14.5 m精密花崗石導軌加工工藝的研究*

焦 潔

(北京機床所精密機電有限公司，北京 100102)

眾所周知，花崗石取材于地下優(yōu)質的巖石層，經(jīng)過億萬年自然時效，線脹系數(shù)極小，內應力完全消失，形態(tài)極為穩(wěn)定，又由于花崗石系非金屬材料，絕無磁性反應，亦無塑性變形。因此，常用花崗石材料制成精密量具或精密儀器的導軌。然而，當尺寸超大、形狀特殊、精度較高時，加工起來可不是一件容易的事。筆者公司已成功生產(chǎn)出2臺長度大于10 m的大型精密測量儀，床身都采用整體花崗石材料，導軌精度要求優(yōu)于“00”級平板。本文以12 m激光滾珠絲杠行程測量儀中所用的花崗石床身(長14.5 m)為例，介紹了超長精密花崗石導軌在精研加工過程中的關鍵工序——直線度檢測、探索溫度變化對直線度的影響、加工方法，以期能夠對其他有類似導軌的加工有借鑒意義。

1 花崗石導軌的形狀和精度要求

在12 m測量儀中，床身采用整體花崗巖材料，床身長度14.5 m×寬680 mm×高900 mm，上面中間開槽鑲嵌副導軌(V—平鑄鐵導軌)，上表面A、C及側面B作為氣浮導軌面，如圖1為床身截面圖。對導軌面A、B、C的直線度要求為 0.002 mm/2 000 mm、0.005 mm/4 000 mm、0.008 mm/6 000 mm、0.010 mm/8 000 mm、0.020 mm/全長。

2 導軌的加工工藝研究

花崗石是不可多得的礦產(chǎn)資源，尤其是能夠作為大型測量儀床身的材料更是彌足珍貴。在開采、運輸、粗加工過程中，都不可掉以輕心，這里只談導軌的精加工工藝。

床身導軌面的最終精度都是由人工研磨來完成的，精研加工上雙平面A、C和側平面B，要求達到極高的面形精度和直線度。這是一項細致而漫長的工作，是對人們意志和性情的磨練，而其中長期積累的工藝數(shù)據(jù)和經(jīng)驗尤為重要。

2.1 導軌直線度檢測

精研過程中的檢測環(huán)節(jié)是非常重要的，是后序加工的依據(jù)。圖2是用電子水平儀、Renishaw激光干涉儀、Taylor Hobson雙軸自準直儀同時測量導軌在垂直面的偏擺與直線度。對于超長導軌，檢驗時間較長、頻次高，應優(yōu)先選擇使用便捷的檢測器具。我們在實踐中，特別地對每種器具做了比對。

用光電自準直儀檢驗時，由于“靶鏡”體積小，沒有電纜線，移動過程不受其他外力影響。配置電腦可以同時測量水平面和垂直面的角擺，并自動計算出直線度，自動化程度高，免除人工處理數(shù)據(jù)帶來的誤差，測量精度和效率都較高。但測量距離長時(接近15 m)，需要對光路做精細調整，出射光相對運動軸線的準直要好，空氣擾動對測量也有影響，應盡量避免。

用電子水平儀檢驗時，較少受空氣擾動影響，測量值穩(wěn)定。但是，用它只能測量垂直面內的直線度，不能測量水平面內的直線度。另外，如果水平儀不接電腦時，人工讀數(shù)、計算，效率低;連電腦時，由于有連接電纜，移動時測量數(shù)據(jù)會受到電纜線的影響。

用激光干涉儀測直線度附件可以直接得出直線度的結果，但搭建一次光路只能測量一個方向的直線度(水平面或垂直面內)，而且光路調整較為復雜。

相比較而言，在精研加工過程中，用雙軸光電自準直儀更為便捷，搭建一次光路，可以同時測量導軌在水平面和垂直面的角擺或直線度。

在精研加工前期要檢測單一導軌的直線度，采樣間隔(跨距)等于橋板(專用檢具)在測量方向上的長度;最終精度是針對導軌副的，也就是測量拖車在導軌上運動的直線度，采樣間隔等于拖車的位移，如圖3。

2.2 溫度對導軌直線度的影響

盡管花崗石材料的線脹系數(shù)極小，對溫度的敏感比鑄鐵小得多，但對超長超精密導軌來說，溫度的影響也是不可忽視的。建造恒溫精度極高的環(huán)境條件固然可以減少溫度變化的影響，但恒溫精度提高一個數(shù)量級，比如，從±0.5℃提高到±0.1℃，成本及能耗的增加對企業(yè)而言也將是不堪重負的。因此，探索不同形狀的床身隨溫度變化的規(guī)律，無論對精研加工的過程還是在使用中有效控制恒溫精度都是有意義的。

針對12 m測量儀床身導軌(14.5 m)的直線度隨溫度的變化情況，筆者做了非常詳細的試驗。比如，10月份的某天，晴，當?shù)貢円箿囟?12～21℃ ;計量室內，房頂有采光玻璃窗，空調設置在“制冷”模式，溫度調整在19～21℃;用8路溫度巡檢儀監(jiān)視花崗石床身兩側面(附有金屬條)的溫度變化，磁吸式溫度傳感器T 1～T8布置如圖4所示;空調測溫傳感器在距床尾5 m的墻壁上，監(jiān)測空氣溫度。表1為一天內床身及空氣的溫度變化。

