導(dǎo)軌改進對機床加工精度影響的研究應(yīng)用*

王海濤 李初曄 趙惟瑋

(中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所，北京 100024)

數(shù)控鏜床廣泛應(yīng)用于加工領(lǐng)域，導(dǎo)軌是其重要組成部件之一，設(shè)計時選擇導(dǎo)軌類型合理與否，在很大程度上決定了數(shù)控設(shè)備的剛度、精度與精度保持性。

導(dǎo)軌是兩個相對運動部件結(jié)合而組成的滑動副，一般由機床的支承部件(床身、立柱、橫梁)和執(zhí)行部件(主軸箱、溜板箱、刀架)匹配而成。導(dǎo)軌的功能是使運動部件能沿一定軌跡運動，并承受運動部件及工件的重量和切削力。即對執(zhí)行部件起引導(dǎo)作用和承載作用。

導(dǎo)軌具有精度高、壽命長、剛度及承載能力大、摩擦阻力小、運動平穩(wěn)等特點，設(shè)計時應(yīng)充分考慮其可加工性、裝配性、調(diào)整性和維修性。隨著全自動、高精度、高效率、長時間連續(xù)工作的數(shù)控機床和加工中心的發(fā)展，對導(dǎo)軌副工作的可靠性和穩(wěn)定性要求會越來越高。

1 問題來源和分析

JKT型系列鏜床是加工鋁合金工件的臥式精密設(shè)備，采用靜壓主軸，電動機直驅(qū)，回轉(zhuǎn)精度高;開式靜壓導(dǎo)軌，配有獨立油箱，滑臺運行平穩(wěn);寬體整體床身，高剛性，穩(wěn)定性好;半閉環(huán)數(shù)字控制。第二代產(chǎn)品JKT－20型鏜床，與第一代相比，結(jié)構(gòu)更加緊湊，并為液壓站配備了恒溫裝置，已成功應(yīng)用于生產(chǎn)近7年，使用效果良好。

隨著客戶對零件精度要求的逐步提高，該型設(shè)備所加工孔的直線度和圓柱度的精度指標優(yōu)勢不再明顯，甚至已接近精度要求極限，而且孔的表面粗糙度有超差現(xiàn)象發(fā)生。為改變這種被動的現(xiàn)狀，經(jīng)研究分析，找出影響加工精度的主要因素，再從最易實施的方面入手，對相關(guān)結(jié)構(gòu)和形式進行改進和優(yōu)化，以期改善和提高該系列鏜床的加工精度，并適應(yīng)產(chǎn)品的加工精度要求。

針對以上問題的出現(xiàn)，列出以下JKT－20型鏜床當初設(shè)計任務(wù)書所要求的相關(guān)精度指標:(1)加工孔直徑尺寸公差:±0.02 mm;(2)加工孔母線直線度:0.001 5 mm;(3)加工孔圓柱度:0.004 mm;(4)孔表面粗糙度Ra:0.5 μm。

根據(jù)多年的鏜削加工經(jīng)驗積累，以及多次到現(xiàn)場對加工件抽樣測量，通過周密論證，決定以導(dǎo)軌副的改進為切入點展開工作，首先提高滑臺的運行精度。

由于該鏜床是是臥式結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)軌面的接觸變形占整個設(shè)備各大件總變形的5% ～15%，所以導(dǎo)軌本體的偏移或變形，在一定程度上肯定影響導(dǎo)軌的工作精度。因此，改進時要把導(dǎo)軌與機床整體結(jié)構(gòu)情況聯(lián)系起來，制定出合理有效的實施方案，使該系列鏜床的精度穩(wěn)步提高。

2 改進過程

JKT－20型鏜床采用的是雙V形開式靜壓導(dǎo)軌(如圖1所示)。該型導(dǎo)軌具有高運動精度、高剛度的特點，因而普遍應(yīng)用于精密和超精密數(shù)控加工設(shè)備中。但是，在滑臺的運行過程中，由于導(dǎo)軌面輪廓誤差使油膜的厚度不斷發(fā)生變化，并隨之產(chǎn)生油膜承載力的不規(guī)則波動，在此影響下，滑臺為保持平衡狀態(tài)，不得不偏離理想運動軌跡而產(chǎn)生運動誤差。另外，液壓站的溫升以及環(huán)境溫度的變化，都影響液壓油的粘度，進而使油膜的承載能力發(fā)生變化，最終也就降低滑臺的運行精度，影響鏜床的加工精度。通過以上分析，歸納出方案的實施流程，如圖2所示。

2.1 第一種方案

先去掉靜壓導(dǎo)軌液壓站，滑臺和床身導(dǎo)軌面之間不再產(chǎn)生靜壓油膜，而是直接接觸，使其變成普通的雙V形導(dǎo)軌，如圖3a所示，此時的運行精度主要取決于機床裝配時兩者的配刮精度，該過程簡單易行，完成后馬上可以進行工件加工，測量記錄加工件的指標，并對結(jié)果進行分析。這種改進，雖然使導(dǎo)軌的面接觸剛度提高了，但導(dǎo)軌副由液體摩擦變成了金屬與金屬(滑臺和床身都是鑄鐵件)之間的摩擦，使摩擦因數(shù)μ由0.005左右增加到0.07～0.12;另外，低速運動時易產(chǎn)生爬行，并且抗振性不好，為彌補這幾種不足，接下來進行方案的第二步。

