楊沛湛 王 瑾 張東海 張 軍

(①漢川數(shù)控機床股份公司研究所，陜西 漢中 723000;②陜西理工學院機械工程學院，陜西 漢中 723000)

1 熱變形的產(chǎn)生及應對方式

龍門式機床按照其龍門框架的結(jié)構(gòu)形式(圖1)。可以分為:定龍門定橫梁(定柱定梁)式機床、定龍門動橫梁(定柱動梁)式機床、動龍門定橫梁(動柱定梁)式機床、動龍門動橫梁(動柱動梁)式機床、高架橋式龍門機床。

使機床產(chǎn)生熱變形的主要因素有:

(1)熱形成條件:如機床上各種熱源的大小和分布;環(huán)境溫度的變化與周圍傳入的熱量及位置等;

(2)熱學特性:如機床各零件的熱容量及其線膨脹系數(shù);機床的導熱條件及大件之間的傳熱條件和與周圍氣流有關(guān)的散熱條件;

(3)結(jié)構(gòu)形狀和剛度:結(jié)構(gòu)熱剛度要求幾何形體對稱，零件的壁厚均勻，結(jié)構(gòu)本體剛度大而且均勻。

針對以上因素，通常用來減小機床熱變形的途徑有以下幾種:

(1)改變機床設計結(jié)構(gòu)，按照熱對稱原則進行結(jié)構(gòu)設計，從結(jié)構(gòu)上減小熱變形量影響;

(2)對環(huán)境溫度和機床部件的溫升進行控制，減小溫度變化，避免熱變形的產(chǎn)生;

(3)對特定結(jié)構(gòu)下溫度變化引起的熱變形進行試驗，按實驗所得熱變形規(guī)律通過數(shù)控系統(tǒng)進行反變形補償，從而抵消熱變形產(chǎn)生的誤差。

1.1 對于固定龍門框架式機床

由于龍門框架與床身固定連接，其結(jié)構(gòu)基本屬于對稱的結(jié)構(gòu)，此類機床一般采用對加工過程中產(chǎn)生的熱量進行強制主動散熱、對發(fā)熱部件進行強制冷卻，吸收熱量，避免溫升和熱變形;對環(huán)境溫度變化引起的熱變形一般采用定期進行人工精度校驗和補償?shù)霓k法來解決。例如每年在春季和秋季分別進行人工精度校驗補償，或當環(huán)境溫度變化達到某給定值時，進行人工精度校驗補償，這樣才能使機床的加工精度基本保持不變。

1.2 對于移動龍門框架類機床

由于龍門框架要在左右床身上移動，不但環(huán)境溫度變化和加工過程中產(chǎn)生的溫度變化會引起龍門框架的熱變形，而且由于左右床身導軌的不平行度也會引起機床龍門框架的被迫受力變形，熱變形和受力變形疊加而共同影響機床的加工精度。尤其是對于橫梁、立柱等大件為焊接結(jié)構(gòu)件的龍門式機床來說，由于碳鋼的材料線膨脹系數(shù)為10.6～12.2，比灰鑄鐵的線膨脹系數(shù)8.7～11.1 大，所以更容易引起大的熱變形，使機床精度造成大的變形誤差。

移動龍門框架類機床實際上還由于橫梁、立柱等各部件的截面形狀、接觸面剛度、承載等不盡相同，致使各部件的受力也不同。例如一般均將刀庫、頭庫、對刀儀等加裝在某一側(cè)立柱上或?qū)㈦娖鞴?、液壓站等放在橫梁上，從而使得機床各部位的溫升不同，機床各部位產(chǎn)生的熱膨脹量也就不同。尤其是對于龍門寬度超過3 m 以上的龍門式機床來說，由于機床規(guī)格越大，其左右立柱、固定橫梁、移動橫梁等大型零件的長度尺寸與其截面尺寸的比值也越大，零件形狀也越接近于“桿件”，這使得機床對環(huán)境溫度的變化和加工過程中產(chǎn)生的熱變形就反映的特別敏感，熱變形對機床精度的影響也越顯著。熱誤差是數(shù)控機床最大的誤差來源，在精密加工中由機床熱變形引起的制造誤差可占到總誤差的40%～70%［1］。

當然，如果采用第二種途徑來減小熱變形，將機床區(qū)域范圍內(nèi)的環(huán)境溫度控制在一定的范圍內(nèi)，例如北京第一機床廠新的重型機床裝配廠房內(nèi)，在高度方向9 m 以下的任意5 m 范圍內(nèi)，水平平面每30 m 內(nèi)，溫度梯度可以控制在不大于2 ℃。并同時采用對加工過程中產(chǎn)生的熱量進行強制主動散熱、對發(fā)熱部件進行強制冷卻，吸收熱量，避免溫升，使機床整體基本處于“恒溫”狀態(tài)，這樣機床就幾乎不會產(chǎn)生熱變形，機床的精度也會基本保持不變，但這樣做使得大型龍門式機床的使用成本非常大，一般用戶受廠房環(huán)境等硬件條件的限制均難以承受。以下就一種應對定梁龍門機床橫梁熱變形伸縮的專利結(jié)構(gòu)進行簡要的分析比較。

