龍門加工中心橫梁導(dǎo)軌靠合面變形分析與補(bǔ)償研究*

陳 燚 關(guān)開(kāi)成 馬永旺 張 揚(yáng) 劉麗英 劉興卓

（通用技術(shù)集團(tuán)機(jī)床工程研究院有限公司，北京 100102）

近年來(lái)，隨著風(fēng)電、汽車制造和大型船舶加工等行業(yè)精益發(fā)展的需求，對(duì)關(guān)鍵大型件的加工精度要求愈發(fā)嚴(yán)苛，進(jìn)而對(duì)機(jī)床的終端加工精度提出了更高的要求。

龍門加工中心因其工作行程長(zhǎng)、剛性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于大型部件的鏜削、銑削加工中。但大部分龍門加工中心的橫梁整體跨距大、質(zhì)量重，在自重以及掛靠于橫梁上的滑枕等移動(dòng)部件的共同作用下易出現(xiàn)導(dǎo)軌靠合面凹陷等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致靠合面直線度失真并影響加工中心終端加工精度[1-5]。

為有效解決大型機(jī)床Z向凹陷等問(wèn)題，眾多技術(shù)人員對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種探究。田亞峰等[6]基于“結(jié)構(gòu)+功能”相似原理，選取烏龜殼作為仿生模本，提出一種縱橫筋板與特征拱形相結(jié)合的新型橫梁筋板設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，布有新型筋板結(jié)構(gòu)的橫梁的可有效抵消由于重力等因素造成的變形，進(jìn)而提高橫梁的綜合性能；張伯鵬等[7]在橫梁內(nèi)側(cè)增設(shè)安裝有3 組液壓裝置的輔助梁，通過(guò)液壓設(shè)備平衡由重力等因素帶來(lái)的導(dǎo)軌靠合面變位，有效提高機(jī)床的終端加工精度；李伯基等[8]通過(guò)減少橫梁背部斜背式框架結(jié)構(gòu)并增加方箱式結(jié)構(gòu)的手段，修正橫梁背部結(jié)構(gòu)，依據(jù)方箱結(jié)構(gòu)的整體占比建立多組試驗(yàn)方案，并基于有限元技術(shù)依次進(jìn)行模擬計(jì)算獲得最優(yōu)值，最終設(shè)計(jì)出的橫梁可有效抵抗重力變位，提高橫梁力學(xué)性能。

1 導(dǎo)軌靠合面變形分析

橫梁是龍門加工中心中受力最為集中也是最為復(fù)雜的部件之一：一方面，受橫梁長(zhǎng)跨距、大質(zhì)量的影響，未施加切削載荷時(shí)，橫梁導(dǎo)軌靠合面便已產(chǎn)生一定程度的Z向微形變；另一方面，當(dāng)橫梁加裝移動(dòng)功能部件后，疊加移動(dòng)部件重力影響，掛靠移動(dòng)部件的對(duì)應(yīng)靠合面位置會(huì)出現(xiàn)更大的Z向形變，且當(dāng)移動(dòng)部件從橫梁左極限位置滑移至右極限位置的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)滑移位置處的靠合面形變值也存在動(dòng)態(tài)差異[9-11]。在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不同的功能部件處于不同的空間位置，移動(dòng)功能部件大多通過(guò)滑塊掛靠在橫梁導(dǎo)軌上，在其重力以及懸臂的共同作用下產(chǎn)生扭矩，該扭矩直接施加在橫梁上，繼而導(dǎo)致靠合面出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。實(shí)際工作中，移動(dòng)部件呈現(xiàn)圖1 所示楔形的工作狀態(tài)，擠壓上下兩導(dǎo)軌靠面呈楔狀變形，如圖2 所示。此外，機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行切削加工時(shí)，橫梁還會(huì)受到切削載荷的影響，導(dǎo)致橫梁出現(xiàn)另一復(fù)合變形，多源因素的共同影響造成橫梁導(dǎo)軌靠合面復(fù)雜的力學(xué)變形，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)床加工精度降低等諸多問(wèn)題。

圖1 橫梁側(cè)向視圖

機(jī)床終端的精度受機(jī)床全鏈路誤差累積影響，機(jī)床任一模塊的精度提升均能傳遞到機(jī)床終端并提高工件加工后的整體質(zhì)量，因此本文聚焦橫梁導(dǎo)軌靠合面，僅考慮機(jī)床未施加切削載荷情形，在橫梁工作區(qū)間內(nèi)建立不同位置下的計(jì)算模型，模擬分析不同位置處的靠合面形變狀態(tài)，對(duì)形變值進(jìn)行綜合處理并以此指導(dǎo)橫梁導(dǎo)軌靠合面的實(shí)際加工，以期提高橫梁Y向綜合直線度精度，進(jìn)而提升龍門加工中心的整機(jī)靜態(tài)精度。

