基于保證大型數(shù)控機(jī)床裝配精度的方法應(yīng)用*＊

王海濤 李初曄 馬 巖

(中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024)

當(dāng)前，隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)重點(diǎn)領(lǐng)域，諸如航空航天、電力、船舶、兵器等，對(duì)大型數(shù)控機(jī)床的需求呈現(xiàn)出逐年快速增加的趨勢(shì)。由于國(guó)內(nèi)外機(jī)床制造業(yè)水平的差異，要想增強(qiáng)我國(guó)大型數(shù)控機(jī)床的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，必須以最根本的制造精度為基礎(chǔ)，不斷提高國(guó)產(chǎn)大型數(shù)控機(jī)床的加工精度，以滿足國(guó)內(nèi)客戶的加工需求。

數(shù)控機(jī)床的制造精度在很大程度上取決于裝配精度，受客觀條件的制約和傳統(tǒng)主觀裝配因素的影響，裝配精度的理論性大于實(shí)踐性，也就是說(shuō)，現(xiàn)在雖然能意識(shí)到裝配精度的重要性，但在實(shí)際的實(shí)施過(guò)程中，各方面對(duì)裝配工藝的執(zhí)行還不到位。

綜上所述，要提高數(shù)控機(jī)床的制造精度，尤其是大型數(shù)控機(jī)床，更得從根源上消除或降低不利于裝配精度的各種影響因素，以先進(jìn)的分析和測(cè)量工具為保障，確保數(shù)控機(jī)床的整體精度和可靠性。

1 問(wèn)題的來(lái)源

數(shù)控旋壓機(jī)廣泛應(yīng)用于軍工和民用等領(lǐng)域的加工制造業(yè)，特別是隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，為提高我國(guó)軍工技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，大型數(shù)控旋壓裝備應(yīng)運(yùn)而生，其加工能力和加工精度是重要的前提和基礎(chǔ)。因此，相應(yīng)的保證大型旋壓機(jī)床精度的措施也應(yīng)合理和可靠。

某大型立式強(qiáng)力旋壓機(jī)(圖1)，總重量500 多噸，高度將近13 m，主機(jī)占地面積約為15 m ×12 m，總功率1 200 kW，其工作臺(tái)直徑Ф2 800 mm，加工直徑范圍范圍Ф1 800～2 600 mm，橫向旋壓推力可達(dá)1 000 kN，并且要求回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的端面跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)不超過(guò)0.035 mm，如此高的加工能力和加工精度，對(duì)機(jī)床整體的裝配精度和裝配剛性都是一項(xiàng)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，為提高裝配的準(zhǔn)確性和合理性，避免重復(fù)勞動(dòng)，確保裝配過(guò)程的順利完成，必須借助先進(jìn)儀器和分析軟件，為裝配工作提供切實(shí)可行的技術(shù)保障。

2 裝配流程和關(guān)鍵點(diǎn)

對(duì)于大型數(shù)控機(jī)床，制定嚴(yán)格的裝配工藝是裝配實(shí)施的前提和基礎(chǔ)。根據(jù)多年積累的裝配經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該機(jī)床的使用功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其裝配流程如圖2。

從圖1 中我們可以看到，組成該機(jī)床的零部件體積較大，相互之間的聯(lián)接通過(guò)螺栓或螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，對(duì)于螺紋聯(lián)接的每一處預(yù)緊力，都需要有一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值，以保證聯(lián)接處的剛性，進(jìn)而才能保證整機(jī)的剛性要求;另外，該大型旋壓機(jī)為三旋輪立式整體框架結(jié)構(gòu)，三旋輪橫向進(jìn)給軸線夾角要求在120° ±7.5'以內(nèi)，如圖3a 所示。另外，還要保證三旋輪中心軸線與工作臺(tái)中心軸線的最大偏差e 不超過(guò)5 mm，如圖3b 所示。對(duì)于如此大型的機(jī)床，還要保證這樣高的精度，一般的測(cè)量手段很難實(shí)現(xiàn)。因此，在進(jìn)行立柱部件的裝配調(diào)整時(shí)，必須借助相應(yīng)精密儀器的測(cè)量才能完成。

