ)

反變形法加工橫梁既消除了因自重及受外力作用引起的變形，又使得橫梁一次加工出即可滿足裝配中幾何精度要求。避免了盲目的反復(fù)加修，加快了機(jī)床的裝配速度，提高了機(jī)床的精度，降低了成本，為筆者公司大型龍門系列機(jī)床產(chǎn)業(yè)化提供了有力的技術(shù)保障，并為其他類似大件的反變形加工提供了加工參考。

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