從表中可以看出，早晚溫度低，14:00左右溫度最高，平面C一側由于受來自天窗的陽光照射，溫度變化量較大，側平面B一側，不受陽光照射，溫度變化量較小。

表1 床身及空氣的一天溫度變化(單位:℃)

用光電自準直儀監(jiān)測在一天內不同時刻主導軌直線度的變化(圖3)，自準直儀測量方向約定，如圖5所示。圖6～9為檢測結果，測量跨距100 mm，用“端點連線法”計算直線度。X軸的曲線代表水平面內的直線度，反映了側面B導軌(圖4，測溫傳感器 T2、T4、T6、T8監(jiān)視其溫度)的凸凹情況;Y軸的曲線代表垂直面內的直線度，反映了上平面A、C導軌的凸凹情況。

圖6是上午9:0測量的數(shù)據(jù)及曲線，X軸在水平線上波動，整體趨勢比較平緩，局部誤差大，全長直線度9.32 μm;Y軸整體上明顯“凹心”，有幾處“鼓包”，全長直線度28.76 μm。

圖7是上午11:30測量的數(shù)據(jù)及曲線，X軸偏離水平線，整體趨勢“凹心”，局部誤差大，直線度14.52 μm;Y軸整體上“凹心”有所變緩，“鼓包”更加突出，全長直線度13.75 μm。

圖8是下午16:00測量的數(shù)據(jù)及曲線，X軸偏離水平線，整體趨勢“凹心”更多，局部誤差更大，直線度19.21 μm;Y軸整體上“凹心”變得不明顯了，但波動量更大，局部有大“鼓包”，全長直線度13.03 μm。

圖9是下午18:00測量的數(shù)據(jù)及曲線，與16:00點相比，差別不大。

圖6～9表明:在一天時間里，花崗石床身的直線度誤差隨著溫度的變化而變化，溫度變化低于1℃，接近13 m的測量長度上導軌直線度變化量:水平面0.01 mm，垂直面0.015 mm。

為排除地基變化的影響，在加工前，需要反復檢測。在相同溫度下導軌的直線度誤差基本一致時，否則，需要分析原因。

2.3導軌的精研加工

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，就可以研磨修去“凸起”的地方了。對于整體誤差，要區(qū)分是石頭本身的誤差還是由溫度變化所致。當誤差值與溫度的變形量接近時，就要修局部誤差了。圖10是某一天上午的檢測結果，水平面、垂直面的直線度，在近13 m的測量長度上僅僅為0.008 mm，然而，有多處局部誤差超差，曲線上顯示的誤差波動量很大，任意300 mm的角擺超過2″。修局部誤差要有足夠的耐性，還要瞻前顧后，小的研磨量，邊修邊檢;分多次修理。如果檢測不準、判斷有誤或研磨的力度不合適，很容易造成“牽一發(fā)而動全身”的可怕后果。

主導軌修好后、在局部誤差都合格時，還要觀察在幾天內不同時段溫度的變化對直線度的影響。

圖11為一天上午10:00的檢測結果，在13 m長度上，X軸較平緩，全長直線度3.98 μm(2.7″);Y軸整體上“凹心”，全長直線度13.47 μm(3.05″)。圖12 為當天下午16:00的檢測結果，X軸“凹心”，全長直線度4.22 μm(2.2″);Y軸“凹心”減少，局部誤差顯現(xiàn)(不超差)，全長直線度 9.39 μm(2.38″)。

這期間，溫度升高大約0.5℃，X向的直線度(側面B)幾乎不變，Y向直線度(上平面A/C)變化約4 μm，上面為“鼓”。

一般而言，當溫度升高時，石頭的變化趨勢為“鼓心”，“鼓”的數(shù)量與床身的厚度及形狀有關，但這種變化是滯后于溫度變化的。由于床身變化緩慢，不止是在精研的過程中觀察溫度變化，并考慮滯后變形的大小;在最終精度完成前，在保證局部誤差合格的情況下，還要根據(jù)外界季節(jié)的變化，稍微調整一下誤差趨勢。如，在秋冬之交，外界溫度由高變低，室內空調由制冷改為制熱。在秋天修研導軌時，床身長期暴露在冷空氣中，人為地讓床身的誤差趨勢稍“凹心”一些為好。這樣，在冬天使用時，隨著室內空調溫度的升高，床身長期暴露在熱空氣中，誤差趨勢慢慢變?yōu)椤捌降摹?，直到溫度穩(wěn)定后，床身精度就保持不變了。

3 結語

筆者公司歷經(jīng)4年時間研制了2臺大型絲杠測量儀(10 m、12 m)，不僅經(jīng)歷了春夏秋冬四季的變化，也經(jīng)歷了由中試場地到用戶最終使用場地的長途運輸。實踐證明:這種長度達14.5 m的超長導軌采用花崗石材料是正確的，在溫度波動量低于±0.5℃的恒溫計量室里，我們從滿足絲杠小周期誤差的檢測需要入手，嚴控儀器主導軌的局部誤差，實現(xiàn)了文中提出的直線度要求。

［1］焦?jié)崳ふx.12 m激光滾珠絲杠(副)動態(tài)行程測量儀的研制［J］.制造技術與機床，2013(5):72－77.