【中國機床商務網(wǎng) 操作維修】橫梁導軌是龍門鏜銑床重要的支撐部件，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后橫梁導軌直線度精度降低的問題，依托有限元技術。從橫梁結構和現(xiàn)場裝配工藝兩個角度提出解決方案。從橫梁結構上改進來提高抗彎剛度，從工藝上調(diào)整立柱的地腳螺栓處墊鐵。通過橫梁導軌變形量試驗，結構和工藝都改進后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：龍門銑鏜床；有限元分析；直線度；結構改進；墊鐵
 

　　龍門鏜銑床具有高精度特性，在加工結構復雜的模具、板盤、箱體及凸輪等各類工件中發(fā)揮著重大作用。但是當其重要支撐部件橫梁導軌的直線度誤差超過設計精度時，就會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量，因此需要對提高橫梁導軌直線度精度的方法展開研究。從現(xiàn)有文獻來看，韓麗娟等對某型數(shù)控車床的導軌直線度及其測量過程進行了研究，并編寫了直線度誤差測量程序，但沒有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。等對國內(nèi)外高精度直線度的各種測量方案進行了詳細的對比分析，但未針對龍門鏜銑床的橫梁導軌直線度進行研究。現(xiàn)有報道多見對直線度測量及數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容，未見對大型龍門銑床的橫梁導軌直線度提高方法的探討。
 

　　龍門鏜銑床裝配過程中容易出現(xiàn)工藝不當?shù)膯栴}，隨著使用時間的增長，其主要支撐部件如橫梁由于磨損、自身重力變形、撞擊變形等因素會使得導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證橫梁導軌的直線度精度。針對長時間運行后機床橫梁導軌直線度精度降低的問題，本文從橫梁導軌的結構和現(xiàn)場裝配工藝兩個方面進行研究。利用有限元分析技術，分別改進橫梁結構和裝配工藝來提高橫梁直線度精度：一在結構上提高橫梁的抗彎剛度；二是調(diào)整靠近橫梁導軌側的立柱上地腳螺栓處墊鐵。zui后將改進結構和工藝后的橫梁導軌有限元仿真結果和現(xiàn)場試驗測試結果對比分析，提高直線度都達到了50%以上，證明改進方案是正確的。
 

　　1.有限元建模
 

　　國產(chǎn)的某型龍門鏜銑床由床身、立柱、橫梁、主軸箱、工作臺等部件組成，如圖1所示。由于龍門鏜銑床幾何結構復雜，在建立有限元模型時，忽略掉所有細微復雜的幾何因素，只考慮起主導作用的因素來建立整機的簡化模型。4。j。采用Pro/E軟件先將各部件建立三維實體模型并裝配得到整機模型，導人ANSYS的Work—bench應用平臺，設置機床的材料屬性∞。o。其中立柱的材料為HT250，楊氏模量為1.2 X 105 MPa，密度為7 210 kg/m3，泊松比0.22；橫梁等其他大件用Q23，楊氏模量為2.1 X 105 MPa，密度為7 860 kg/m3，泊松比0.3。在結合面處將節(jié)點自由度*耦合舊J，將床身、立柱、橫梁、連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(wǎng)格劃分時，采用SOLID 45單元對實體進行網(wǎng)格劃分，共有338 390個節(jié)點，142 169個單元，見圖2。

 

　　2.改進橫梁導軌結構
 

　　為提高橫梁導軌直線度，需要從結構上改變。其結構可以在內(nèi)部改進，考慮到現(xiàn)有龍門鏜銑床橫梁結構已經(jīng)成型，因此在橫梁外部進行改進。根據(jù)文獻[9]可知，橫梁在y向的抗彎剛度較低。由于其剛度是連續(xù)變化的，而橫梁中間沒有支撐點，其柔度較大。為增加其y軸的抗彎剛度，考慮到需要在原有橫梁的基礎上進行結構改進，提出一種結構改進方案如圖3。為避免主軸箱的加工行程受限，將矩形結構增加在原有橫梁上方來提高其在垂直面和水平面的剛度。對改進結構后的橫梁裝配體在重力作用下的變形進行有限元分析，得到結構改變后的主軸頭沿z向位移量見表1和圖4a，沿X向位移量見表2和圖4b。

 

　　圖4原始和改進后結構兩種情況下主軸頭沿z向和坰位移的變化量
 

　　表1 結構改變前后主軸頭z向位移的變化
 

　　表2結構改變前后X向位移的變化
 

　　從表1、2的數(shù)據(jù)和圖4發(fā)現(xiàn)：(1)原始結構主軸頭沿z、x方向的位移變化值相對較大，其差值也相對較大，分別為：39.1—25.8=13.3斗m，14.5—5.5=9Ixm；(2)改進后的結構主軸頭沿z、x方向的位移變化值相對較小，其差值也相對較小，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軸橫梁在眩平面和XY平面內(nèi)直線度變好，都提高了近50%。
 

