大型床身導軌加工工藝分析

蔡宇嵩

大型床身導軌加工工藝分析

蔡宇嵩

（上海機床廠有限公司 上海200093）

闡述了影響床身加工精度的幾個因素以及床身導軌加工工藝的優(yōu)化過程。由于床身時效乃至加工過程中存在各種誤差，通過反變形加工等工藝手段和措施、合理選用切削參數(shù)來減少誤差，實現(xiàn)以銑削的方式達到導軌的最終精度。得出在大型床身導軌上精銑代磨加工方式的可行性，可供機床設計與制造人員參考。

以銑代磨 導軌精度加工工藝

1 影響床身加工精度的幾點因素及措施

零件的加工精度主要包括尺寸精度，形狀精度和位置精度三個方面。在機械加工中，由于零件生產(chǎn)類型和企業(yè)的生產(chǎn)條件不同，獲得零件加工精度的方法也不同。獲得尺寸精度的方法有試切法、調(diào)整法、定尺寸刀具法和自動控制法等；獲得形狀精度的方法有成形運動法和非成形運動法。其中成形運動法又分為機床運動軌跡法、仿形法、成形法和展成法。獲得位置精度的方法有一起裝夾法、找正裝夾法和夾具裝夾法[1]。

無論采用何種方法進行加工，由機床、夾具、刀具和工件組成的工藝系統(tǒng)在完成任何一個加工過程中，都會有許多原始誤差影響零件加工精度。查找誤差的來源，一部分與工藝系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)，一部分與切削過程有關(guān)。

1.1 工藝系統(tǒng)的集合誤差（操作對加工精度的影響）

工藝系統(tǒng)的幾何誤差包括加工方法的原理誤差、機床的幾何誤差、調(diào)整誤差、刀具和夾具的制造誤差、工件的安裝誤差以及系統(tǒng)磨損所引起的誤差。這些誤差都是在工件的安裝定位、工序的編排以及刀具的選用及參數(shù)的調(diào)整中產(chǎn)生的，是需要在加工操作過程中加以調(diào)整和改進。

1.2 工件受力變形及內(nèi)應力所引起的誤差（工件剛性對加工精度的影響）

工件的受力變形主要體現(xiàn)在裝夾夾具工件造成的變形。在以往的加工中，還經(jīng)常會遇到由于鑄件毛坯厚度的不均勻，造成了冷卻速度不相同，加上材質(zhì)硬度的不均和加工中產(chǎn)生的共振，也會產(chǎn)生1~2 mm的變形量（不同規(guī)格造成的變形量有差異），影響了床身中導軌的直線度和表面粗糙度。為此需采用相應的工藝措施，如：軋輥磨床床身采用的材料是HT300鑄鐵，成形后需安排兩道時效處理以消除內(nèi)應力，從而提高床身的剛度，減少受力變形和切削力所引起的幾何誤差。同時通過合理地裝夾，減小夾緊變形。

1.3 工藝系統(tǒng)熱變形所引起的誤差（環(huán)境因素對加工精度的影響）

引起工件熱變形的熱源大致分為兩類：（1）內(nèi)部熱源。機床受熱源的影響，各部分溫度將發(fā)生變化。由于熱源分布的不均勻和機床結(jié)構(gòu)的復雜性，機床各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，破壞了機床原有的幾何精度，從而產(chǎn)生了加工誤差。（2）外部熱源。環(huán)境溫度的變化和室內(nèi)各部分的溫差將使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生熱變形，因此精密機床一般在恒溫車間中進行安裝，安裝時要保證環(huán)境溫度的恒定。溫度變化一般控制在±1℃、精密級為±0.5℃、超精密級為±0.01℃。采用機床預熱也是一種控制溫度變化的方法。由熱變形規(guī)律可知，熱變形影響較大的是在工藝系統(tǒng)升溫階段。當達到熱平衡后，熱變形趨于穩(wěn)定，加工精度就容易控制，因此對大型精密機床應采取在加工前預先開動、高速空轉(zhuǎn)，直至達到熱平衡后再進行加工。