2 橫梁有限元分析

2.1 橫梁介紹

本文以圖3 所示某重切龍門加工中心為例對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)開(kāi)展靜態(tài)研究，該龍門加工中心橫梁采用HT300 材料一體鑄造成形，總長(zhǎng)5 992 mm，其中Y軸全行程3 470 mm（工作行程2 600 mm+換刀行程870 mm），自身質(zhì)量約為15.7 t，移動(dòng)功能部件包含滑枕、滑板、Z軸驅(qū)動(dòng)等，整體質(zhì)量約為9 t。

圖3 重切龍門加工中心

2.2 模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分

龍門加工中心整機(jī)模型結(jié)構(gòu)繁雜，不僅包含眾多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)大件，同時(shí)也包括大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小功能部件以及臺(tái)肩、倒角等輔助結(jié)構(gòu)。此類復(fù)雜部件以及輔助結(jié)構(gòu)除重力因素外，外形等因素對(duì)整體計(jì)算結(jié)果影響較小，但此類部件與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜外形會(huì)極大提高網(wǎng)格劃分難度進(jìn)而提升模擬計(jì)算難度。

基于此，為提高網(wǎng)格劃分的精準(zhǔn)度及速度，本文采取以下措施：①對(duì)電機(jī)、銑頭、滑塊等復(fù)雜的小功能部件進(jìn)行同質(zhì)量換算，修正為等質(zhì)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)降低網(wǎng)格劃分難度；②填充、消除整機(jī)中對(duì)橫梁變形影響較小的各類孔隙、倒角、圓角、臺(tái)肩結(jié)構(gòu)如圖4 所示，提高網(wǎng)格劃分精度；③對(duì)橫梁導(dǎo)軌靠合面如圖5 所示等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以保證靠合面變形分析的準(zhǔn)確性；④依據(jù)整機(jī)模型中不同結(jié)構(gòu)的尺寸大小，布置合適的網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格密度以及網(wǎng)格類型進(jìn)行劃分，保證模擬計(jì)算的精度和效率；⑤對(duì)劃分完后的網(wǎng)格進(jìn)行檢驗(yàn)，檢查網(wǎng)格劃分質(zhì)量，同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，保證模型計(jì)算結(jié)果的可信度。

圖4 橫梁局部特征

圖5 橫梁網(wǎng)格

2.3 接觸設(shè)置與邊界條件設(shè)定

橫梁與左右立柱通過(guò)螺栓連接，移動(dòng)部件借助滑塊掛靠于導(dǎo)軌之上、導(dǎo)軌通過(guò)楔塊擠壓與導(dǎo)軌靠合面接觸，各接觸部件如圖6 所示。為有效提高模擬計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性，對(duì)各部件間的接觸方式進(jìn)行合理設(shè)置，橫梁-立柱間采用綁定接觸（bonded），導(dǎo)軌-滑塊-移動(dòng)部件間的接觸較多，整體建立8 組組合，導(dǎo)軌-滑塊組間采用摩擦接觸（frictional），滑塊-移動(dòng)部件組間、楔塊-導(dǎo)軌組間采用綁定接觸（bonded），其余使用默認(rèn)接觸設(shè)置。

圖6 不同接觸部件

進(jìn)行整機(jī)靜態(tài)特性分析時(shí)，選擇正確的邊界條件也尤為重要。龍門加工中心的立柱除通過(guò)地腳螺栓與地面緊固外，同時(shí)又利用螺栓與床身螺接實(shí)現(xiàn)二次加固，因此在兩立柱的底面與床身接觸面處均施加固定約束，限制立柱接觸面各個(gè)方向的自由度。此外本文不考慮施加切屑力時(shí)橫梁的變形狀態(tài)，所以僅對(duì)裝配體施加了重力場(chǎng)。

2.4 試驗(yàn)方案建立

移動(dòng)部件通過(guò)不斷地移動(dòng)空間位置實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的精準(zhǔn)加工，不同工作區(qū)域下的靠合面變形均存在差異，如圖7 所示。為能獲取工作行程內(nèi)的靠合面綜合形變，本文建立如下試驗(yàn)方案：①選取靠合面前端邊線為計(jì)算X軸，機(jī)床實(shí)際Z軸為計(jì)算Y軸，機(jī)床實(shí)際X軸為計(jì)算Z軸建立計(jì)算坐標(biāo)系，計(jì)算坐標(biāo)系如圖8 左下所示坐標(biāo)系，實(shí)際坐標(biāo)系如圖1 右下所示；②選取靠面前端邊線為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，輸出邊線Y向形變數(shù)值；③選取橫梁左右極限位置為試驗(yàn)計(jì)算區(qū)間如圖7 所示，依次變動(dòng)移動(dòng)部件的空間位置，每次挪動(dòng)間隔為s=100 mm，形成32 組試驗(yàn)方案，逐次進(jìn)行模型仿真計(jì)算。