2.2 第二種方案

另找一臺JKT－20型鏜床，將其導(dǎo)軌改成貼塑導(dǎo)軌。用金屬填補膠將原來靜壓導(dǎo)軌上的油孔和油槽補平，之后，選用填充聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶，將其粘貼在滑臺導(dǎo)軌面上，該軟帶是一種具有優(yōu)良自潤滑的導(dǎo)軌材料。導(dǎo)軌貼塑后，成為雙V形貼塑導(dǎo)軌，如圖3b所示，其使用性能得到進一步改善:一是減小了摩擦因數(shù)，提高了導(dǎo)軌表面的耐磨損能力;二是能有效地防止低速爬行，保持良好的運動平穩(wěn)性和伺服特性;三是具有優(yōu)良的吸振性，既在一定程度上彌補加工和裝配時產(chǎn)生的誤差，又可以抑制刀具切削時產(chǎn)生的振動;四是阻尼性好，能大大減小導(dǎo)軌系統(tǒng)啟動或停止時的振動。該方案完成后，同樣進行加工測量，并記錄結(jié)果進行分析研究。

2.3 第三種方案

完全改變導(dǎo)軌類型，決定選用滾動直線導(dǎo)軌。與以上幾種導(dǎo)軌相比較，滾動直線導(dǎo)軌的動、靜摩擦力之差很小;隨動性極好，有利于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度;驅(qū)動功率大幅度下降，只相當于普通機械的10%;能實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度;成對使用具有誤差均化效應(yīng)，從而降低導(dǎo)軌安裝面的加工精度要求，降低機械制造成本與難度，使機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造大大簡化;另外，由于該導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)特殊，其垂直上下、左右水平方向的額定載荷相等(如圖4所示)，且額定載荷大，剛度高，三個方向抗顛覆力矩能力大，適用于各種載荷機床。

為了使JKT型系列鏜床的加工精度有較大提高，滿足企業(yè)的市場競爭需求，作為技術(shù)儲備產(chǎn)品，經(jīng)過了多方面的論證分析，決定采用滾動直線導(dǎo)軌。

借用其他機床的滑臺和床身，在以上兩種方案實施的同時，裝備一臺使用滾動直線導(dǎo)軌的鏜床。改進后，如果有較大改觀，就逐步投產(chǎn)替換原有的舊型號。

3 驗證分析

按照3種方案的要求，通過一段時間的工作，相繼完成3種導(dǎo)軌類型JKT型系列鏜床的改造和裝配工作。

優(yōu)化3臺鏜床的加工參數(shù)，分別進行批量加工，對加工件的相關(guān)精度指標進行了測量，沒有超標現(xiàn)象，全部符合圖紙要求。統(tǒng)計了結(jié)果，并與原來靜壓導(dǎo)軌的鏜床進行了比較，如表1所示。

表1 幾種導(dǎo)軌鏜床孔加工精度匯總(平均值)

通過以上測量結(jié)果的比較，可以看出，第一種和第二種方案改進后的加工精度指標好于JKT－20型鏜床或與之持平;而采用滾動直線導(dǎo)軌的鏜床，各項指標比有了明顯的提高。長遠來看，如果對該系列鏜床的主軸部件、傳動部件等進行相應(yīng)改進，設(shè)備的加工精度還能提高。

根據(jù)加工測量結(jié)果，先對該系列鏜床進行第一、二種方案的導(dǎo)軌改進，短期內(nèi)完全可以滿足加工件的加工精度要求。但從長遠來說，為了適應(yīng)市場發(fā)展的需求，則采取第三種方案，并配以鏜床其他重要部件的技術(shù)改進，逐步取代該系列老舊型號的鏜床。

4 結(jié)語

由以上鏜床導(dǎo)軌的改進工作和實施過程，結(jié)合技術(shù)改造和生產(chǎn)加工的實際，有幾點啟示供大家參考:

(1)數(shù)控機床加工精度的提高是一個系統(tǒng)工程，通過充分調(diào)研論證，才能確定合理的切入點;

(2)數(shù)控機床的改進是一個循序漸進的過程，可根據(jù)不同的使用情況和加工要求，選擇某一部件進行改造和完善;

(3)機床改進設(shè)計，有別于重新設(shè)計，盡量以“小改動，大提高”為原則，一般除了特殊要求，只要滿足或略高于加工精度需求即可;

(4)對改進后的機床，要經(jīng)常到現(xiàn)場了解、收集加工、使用方面的相關(guān)信息，為以后進一步的改造積累更多、更好的第一手資料。

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