2 定梁龍門機床橫梁熱變形的應對結(jié)構(gòu)

對于定梁式龍門機床，其龍門框架的熱變形主要在橫梁上，應對方式以武重的專利:消除定梁龍門機床橫梁伸縮的結(jié)構(gòu)裝置(ZL 200820230305.1)為例，進行以下分析，其專利結(jié)構(gòu)如圖2、3 所示。

此專利采用的辦法是通過使橫梁一端與一側(cè)立柱固定連接，橫梁另一端與另一側(cè)立柱采用圖3 所示結(jié)構(gòu)方式連接，即在每個連接螺栓4 上裝有碟簧5，并在每個連接螺栓與立柱1 和橫梁2 的連接孔之間有滿足橫梁熱脹冷縮的間隙6(即大小適宜的孔)。此結(jié)構(gòu)應對龍門框架熱變形的理論依據(jù)是:擰緊螺母到必要位置后，碟簧施加給螺栓一定的預緊力，預緊力在橫梁與立柱接合面上所產(chǎn)生的摩擦阻力既能克服機床運動或加工時的振動和切削抗力，而又不能阻止橫梁由于溫度變化而發(fā)生的橫向伸縮變形，這樣就不會使機床龍門框架由于巨大的熱變形而發(fā)生扭曲變形或者產(chǎn)生破壞性的變形，同時又能滿足機床對精度的要求。

對以上結(jié)構(gòu)和其應用方式進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在此結(jié)構(gòu)中碟簧的作用:一是保證始終給連接螺栓一定的預緊力，二是作為防松元件，防止因螺母松動而喪失預緊力。那么，這里就有問題了，第一個問題:對于機床大件裝配中所常用的8.8 級及其以上機械性能等級的螺栓來說，當連接螺栓承受軸向預緊力的情況下，在夾緊長度大于螺紋直徑的3 倍以上時，使用防松元件可能使預緊力出現(xiàn)較大的損失，反而增加了螺母松動的可能性。

3 新改進的應對結(jié)構(gòu)

有沒有一種更簡便可靠的結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)同樣的功能呢?我認為還有更簡單方便的結(jié)構(gòu)方式。當機械性能8.8 及其以上等級的螺栓承受軸向預緊力，并在夾緊長度大于螺紋直徑的3 倍以上時，可通過精確地控制螺栓擰緊時的預緊力，當螺栓承受振動沖擊載荷時，僅依靠預緊后螺桿產(chǎn)生的彈性變形，也能保證有足夠的殘余預緊力阻止螺栓與螺母發(fā)生松動，如果再加上螺母具有一定的有效防松力矩，那么就能夠保證螺栓和螺母不發(fā)生松動，始終保持預緊力。

如圖4 所示:將專利結(jié)構(gòu)中的碟簧取消，把普通六角螺母更換為如圖5 所示的GB/T 889.1—2000 非金屬嵌件六角鎖緊螺母或者 GB/T 6184—2000 全金屬六角鎖緊螺母，在緊固螺栓時使用力矩扳手進行緊固，精確控制每個螺栓的預緊力，使每個鏈接螺栓獲得必要的相同的預緊力。因為此類鎖緊螺母屬于有效力矩型鎖緊螺母，螺母在緊固后，其內(nèi)鑲嵌的尼龍圈(全金屬六角鎖緊螺母為彈性鋼片)具有一定的有效力矩防松鎖緊功能，即使螺母和螺栓承受振動沖擊載荷時，還能保證有足夠的防松鎖緊力。以此類性能等級為10 級的M20 非金屬嵌件六角鎖緊螺母為例，在其擰緊后第一次擰出時防松結(jié)構(gòu)能提供的有效防松力矩為10.5 N·m。

所以此結(jié)構(gòu)與專利結(jié)構(gòu)具有同樣的作用，即螺栓的預緊力加上螺母的有效防松力矩，能夠克服機床運動或加工時的抗力，而又不會因加工時的沖擊振動發(fā)生松動，其螺栓的預緊力加上螺母的有效防松力矩，又不阻止橫梁由于緩慢溫度變化而產(chǎn)生的緩慢的微量伸縮變形，所以圖4 的結(jié)構(gòu)更簡單，經(jīng)濟性、實用性和可操作性更好。

［1］王長剛.現(xiàn)代工業(yè)建筑設計的深度思考——北京第一機床廠新址建筑設計［J］.工業(yè)建筑，2008，38(10).

［2］機械設計手冊編委會.機械設計手冊［M］.3 版.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［3］中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局.專利公示說明書［P］.