　　3.改進裝配工藝
 

　　現(xiàn)場裝配工藝按照先部裝，再總裝的原則，先對橫梁進行部裝后，將橫梁與立柱進行裝配。在安裝調(diào)整好之后，對裝配工藝進行改進：通過調(diào)整立柱的地腳螺栓處可調(diào)墊鐵(靠近橫梁的導軌側)，使其稍微調(diào)高一些，要根據(jù)有限元模型中橫梁及其主軸箱的重力來確定“調(diào)高”的這個量。這種做法可以改善滑鞍、主軸箱傾覆力矩對橫梁導軌直線度的影響，但主軸頭的位置可能會發(fā)生相對較大的位移，這樣會產(chǎn)生應力(主要是床身與立柱的連接螺栓處)，對機床精度保持性可能產(chǎn)生影響。把調(diào)整墊鐵沿z方向調(diào)高0.03 mm的位移，再根據(jù)有限元分析計算主軸頭上在XY平面內(nèi)沿x向的位移的變化值，得出變化值的系列值。得到表3和圖5。在變化的系列值找出zui大值和zui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5兩種情況下主軸頭沿x方向位移的變化量
 

　　從表3的數(shù)據(jù)及圖5發(fā)現(xiàn)：(1)原始結構主軸頭沿x方向的位移變化值比較小，但是其差值相對較大，其大小為：14.5—6.9=7.6斗m；(2)地腳螺栓處墊鐵調(diào)整后主軸頭沿x方向的位移變化值比較大，但是其差值相對較小，其大小為：51.2—47.2=4斗m；(3)調(diào)整靠近滑鞍側地腳螺栓處墊鐵能使橫梁導軌直線度變好，提高了近50%。
 

　　4.試驗驗證
 

　　為檢驗結構和工藝改進后橫梁導軌直線度的變化，考慮到橫梁在Z向的變形量較大，因此進行了主要體現(xiàn)其z向位移變化的橫梁導軌變形量測量實驗，測量現(xiàn)場如圖6。橫梁在x向的位移可采用自準直儀法進行測量Ll 0|，文中不加詳述。將改進方案后的有限元仿真結果與試驗結果進行對比分析。通過對比改進方案前后主軸頭沿z向位移量，得到橫梁導軌的直線度數(shù)值。按照實際裝配情況將橫梁置于立柱上，以工作臺水平為基準，將千分表放置于滑枕下，以橫梁右端為起始點，得到方案改變前后主軸頭z向位移變化¨¨如圖7。由圖7發(fā)現(xiàn)：(1)試驗測量結果和有限元仿真結果吻合度較好，有限元仿真結果的位移差值(3.8斗m)比測量結果(2.6斗m)大；(2)測量結果中原始結構主軸頭沿z方向的位移變化值相對較大，其大小為：14.5—6.5=8(斗m)；(3)方案改進后主軸頭沿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(斗m)；(3)方案改進后，有限元仿真結果和試驗測量結果顯示分別提高橫梁導軌直線度53%和67%。
 

　　5.結語
 

　　橫梁導軌直線度精度對加工件質量有著重大影響。對國產(chǎn)某型龍門鏜銑床進行實體建模和有限元網(wǎng)格劃分后，對橫梁導軌結構和裝配工藝分別進行改進后得到兩組仿真結果。結合橫梁導軌變形量測量試驗和總體方案改進后的仿真數(shù)據(jù)，得到如下結論：
 

　　(1)單獨將橫梁導軌外部結構進行改進后能使橫梁在XY和泫平面內(nèi)直線度都提高近50%。
 

　　(2)通過調(diào)整靠近滑鞍側的地腳螺栓處墊鐵可以改善滑鞍、主軸箱傾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。但仍能使橫梁導軌直線度提高近50%。
 

　　(3)結構和工藝都改進后的方案有限元仿真結果與試驗得到的數(shù)據(jù)吻合度好，對橫梁導軌直線度分別提高53%和67%。說明了改進方案的正確性和有效性。
 

　　(4)在改進橫梁導軌直線度的兩種方法中，在保證機床整體剛度的前提下，可以優(yōu)先考慮調(diào)節(jié)地腳螺栓處墊鐵的方案，但是調(diào)整地腳螺栓處墊鐵方法的通用性需要進一步探討。

 

（原標題：提高龍門鏜銑床橫粱導軌直線度的方法研究）