龍門結構五軸機床靜剛度影響因素分析

王志國

（沈陽機床股份有限公司，沈陽 110142）

0 引言

隨著數(shù)控機床的發(fā)展，越來越多的龍門五軸立式加工中心應用于加工閥體、薄壁類、殼體類、復雜曲面的加工，龍門五軸立式加工中心是航空航天、軍工、模具等國家核心領域的重要加工裝備。機床的靜剛度是在靜載荷作用下，固定方向上抑制由于外力作用引起受力部件產(chǎn)生相對位移變化的能力，是提高機床精度保持性和加工精度的重要因素，也是機床最重要的性能指標之一。機床的靜態(tài)變形會影響機床的生產(chǎn)率、抗振性、噪聲、工作壽命、運動平衡性、發(fā)熱和磨損等。因此，機床整體設計及關鍵部件要進行有限元分析和相應的實驗測試，尋找影響靜剛度的薄弱環(huán)節(jié)，進行優(yōu)化改進產(chǎn)品，從而提高機床的靜剛度[1-5]。

1 龍門結構五軸機床靜剛度模型

龍門結構五軸機床，整機采用龍門動梁式結構，左、右立柱進行支撐，橫梁在立柱上進行前、后移動，形成Y軸；滑板在橫梁上進行左、右移動，形成X軸；主軸箱在滑板上進行上、下移動，形成Z軸，此結構機床采用對稱結構設計、重心驅動原理設計完成。機床的靜剛度不能單由某個零件的剛度來評價，而是由整機抵抗切削力變形的能力。經(jīng)過以前測試經(jīng)驗，本結構機床形變較大位置多產(chǎn)生于主軸懸垂附近，故對主軸與滑板進行分析和測試。

實際加工中，切削力可以分成Fx、Fy、Fz三個方向，使刀具、夾頭、主軸及滑板產(chǎn)生微小的變形，從而導致機床精度的下降和表面質量的惡化。要提高機床的加工精度和加工效率，就需要充分認識靜剛度的影響。

靜剛度可以通過測試實驗直接獲得，靜剛度的計算方法有：1）利用施加載荷的大小和結構變形量的關系，采用逐差法和最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)結果進行處理；2）采用施加載荷的大小與結構變形量近似線性的關系進行運算，得到主軸徑向或者軸向的靜剛度。本文采用后者方法對機床靜剛度進行分析和討論[6-8]。

本文探討的靜剛度分析采用變形量與加載力值，依據(jù)如下公式的方法算得：

式中：Fx、Fy、Fz為施加在各方向的載荷；Dx、Dy、Dz為相應方向載荷下的變形量；kx、ky、kz為對應方向的靜剛度。

2 靜剛度有限元分析

對公司內(nèi)部某款龍門結構五軸機床采用ANSYS Workbench分析軟件進行有限元靜剛度分析。首先對分析模型進行簡化，安裝主軸箱導軌，滑塊固定在滑板上，簡化絲杠、絲母、軸承。其次，由于進口主軸內(nèi)部結構及阻尼無法確認，查詢主軸靜剛度大于機床本身靜剛度，故把主軸設置成剛性體。對固定部件采用Bonded約束，移動部件施加No Separation約束。模擬實際測試情況，主軸前端裝夾測試棒，由測試棒承受各方向載荷進行分析，圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）分別為X、Y、Z方向受力。網(wǎng)格采用自動化分方式，單元格大小采用20 mm，如圖1（d）所示。

圖1 靜剛度加載及劃分網(wǎng)格

載荷加載于測試棒端頭，分別測試X軸、Y軸和Z軸的變形情況，載荷由0～2000 N，每500 N加載計算一次，獲得的各軸變形如表1所示。

表1 各軸載荷與變形

經(jīng)公式（1）所得X軸理論靜剛度為

圖2為主軸及滑板系統(tǒng)在2000 N載荷時的各軸向變形和應力分布云圖，從圖2（a）、圖2（c）、圖2（e）變形云圖可以看出，變形最大位置發(fā)生在受載荷作用點同側，系統(tǒng)最低點。各軸應變多發(fā)生于主軸箱絲母座附近或滑板與主軸箱兩下滑塊連接處，如圖2（b）、圖2（d）、圖2（f）所示。

