中捷機床有限公司 (遼寧沈陽 110142) 郭志超 王世超 孫中權(quán)

當前，大跨距的重型龍門式機床已成為能源、電力、航空航天及船舶等行業(yè)必需的重型加工設(shè)備。大型龍門式機床突出特點之一，就是大跨距的橫梁部件，其機械性能的好壞直接影響到機床的最終加工精度。而跨距增大隨即帶來的就是橫梁嚴重的自重變形，如何有效地解決這一問題，并以此為基礎(chǔ)促使大跨距龍機床精度的進一步提高，便成各機床廠家及相關(guān)科研機構(gòu)的重要攻關(guān)課題。對于運動式的大跨距重載橫梁，如何有效保障分析結(jié)果的可靠性、如何準確處理加工過程中與實際裝配中的位置差異性帶來的數(shù)據(jù)處理等問題都鮮見報道。

1.橫梁工藝分析

傳統(tǒng)的橫梁由于跨距較短、自重變形小，所以橫梁的導軌都是按直線加工的。對于跨距稍大的橫梁在安裝調(diào)試過程中就會發(fā)現(xiàn)橫梁因為自重及承載發(fā)生了塌腰變形，致使機床橫梁方向直線度不合。此時傳統(tǒng)的修正方法就是按照經(jīng)驗反復(fù)加修，這不但影響了安裝進度，還會造成極大地成本浪費。

此外，傳統(tǒng)的修正方法過于依賴主觀經(jīng)驗，難于形成嚴謹?shù)募夹g(shù)體系，對于大跨距橫梁的變形加工、修復(fù)更是難以實現(xiàn)。為此，本文提出基于加工階段，通過有限元分析和現(xiàn)場實際檢測相結(jié)合的方法來解決這一問題，并明確相關(guān)技術(shù)要點，確保技術(shù)的準確性。

文中分析選用的橫梁為鑄鐵材質(zhì)，橫梁長度13 m，滑枕及滑板部件在橫梁導軌面上滑動。如圖1中上導軌的5面與下導軌的3面為移動部件的X向基準定位約束，下導軌1面提供Z向的基準定位約束。

圖1 橫梁導軌基面圖

該龍門產(chǎn)品在驗收時要求滑板沿橫梁方向運行的正向和側(cè)向直線度均小于0.03 mm，即需要通過適當?shù)墓に囀侄伪Ｕ习惭b后的橫梁導軌基準面的直線度處于精度許可范圍內(nèi)。如圖2為按照傳統(tǒng)的直線加工方法加工后的橫梁于安裝狀態(tài)下的變形情況，最大彎曲變形量達0.34 mm，若在機床Z軸的滑枕長度在內(nèi)，其裝配后的精度固然與要求相差甚遠。可見傳統(tǒng)的直線加工方法難以滿足大跨距橫梁導軌的直線度要求，而橫梁較長其修復(fù)加工的過程也必然復(fù)雜難以進行。接下來文中就將介紹一種基于有限元分析的變形補償技術(shù)－仿形加工方法。

圖2 橫梁工作狀態(tài)變形圖

2.橫梁仿形加工

仿形加工技術(shù)的難點是如何找到輪廓準確的仿形加工數(shù)據(jù)。大型龍門機床多為動梁結(jié)構(gòu)，橫梁在立柱上處于“立式”狀態(tài)，即工作狀態(tài)，固定由兩側(cè)導軌及背部壓板、兩側(cè)下端的絲杠母座及一單側(cè)下端的導向?qū)к壒餐饔脤崿F(xiàn)，此時橫梁的承載主要是自身及其上面左右滑動部件的重量;處于加工狀態(tài)下的橫梁多處于“仰式”狀態(tài)，此時橫梁僅承受自身重力，其支撐方式由加工需求及工藝要求決定，通常采用四點支撐放置。加工狀態(tài)與工作狀態(tài)姿勢上的區(qū)別，也增加了仿形數(shù)據(jù)的獲取難度。本文以1面為例，以有限元分析和實際檢測為基礎(chǔ)，通過模型修正與數(shù)據(jù)擬合的辦法求取橫梁1基面的仿形加工曲線，具體過程如下。

(1)橫梁有限元模型的建立 (見圖3):對橫梁模型進行適當簡化，忽略橫梁上螺栓孔等非重要結(jié)構(gòu)。

圖3 有限元模型加載圖

邊界條件處理:合理的邊界條件是仿真計算結(jié)果可靠性的重要保障。本文中進行的分析與真實橫梁的加工過程同時進行，經(jīng)過數(shù)次的加工實踐數(shù)據(jù)與模擬計算數(shù)據(jù)的真實對比，保障了模型邊界條件的準確性。

橫梁承載的模擬:對于橫梁承載研究過程中采用模型加載的方式，即建立完整的移動部件模型，通過固定聯(lián)接、摩擦聯(lián)接等方法將移動部件模型與橫梁導軌聯(lián)接起來。

(2)仿形曲線獲取與檢驗:仿形加工的目的之一就是通過對橫梁導軌“加肉”的方式抵消自身及滑枕結(jié)構(gòu)重量帶來的橫梁塌腰變形。在橫梁行程范圍內(nèi)按200 mm長度分成若干個工作位置，分析移動部件及自重在各個位置產(chǎn)生的橫梁變形，并采集對應(yīng)導軌數(shù)據(jù)，完成曲線獲取。