圖7 移動(dòng)部件不同工作位置處橫梁變形

圖8 橫梁試驗(yàn)區(qū)間

3 導(dǎo)軌靠合面變形量補(bǔ)償研究

3.1 補(bǔ)償數(shù)據(jù)分析及處理

實(shí)際加工中，橫梁導(dǎo)軌面多采用磨削處理，很難進(jìn)行空間多向復(fù)雜曲線的處理，而模型計(jì)算得到的橫梁導(dǎo)軌靠合面變形包含X、Y、Z這3 個(gè)方向的變形量，變形趨勢(shì)復(fù)雜?；诳杉庸ぴ瓌t，提取對(duì)導(dǎo)軌靠合面變形影響最為明顯的Z向（計(jì)算坐標(biāo)系下的Y向）進(jìn)行處理。將所有試驗(yàn)方案模擬計(jì)算得到形變曲線繪出，得到圖9 所示綜合形變曲線。橫梁導(dǎo)軌靠合面變形數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的難點(diǎn)問(wèn)題在于將復(fù)雜的綜合形變曲線轉(zhuǎn)化為適合導(dǎo)軌靠合面加工的簡(jiǎn)單曲線。從橫梁導(dǎo)軌面全局看，可將整個(gè)導(dǎo)軌面近似視為一條樣條線，移動(dòng)部件近似視為基點(diǎn)，移動(dòng)部件不斷變化在橫梁上Y向上的位置，近似視為基點(diǎn)不斷變換在曲線上位置。基于此，本文求取綜合形變曲線的外包絡(luò)線，將其近似視為導(dǎo)軌面的下凹樣條線，以此作為指導(dǎo)橫梁導(dǎo)軌靠合面仿形加工的加工曲線。

由圖9 可知，上下兩導(dǎo)軌靠面的變形呈倒一元二次函數(shù)形，最大Z向變形均在橫梁中間部位，橫梁上導(dǎo)軌靠合面的最大形變約為-0.052 mm，橫梁下導(dǎo)軌面的最大形變約為-0.054 mm。

上文提出，橫梁導(dǎo)軌靠合面的變形呈楔形狀，為能有效填補(bǔ)楔形空間，抵消由于自重及移動(dòng)部件重力帶來(lái)的Z向凹陷。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中選取靠合面前端最大變形處邊線為監(jiān)測(cè)指標(biāo)輸出形變值，求取圖9 中綜合形變曲線外包絡(luò)線并進(jìn)行反曲操作，獲得圖10 所示仿形曲線圖，將該曲線應(yīng)用于橫梁導(dǎo)軌靠合面加工中，在靠合面上加工出起拱面。有效平衡因重量等因素帶來(lái)的靠合面Z向凹陷，進(jìn)而提升橫梁Y向綜合直線度精度。

圖10 仿形曲線

3.2 測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證形變量補(bǔ)償效果，橫梁裝配完成后，對(duì)其Y向綜合直線度進(jìn)行了檢測(cè)，目前橫梁Y向直線度檢測(cè)方式如圖11 所示。首先將工裝用平尺安置于機(jī)床工作臺(tái)上并對(duì)平尺上表面找平；然后調(diào)整滑枕的空間位置便于檢測(cè)儀器的吸附安裝，將檢測(cè)儀器探頭壓于平尺上表面處，獲得初始讀數(shù)；最后利用數(shù)控系統(tǒng)控制移動(dòng)部件Y向移動(dòng)，持續(xù)獲得整個(gè)工作行程內(nèi)的儀表讀數(shù)，記錄并計(jì)算得出導(dǎo)軌靠合面綜合直線度。

圖11 橫梁導(dǎo)軌Y 向直線度測(cè)量

選取計(jì)算模型中銑頭模型上固定一點(diǎn)，輸出全部計(jì)算試驗(yàn)方案內(nèi)該點(diǎn)計(jì)算坐標(biāo)系下的Y向值，計(jì)算獲得模型仿真分析中的橫梁綜合直線度，以此值為橫向參考值進(jìn)行補(bǔ)償效果比對(duì)。

對(duì)2 組數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理并繪制得到圖12 所示橫梁Y向各點(diǎn)值，實(shí)際測(cè)量的橫梁Y向綜合直線度計(jì)算后約為0.02 mm，仿真計(jì)算得到的橫梁導(dǎo)軌靠Y向綜合直線度計(jì)算后約為0.043 mm，對(duì)比結(jié)果表明：經(jīng)形變量補(bǔ)償后的橫梁Y向直線度精度得到很大程度提升。

圖12 橫梁Y 向各點(diǎn)值對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某龍門加工中心橫梁靠合面變形原因進(jìn)行了綜合分析，基于有限元方法，模擬計(jì)算得到了橫梁不同工作位置處的導(dǎo)軌靠合面變形，通過(guò)對(duì)不同試驗(yàn)方案下數(shù)據(jù)的綜合處理，擬合得到橫梁導(dǎo)軌變形終曲線，依據(jù)模型分析結(jié)果優(yōu)化導(dǎo)軌靠合面結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：補(bǔ)償后的龍門加工中心橫梁Y向綜合直線度精度得到明顯提升。