磨削和銑削的加工環(huán)境各有不同，磨削通常會在加工面上添加冷卻液輔助控制溫度，而在銑削過程中，保證加工環(huán)境的恒溫也是一種把熱變形引起的誤差降到最低的有效措施。

2 床身導軌的加工方式

磨床精度的可靠性很大一部分與床身導軌有關(guān)，而對于大型磨床床身來說更需要確保導軌的精度。床身導軌加工精度的好壞將直接影響整臺磨床精度的好壞。

2.1 研究對象

以數(shù)控軋輥磨床床身為例，床身承重12 000 Kg、長度11.5 m、寬度1.35 m，高度0.495 m，屬于平-V導軌形超長箱體類零件。工件通過工作臺在其上進行低速往復運動，所以承受較大壓力負荷，要求床身受力后不變形，還要有一定韌性。

床身導軌的水平面內(nèi)直線度允差為1 000 mm測量長度上允差0.01，全長為0.03 mm；導軌在垂直平面內(nèi)的直線度允差1 000 mm測量長度上允差0.01，全長為0.03 mm；V形導軌與平導軌的平行度允差為1 000 mm測量長度上允差0.01，全長為0.05 mm。

2.2 加工難點

大型床身的加工工藝流程：粗刨→時效→精刨→導軌磨，中間穿插劃線、鉆孔等。精刨與導軌磨，由于加工基準不同，前者采用底面為基準，后者置于2/9處，基準的不同對導軌加工精度也有影響，為了減少裝夾誤差，用高精度龍門式銑削中心，以精銑代磨的方式加工床身導軌，將精刨與導軌磨兩工序合并。

2.3 切削過程的研究

導軌在切削形成的過程中存在3個變形區(qū)，見圖1所示[2]。

圖1 3個變形區(qū)示意圖

在第Ⅰ變形區(qū)里，切削層的金屬塑性變形而形成切削。在第Ⅱ變形區(qū)內(nèi)，切削底層與前刀面發(fā)生強烈摩擦，進一步發(fā)生塑性變形。第Ⅰ變形區(qū)擴展到切削層下方的金屬將成為已加工表面表層的一部分，因此，第Ⅰ變形區(qū)的塑性變形對已加工表面質(zhì)量是有影響的。但是，第Ⅲ變形區(qū)與加工表面的形成關(guān)系更為密切。在第Ⅲ變形區(qū)里，后刀面施加法向力F2和摩擦力F1于工件，法向力F2使工件產(chǎn)生徑向的塑性變形和彈性變形。摩擦力F1使加工表面產(chǎn)生切向的塑性變形和彈性變形。前刀面作用于切削層的法向力為F3，摩擦力F4，合力為F5。在F5的作用下，在第Ⅰ變形區(qū)外前方的金屬發(fā)生彈性變形，當切削層的部分金屬進入第Ⅲ變形區(qū)后便開始發(fā)生塑性變形，隨著進入第Ⅲ變形區(qū)深度的增大，塑性變形也逐漸增大。發(fā)生纖維化的金屬，有很小一部分要進入第Ⅲ變形區(qū)。在進入第Ⅲ變形區(qū)后仍將進一步纖維化。在第Ⅲ變形區(qū)以外的金屬發(fā)生彈性變形，這些金屬在離開這個彈性變形區(qū)后，對大型床身來說，由于各個部位的組織、密度不同，因此在切削過程中產(chǎn)生的塑性變形及彈性變形量都不相同，尤其在粗加工時，各種變形量差值更大，而彈性變形將直接影響零件表面的平面度。