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 有限元分析計(jì)算

要確保該大型裝備獲得足夠的整體剛度，必須在裝配過(guò)程中對(duì)零部件的關(guān)鍵聯(lián)接處的螺栓施加足夠的預(yù)緊力，尤其是大公稱直徑的螺栓，螺栓施加預(yù)緊力的數(shù)值影響螺紋聯(lián)接質(zhì)量，其聯(lián)接質(zhì)量又從根本上決定了機(jī)床最終的整體性能。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)，該機(jī)床部件之間聯(lián)接使用的螺栓規(guī)格主要是M36 和M30 兩種。通常用于緊固處承受載荷較大的零部件，擰緊時(shí)所需要的力需要結(jié)合設(shè)備的工況來(lái)進(jìn)行計(jì)算，另外還要根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和借助分析軟件，輔助進(jìn)行對(duì)比和校對(duì)，以找到理想的預(yù)緊力數(shù)值。因此，如果在裝配聯(lián)接之前，能夠通過(guò)分析和計(jì)算，最大限度地了解和掌握聯(lián)接用螺栓所需預(yù)緊力的大小，將其控制在一個(gè)相對(duì)合理的范圍之內(nèi)，這對(duì)于整機(jī)的裝配精度和運(yùn)行安全，都有重要的指導(dǎo)意義。

通過(guò)采用有限元軟件分析和通過(guò)相關(guān)的計(jì)算，對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行量化，為裝配工作提供科學(xué)的數(shù)據(jù)，改善螺紋聯(lián)接的可靠性和準(zhǔn)確性，以提高機(jī)床的裝配精度和加工穩(wěn)定性。

針對(duì)該機(jī)床的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)，首先篩選出重要的聯(lián)接部位，然后對(duì)各部位的相關(guān)聯(lián)接件進(jìn)行建模。以立柱底座和主軸箱體的聯(lián)接為例，如圖4a 所示。之后借助有限元分析軟件，結(jié)合機(jī)床工作時(shí)的受力情況，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并施加約束和載荷進(jìn)行分析計(jì)算，如圖4b 所示，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果，就能計(jì)算出各處螺栓預(yù)緊力的大小。

然后，通過(guò)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上提供的最小拉力載荷和產(chǎn)品保證載荷數(shù)值，計(jì)算預(yù)緊力矩;另外，還可以通過(guò)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5994 -92《裝配通用技術(shù)要求》，直接得到相應(yīng)公稱直徑螺栓的扭緊力矩;還可參考專業(yè)公司提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較幾者的結(jié)果(表1)。

表1 螺栓扭緊力矩表

最后，結(jié)合對(duì)旋壓機(jī)整體受力的有限元分析結(jié)果(圖5)，根據(jù)各關(guān)鍵部位聯(lián)接處受力變形的大小，選取較為合理的預(yù)緊力矩，最終在裝配過(guò)程中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

根據(jù)以上幾種扭緊力矩的數(shù)值，結(jié)合整機(jī)受力變形分析計(jì)算的結(jié)果，確定立柱底座和主軸箱體的連接處的扭緊力矩?cái)?shù)值為專業(yè)公司提供數(shù)值3 957 N·m的85%，即3 363 N·m，其他聯(lián)接處螺栓所需擰緊扭矩可按照該流程處理。

3.2 激光跟蹤儀的應(yīng)用

一般的數(shù)控機(jī)床設(shè)備，在精度檢驗(yàn)時(shí)需要檢測(cè)相關(guān)要素的幾何精度，對(duì)于通常的結(jié)構(gòu)形狀，可以比較容易地借助檢測(cè)儀器，使用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行測(cè)量。然而，對(duì)于特殊、復(fù)雜、大型結(jié)構(gòu)的專用裝備，尤其是針對(duì)大尺寸、多特征、局部空間有限的相關(guān)要素之間的幾何精度檢測(cè)，即使制作了專用的工裝和檢具，使用傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法也難以實(shí)現(xiàn)。這就面臨兩個(gè)層次的問(wèn)題:一是選擇何種測(cè)量?jī)x器。二是如何實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

目前，激光跟蹤儀由于其測(cè)量范圍大、精度高、操作簡(jiǎn)單，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于航空航天、船舶、機(jī)械制造業(yè)等領(lǐng)域數(shù)控設(shè)備的裝配過(guò)程和精度檢驗(yàn)中。因此，結(jié)合該大型數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于三旋輪水平夾角和偏移的裝配調(diào)整，為確保整機(jī)的裝配精度，選擇借助激光跟蹤儀的測(cè)量來(lái)配合完成，實(shí)施過(guò)程如圖6 所示。

經(jīng)過(guò)測(cè)量，結(jié)果顯示:三旋輪橫向進(jìn)給軸線夾角在120° ±2.5'以內(nèi)，三旋輪橫向進(jìn)給軸線與工作臺(tái)中心軸線的最大偏差都小于2 mm，這一方面說(shuō)明裝配時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行工藝文件的要求，精度得到了保證;另一方面，通過(guò)測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了實(shí)際的裝配精度高于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3.3 激光干涉儀的應(yīng)用

