蔡宇嵩

大型床身導(dǎo)軌加工工藝分析

蔡宇嵩

（上海機(jī)床廠有限公司 上海200093）

闡述了影響床身加工精度的幾個(gè)因素以及床身導(dǎo)軌加工工藝的優(yōu)化過程。由于床身時(shí)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(shí)現(xiàn)以銑削的方式達(dá)到導(dǎo)軌的最終精度。得出在大型床身導(dǎo)軌上精銑代磨加工方式的可行性，可供機(jī)床設(shè)計(jì)與制造人員參考。

以銑代磨 導(dǎo)軌精度加工工藝

1 影響床身加工精度的幾點(diǎn)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(gè)方面。在機(jī)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(dòng)控制法等；獲得形狀精度的方法有成形運(yùn)動(dòng)法和非成形運(yùn)動(dòng)法。其中成形運(yùn)動(dòng)法又分為機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(jìn)行加工，由機(jī)床、夾具、刀具和工件組成的工藝系統(tǒng)在完成任何一個(gè)加工過程中，都會(huì)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(jī)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(jìn)。

1.2 工件受力變形及內(nèi)應(yīng)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(huì)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(huì)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(dǎo)軌的直線度和表面粗糙度。為此需采用相應(yīng)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(shí)效處理以消除內(nèi)應(yīng)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(shí)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(jī)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(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，機(jī)床各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，破壞了機(jī)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(jī)床一般在恒溫車間中進(jìn)行安裝，安裝時(shí)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(jī)床預(yù)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(dāng)達(dá)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(jī)床應(yīng)采取在加工前預(yù)先開動(dòng)、高速空轉(zhuǎn)，直至達(dá)到熱平衡后再進(jìn)行加工。

磨削和銑削的加工環(huán)境各有不同，磨削通常會(huì)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(dǎo)軌的加工方式

磨床精度的可靠性很大一部分與床身導(dǎo)軌有關(guān)，而對于大型磨床床身來說更需要確保導(dǎo)軌的精度。床身導(dǎo)軌加工精度的好壞將直接影響整臺(tái)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(dǎo)軌形超長箱體類零件。工件通過工作臺(tái)在其上進(jìn)行低速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以承受較大壓力負(fù)荷，要求床身受力后不變形，還要有一定韌性。

床身導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)軌與平導(dǎo)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(diǎn)

大型床身的加工工藝流程：粗刨→時(shí)效→精刨→導(dǎo)軌磨，中間穿插劃線、鉆孔等。精刨與導(dǎo)軌磨，由于加工基準(zhǔn)不同，前者采用底面為基準(zhǔn)，后者置于2/9處，基準(zhǔn)的不同對導(dǎo)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(dǎo)軌，將精刨與導(dǎo)軌磨兩工序合并。

2.3 切削過程的研究

導(dǎo)軌在切削形成的過程中存在3個(gè)變形區(qū)，見圖1所示[2]。

圖1 3個(gè)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(qiáng)烈摩擦，進(jìn)一步發(fā)生塑性變形。第Ⅰ變形區(qū)擴(kuò)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(dāng)切削層的部分金屬進(jìn)入第Ⅲ變形區(qū)后便開始發(fā)生塑性變形，隨著進(jìn)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(jìn)入第Ⅲ變形區(qū)。在進(jìn)入第Ⅲ變形區(qū)后仍將進(jìn)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(gè)彈性變形區(qū)后，對大型床身來說，由于各個(gè)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(shí)，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(shí)，刀具轉(zhuǎn)速S=120 r/min，切削速度F=1000 mm/min；精銑時(shí)，刀具轉(zhuǎn)速S =80r/min；切削速度F=200 mm/min；超精銑時(shí)，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(xiàng)

采用刀具直徑大于導(dǎo)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(shí)，要減少銑刀刀片，使用4片刀片且都換成新刀片，導(dǎo)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(gè)壓板和支頭進(jìn)行固定安裝，如圖2所示。

圖2 工件裝夾

粗銑時(shí)，對平、V導(dǎo)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(jìn)行多刀銑削，導(dǎo)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(shí)，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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)軌能產(chǎn)生預(yù)期的反向變形，此反向變形將與時(shí)效處理時(shí)產(chǎn)生的變形想抵消。平導(dǎo)軌A面最終留0.5mm余量，V導(dǎo)軌B面留0.7mm余量，加工時(shí)要檢查墊鐵是否松動(dòng)，用校表檢測V導(dǎo)軌外側(cè)小筋C面并校直，檢測平、V導(dǎo)軌面的平行度，將數(shù)據(jù)記錄后，準(zhǔn)備對導(dǎo)軌面進(jìn)行超精銑（代磨）。

超精銑過程中，先精銑平導(dǎo)軌A面（余量為0.35mm）和V導(dǎo)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(dǎo)軌的等高，將數(shù)據(jù)記錄后再精銑V導(dǎo)軌面，以縮小等高差，之后適當(dāng)調(diào)整進(jìn)刀量，平導(dǎo)軌所剩余量0.04 mm，V導(dǎo)軌余量0.05 mm。再通過測量進(jìn)行最后光刀，加工至圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，加工簡圖如圖3所示。

圖3 床身加工簡圖

4）導(dǎo)軌面的測量

利用激光測量導(dǎo)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(xué)平直儀，V型測量座）；測量導(dǎo)軌面的扭曲精度（工具：GM84160-L2016扭曲工具）。

最終數(shù)據(jù)測得導(dǎo)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(dǎo)軌與平導(dǎo)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(dǎo)軌表面粗糙度較之磨削略低，但基本能滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，可以達(dá)到裝配精度要求，而在加工時(shí)間上，銑削所用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于磨削所用加工時(shí)間，還省去了中間運(yùn)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(dòng)刀，逐層遞進(jìn)至圖紙要求，以達(dá)到原磨削的精度標(biāo)準(zhǔn)，因此一般精度的大型磨床床身導(dǎo)軌用精銑代磨的工藝方式加工是可行的。

[1] 徐鑫磊.機(jī)械加工精度的影響因素分析[J].科技促進(jìn)發(fā)展(應(yīng)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(jī)技術(shù),1995,(5):314.