1）加工參數(shù)的選擇

粗銑時，刀具轉(zhuǎn)速S=120 r/min，切削速度F=1000 mm/min；精銑時，刀具轉(zhuǎn)速S =80r/min；切削速度F=200 mm/min；超精銑時，刀具轉(zhuǎn)速S=120 r/min；切削速度F=600 mm/min。

2）加工刀具的注意事項

采用刀具直徑大于導軌寬度，刀刃數(shù)為8的硬質(zhì)合金盤銑刀，硬質(zhì)合金刀刃不易磨損、直線度精度高，壽命比普通刀具長。在精銑時，要減少銑刀刀片，使用4片刀片且都換成新刀片，導軌表面粗糙度明顯改善。

3）加工過程

在床身底面墊上墊鐵，左右兩側(cè)各用3個壓板和支頭進行固定安裝，如圖2所示。

圖2 工件裝夾

粗銑時，對平、V導軌A面及B面各留2mm、2.5mm左右的精加工余量，對毛坯余量較多處進行多刀銑削，導軌面粗銑前先試切刀，測量確切的加工量，以保證有后續(xù)的加工余量。

精銑時，對床身的安裝校正采取必要的工藝措施，即反變形加工，在導軌的長度范圍內(nèi)通過調(diào)整等高墊鐵的高度，在其變形方向施加一定作用力，校正床身導軌在垂直平面內(nèi)的直線度，使得加工完成后松開安裝緊固，床身導軌能產(chǎn)生預期的反向變形，此反向變形將與時效處理時產(chǎn)生的變形想抵消。平導軌A面最終留0.5mm余量，V導軌B面留0.7mm余量，加工時要檢查墊鐵是否松動，用校表檢測V導軌外側(cè)小筋C面并校直，檢測平、V導軌面的平行度，將數(shù)據(jù)記錄后，準備對導軌面進行超精銑（代磨）。

超精銑過程中，先精銑平導軌A面（余量為0.35mm）和V導軌B面（余量為0.5 mm），在加工后通過校規(guī)和百分表測平、V導軌的等高，將數(shù)據(jù)記錄后再精銑V導軌面，以縮小等高差，之后適當調(diào)整進刀量，平導軌所剩余量0.04 mm，V導軌余量0.05 mm。再通過測量進行最后光刀，加工至圖紙設計要求，加工簡圖如圖3所示。

圖3 床身加工簡圖

4）導軌面的測量

利用激光測量導軌面的精度，測量水平平面內(nèi)及垂直平面內(nèi)的直線度（工具：30 m光學平直儀，V型測量座）；測量導軌面的扭曲精度（工具：GM84160-L2016扭曲工具）。

最終數(shù)據(jù)測得導軌在水平面內(nèi)的直線度全長誤差0.025mm；在垂直平面內(nèi)的直線度全長誤差0.02mm；V型導軌與平導軌的平行度誤差1000長度上誤差0.035 mm；表面粗糙度a0.8~2.4，平均a1.6。

5)銑削和磨削的對比

以精銑加工后的磨床床身導軌表面粗糙度較之磨削略低，但基本能滿足圖紙設計要求，可以達到裝配精度要求，而在加工時間上，銑削所用時間遠遠低于磨削所用加工時間，還省去了中間運輸環(huán)節(jié)及重新校正工件環(huán)節(jié)，不僅縮短產(chǎn)品制造周期，而且可以減少生產(chǎn)加工的成本。

3 結(jié)語

精銑代磨在加工過程和之后測量數(shù)據(jù)中可以看出，采用多次分刀加工及后續(xù)測量數(shù)據(jù)分析后再動刀，逐層遞進至圖紙要求，以達到原磨削的精度標準，因此一般精度的大型磨床床身導軌用精銑代磨的工藝方式加工是可行的。

[1] 徐鑫磊.機械加工精度的影響因素分析[J].科技促進發(fā)展(應用版),2011(2).

[2] 馬彪.模塊式超精銑刀及以銑代磨工藝研究[J].汽輪機技術(shù),1995,(5):314.