設(shè)備完成總裝后，功能調(diào)整過(guò)程中，對(duì)縱、橫兩個(gè)坐標(biāo)方向的位置精度使用激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量，主要目的是:檢驗(yàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸的誤差，根據(jù)測(cè)量的結(jié)果，調(diào)整機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)，并通過(guò)電氣、液壓伺服控制調(diào)整，對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，以最終保證整機(jī)的裝配精度、加工精度和運(yùn)行穩(wěn)定性。

激光干涉儀是一種以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量的儀器。隨著激光干涉儀測(cè)量技術(shù)的不斷提高，測(cè)量軟件的不斷開(kāi)發(fā)其測(cè)量范圍越來(lái)越廣泛，特別是在測(cè)量數(shù)控機(jī)床位置精度方面用途最為廣泛。其測(cè)量流程如圖7 所示。

以縱向坐標(biāo)為例說(shuō)明測(cè)量和調(diào)整的過(guò)程。首先，檢驗(yàn)縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)的誤差，記錄整個(gè)行程上的數(shù)值。其次，根據(jù)誤差的大小情況，比如直線度、偏擺誤差、俯仰角度誤差等，對(duì)相應(yīng)的機(jī)械部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。最后，再次檢測(cè)縱向坐標(biāo)軸的線性誤差，根據(jù)激光干涉儀軟件分析出的檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行補(bǔ)償，需反復(fù)多次測(cè)量，才能確保設(shè)備的最終位置精度。

4 驗(yàn)證分析

在該大型數(shù)控機(jī)床的裝配過(guò)程中，以提高整體的裝配精度為目標(biāo)，靈活采用了多種方式方法，并且按照裝配工藝規(guī)程的具體工序內(nèi)容，嚴(yán)格進(jìn)行每一步的操作步驟，最終順利完成了機(jī)床裝配工作。

根據(jù)制造合同中對(duì)該機(jī)床精度的相關(guān)要求，在機(jī)床機(jī)電液聯(lián)調(diào)和試運(yùn)行工作完成后，質(zhì)檢人員認(rèn)真檢測(cè)了機(jī)床的幾何精度和位置精度，主要測(cè)量結(jié)果如表1。

表1 機(jī)床主要精度指標(biāo)實(shí)測(cè)值一覽表

以上結(jié)果表明:所有精度指標(biāo)全部合格，而且有些指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最初的合同設(shè)計(jì)要求，對(duì)于如此大型的設(shè)備，能達(dá)到如此的精度，與裝配時(shí)所進(jìn)行的相關(guān)工作是分不開(kāi)的，也正是這些先進(jìn)可靠的檢測(cè)、分析等方法手段的實(shí)施，為保證機(jī)床的精度奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

由以上大型數(shù)控機(jī)床裝配工作中相關(guān)方式方法的實(shí)施過(guò)程，結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)制造的實(shí)際情況，總結(jié)出以下幾點(diǎn)心得供大家參考:

(1)國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)制造的實(shí)踐證明，保證裝配精度是提升數(shù)控機(jī)床可靠性、穩(wěn)定性的重要途徑之一。把握好裝配各環(huán)節(jié)的質(zhì)量，加之裝配過(guò)程的精細(xì)化，規(guī)避不利因素，可從根本上大幅度提高設(shè)備的加工精度。

(2)數(shù)控機(jī)床的裝配工作是一個(gè)系統(tǒng)工程，由零件到部件直到整機(jī)，以及整機(jī)的試運(yùn)行和調(diào)試工作，過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都非常重要，因此，采用合理、可靠、實(shí)用、簡(jiǎn)便的手段和方法，對(duì)裝配精度的保證和提高至關(guān)重要。

(3)大型數(shù)控機(jī)床，尤其是精度較高的設(shè)備，其裝配方法一般無(wú)可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，但是，經(jīng)過(guò)詳細(xì)論證，大膽探索一些行之有效的輔助裝配的措施和手段，可以起到事半功倍的作用。

(4)大型數(shù)控機(jī)床的裝配是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)，而且較為靈活的技術(shù)，通過(guò)裝配過(guò)程的實(shí)際操作和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可以培養(yǎng)提高技術(shù)和技能人員的自身業(yè)務(wù)水平，為大型同類或其他設(shè)備的裝配奠定基礎(chǔ)，并增強(qiáng)制造企業(yè)的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］王海濤，李初曄.螺栓預(yù)緊力分析計(jì)算在提高機(jī)床裝配精度上的研究應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013(1):128 -131.

［2］王海濤，李初曄，丁立欣.基于提高大型精密零件刮削精度的有限元法應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2011(12):49 -51.

［3］王海濤，李初曄，馬巖.結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2010(22):69 -71.

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