曲線獲取的具體過程如下:分析加工狀態(tài)下的橫梁1面的變形曲線。如圖4所示，理想的橫梁模型“仰式”四點支撐放置，定義導軌面變形的拾取路徑，路徑位于導軌面的中心線處，其近似于模擬導軌面的平均變化值。拾取點間隔距離參照直線度檢測儀器的測量間距 (200 mm)，并與之后計算中拾取點位置統(tǒng)一。

通過有限元計算獲取導軌面1加工狀態(tài)對應(yīng)的直線度曲線如圖5所示 (橫坐標為數(shù)據(jù)拾取點標號，其余對應(yīng)的實際檢測標號一致，下同)。

圖4 加工位置示意圖

圖5 加工狀態(tài)導軌面變形曲線

模擬工作狀態(tài)下的橫梁1面的變形曲線:將理想的橫梁及移動部件模型“豎立”放置，并模擬其真實的邊界條件，最終獲取不同工作位置對應(yīng)的1面各拾取點連成的曲線如圖6所示。

圖6 工作狀態(tài)導軌面變形曲線

曲線數(shù)據(jù)擬合處理:上述步驟中計算的是橫梁的“塌腰”彎曲變形曲線，而為了保持好導軌面平直就需要對上圖6中的曲線，相對原點反置，得到如圖7中的曲線A。處于加工位置的橫梁由于自重1面也產(chǎn)生了變形B，所以將圖中曲線A與曲線B做減差，進而得到仿形加工曲線C。

圖7 擬合曲線

有限元模型的檢驗與修正:在第1步我們已經(jīng)獲取了加工狀態(tài)的橫梁1面變形如圖8中曲線A。同樣采取有限元分析橫梁導軌1面在無負載狀態(tài)的“立式”變形如圖8中曲線C。將曲線A與曲線C作差得到圖8中曲線B，即理論狀態(tài)橫梁導軌“仰式”與“立式”的變形差值。

圖8 理論變形曲線

在檢測實際導軌變形時，首先，我們在橫梁的半精加工后采用直線度測量儀對“仰式”狀態(tài)下按直線方式加工的橫梁導軌1面直線度進行測量。其次，將橫梁由“仰式”放置轉(zhuǎn)換成“立式”放置24 h后，檢測導軌1面的直線度。同樣將兩者作差得到如圖9中的實線。

為了檢驗橫梁的變形規(guī)律及變形量，我們采用理論變形差值與實際變形差值相對比，來確保我們的仿形加工曲線可靠。為了更直觀地顯示二者關(guān)系，排除必然的微小測量誤差，這里對理論曲線加載了適當?shù)恼`差范圍，結(jié)果如圖9所示，真實曲線位于理論推導曲線的±0.02 mm誤差范圍內(nèi)，即模型準確實體變形可靠。

圖9 變形驗證曲線

反之，若真實曲線與理論曲線偏差過大，則要需將模型邊界條件、橫梁加工時的固定辦法進行統(tǒng)籌分析找出問題，修改相關(guān)約束條件重新分析。如果排除此類問題，將對仿形曲線進行補償后進行加工。

3.結(jié)語

對比分析該大型橫梁曲線補償加工前后的直線度:橫梁“仰式”放置，將導軌面分別采用自重曲線補償加工和直線方式加工兩種方式。加工后翻轉(zhuǎn)成“立式”狀態(tài)靜置24 h后檢測導軌面1的直線度，如圖10所示曲線A為曲線補償式加工后基面1的直線度檢測值，曲線B為直線方式加工后基面1的直線度檢測值，將曲線對應(yīng)的關(guān)鍵點位置數(shù)值表格化，如附表所示。

圖10 補償加工前后直線度對比

通過附表中的數(shù)值可知，采用直線加工時基面1出現(xiàn)“塌腰”變形，最大變形0.149 mm，而仿形加工后則基本上避免了“塌腰”，對比仿形加工前后數(shù)據(jù)基面1的直線度由0.14 mm提高到了0.02 mm，由此可見該技術(shù)的正確運用，對保證這種大跨距橫梁導軌的直線度要求至關(guān)重要。

直線度對比表 (單位:0.001 mm)

采用仿形加工技術(shù)后橫梁實際運行時的Y軸直線度檢測:通過激光干涉儀測量已安裝完畢的龍門加工中心滑板沿橫梁Y向移動的直線度，且系統(tǒng)不參與補償。直線度檢測結(jié)果如圖11所示，刀尖處的正側(cè)向直線度最大偏差均小于0.03 mm達到驗收要求。

圖11 直線度實測曲線

通過理論分析傳統(tǒng)的加工方法不能滿足類似文中介紹的大跨距橫梁的精度要求。而通過有限元分析及數(shù)據(jù)擬合獲取橫梁的仿形加工軌跡曲線，并進一步對橫梁進行仿形加工，這種方法能有效地解決大型橫梁的加工難題，保障了大跨距橫梁產(chǎn)品的高精度要求得以實現(xiàn)，同時還為其他類似零件提供了典型示范。