圖2 各軸變形云圖與應變云圖

3 靜剛度試驗測試

3.1 靜剛度測試試驗方案原理

本測試方案采用應變測力儀對主軸上的測試棒進行加載測試。施力大小采用等數(shù)值進行加載，每50 kg進行一次加載測試，從0～200 kg進行加載測試，然后從200 kg進行卸載，仍然采用每50 kg載荷進行卸載，記錄表針數(shù)值。分別對X、Y、Z三個方向進行加載和卸載試驗測試。千分表的磁力表座固定在機床工作臺的適當位置，分別記錄每次數(shù)值。記錄加載質量（kg）與變形量（μm）的數(shù)值。

3.2 試驗過程及試驗結果

圖3 測試原理圖

圖4 測試示意圖

試驗采用的測試儀器主要包括YQ-30應變式力傳感器、工裝支架、磁性表座、千分表、測試棒等。試驗方法以X軸測試為例，其余Y軸和Z軸靜應力測試與X軸靜應力測試相似，不再贅述。將YQ-30應變式傳感器通電，用于測試加載力的大小，工裝支架固定于機床工作臺中心靠左側，主軸裝夾測試棒，移動主軸使測試棒距工裝支架一定距離，便于應變傳感器的載荷加載，磁性表座安裝千分表，然后吸附在工作臺中心靠右一側，表針頂在主軸側面，千分表指針調(diào)零。對應變傳感器分別加載50、100、150、200 kg的載荷，接下來進行150、100、50、0 kg卸載，記錄千分表的數(shù)值。按照前面講述式（1）～式（3）進行靜剛度計算。機床X向變形量如表2所示，Y向變形量如表3所示，Z向變形量如表4所示。

表2 機床X向預加載荷及主軸X向變形量

表3 機床Y向預加載荷及主軸Y向變形量

表4 機床Z向預加載荷及主軸Z向變形量

通過式（1）可得X向靜剛度為42.9 N/μm。

通過式（2）可得Y向靜剛度為142.4 N/μm。

通過式（3）可得Z向靜剛度為149.2 N/μm。

4 結語

本文所述同軸度檢測方法經(jīng)過大量裝配試驗，得出以下結論：

1）從試驗數(shù)據(jù)與理論分析可以看出Y軸與Z軸剛度結果基本相符，但X軸測試數(shù)據(jù)與理論分析相差較多，這主要是因為理論計算結果沒有考慮實際裝配中每個部件間的實際接觸剛度，并且在X軸方向受阻尼影響較多所致，而Y軸和Z軸受阻尼影響的較小，導致測試試驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)差值較大。另外，由于加載時間間隔較短，導致彈性變形恢復不完全，也會導致實際剛度偏低。

2）從X軸、Y軸和Z軸的靜剛度理論分析與實際測試中均可以看出，受力方向與變形方向一致，出現(xiàn)在受力點附近。

3）機床零件間相互接觸面的接觸剛度，對機床整機靜剛度影響較大，而裝配中要充分考慮接觸面的接觸率，可有效提高機床的整機性能與靜剛度。而實際測試也發(fā)現(xiàn)X軸靜剛度主要取決于主軸箱4個滑塊與滑板的連接，X軸方向受力取決于滑板滑塊刮研面與滑塊的接觸率，提高接觸率可有效提高接觸剛度，提升X軸方向靜剛度。而Y軸及Z軸靜剛度均有平面進行支撐，故靜剛度值較大。

4）試驗得到卸載時靜剛度大于加載時靜剛度，這主要是零件變形、接觸剛度、零件間摩擦作用等原因，導致卸載時彈性恢復緩慢，出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。

5）實際試驗中也會不可避免受到人為因素、實驗器材和環(huán)境的影響，導致結果出現(xiàn)偏差。