余劍武，桂 林，李民選，羅嗣春，張漢衛(wèi)

（1．湖南大學(xué) 國家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410082；2．武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430205）

數(shù)控落地銑鏜床在加工過程中隨著滑枕伸出主軸箱，滑枕前端會(huì)產(chǎn)生偏離理想直線的誤差．產(chǎn)生這種誤差的主要原因有［1］：1）滑枕在主軸箱內(nèi)移動(dòng)使滑枕和主軸箱整體的重心偏移，在垂直面內(nèi)產(chǎn)生向下的微小偏移，在水平方向產(chǎn)生前移，從而使主軸箱產(chǎn)生微小傾斜；2）數(shù)控落地銑鏜床在工作過程中滑枕伸出主軸箱的距離最多可以達(dá)到1 200mm，由于滑枕、銑軸、鏜軸及相關(guān)附件自重的影響產(chǎn)生撓曲變形，而且隨著滑枕伸出主軸箱的距離增大其變形量也會(huì)相應(yīng)增大．?dāng)?shù)控落地銑鏜床滑枕前端的這種變形誤差不僅對(duì)零件的加工精度產(chǎn)生影響，還會(huì)影響機(jī)床的使用壽命，所以落地銑鏜床的滑枕變形成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題．

數(shù)控落地銑鏜床滑枕變形誤差按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求是0．03mm／500mm［2］，即在滑枕外伸500mm 時(shí)，滑枕的變形量不能超過0．03mm，但是用戶會(huì)提出更高的要求以達(dá)到高精度的加工目的．如何通過對(duì)數(shù)控落地銑鏜床滑枕變形和補(bǔ)償?shù)难芯縼頊p少滑枕的變形，許多學(xué)者提出了不同的解決思路和方法．萬東東［3］論文中介紹了意大利帕馬公司在滑枕變形方面的研究成果，設(shè)計(jì)出了在數(shù)控落地銑鏜床滑枕上部分別安裝兩個(gè)拉桿和油壓缸裝置，通過數(shù)控系統(tǒng)控制油缸壓力的變化來補(bǔ)償滑枕變形．王鴻博等人［4］采用伺服系統(tǒng)裝置和配重塊對(duì)MCMG 180LG 數(shù)控落地銑鏜床的主軸滑枕進(jìn)行平衡補(bǔ)償．康獻(xiàn)民［5］設(shè)計(jì)了一種采用支撐輪、下壓輪、平衡條、支撐套組成的機(jī)械平衡補(bǔ)償裝置專門針對(duì)主軸滑枕“低頭”現(xiàn)象．以上方法對(duì)減少滑枕變形都具有一定的效果，但還不能完全滿足高精度的加工要求．隨著有限元分析技術(shù)的成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使用有限元分析軟件來解決工程中的復(fù)雜問題變得越來越方便．有限元分析軟件Ansys WB 由于為CAD 軟件提供了良好的數(shù)據(jù)接口和兼容性，方便產(chǎn)品研發(fā)過程中的多平臺(tái)協(xié)作，在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)中被廣泛使用．

為了解決大型數(shù)控落地銑鏜床滑枕變形問題，本文以武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的TK6920B大型數(shù)控落地銑鏜床為研究對(duì)象，采用預(yù)應(yīng)力撓曲加工法和液壓拉桿法對(duì)滑枕變形進(jìn)行補(bǔ)償，使用Ansys WB有限元分析軟件研究滑枕的變形和補(bǔ)償以解決實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作量大、成本高的問題．應(yīng)用Pro／E進(jìn)行建模，導(dǎo)入Ansys WB 中分析滑枕在不同外伸量時(shí)的變形量，并使用Ansys WB 檢驗(yàn)預(yù)應(yīng)力撓曲加工和液壓拉桿補(bǔ)償方法的補(bǔ)償效果．

1 滑枕變形有限元分析

1．1 滑枕三維建模

TK6920B大型數(shù)控落地銑鏜床是武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司研發(fā)的一種大型機(jī)床（圖1），其滑枕的截面尺寸為480mm×520mm，最大工作行程為1 200mm，滑枕自身質(zhì)量約6 000kg．

圖1 TK6920B大型數(shù)控落地銑鏜床Fig．1 TK6920BCNC floor type boring and milling machine tool

使用Pro／E軟件建立滑枕三維實(shí)體模型，如圖2所示，建模時(shí)，嚴(yán)格按照TK6920B 數(shù)控落地銑鏜床滑枕的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模．在網(wǎng)格劃分時(shí)，為了提高Ansys WB分析速度，忽略倒角等細(xì)節(jié)．

圖2 滑枕三維模型Fig．2 The 3D model of the ram

1．2 滑枕材料屬性和網(wǎng)格劃分

數(shù)控落地銑鏜床滑枕材料采用QT600－3，密度為7 300kg／m3，彈性模量173GPa，泊松比0．3［6］．

由于滑枕的三維模型比較復(fù)雜，采用Ansys WB自動(dòng)劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終的網(wǎng)格劃分效果如圖3所示，當(dāng)滑枕的外伸量為1 200mm 時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為109 704，單元數(shù)為60 242．本文采用Ansys WB中自帶的單元畸變度（Skewness）檢測(cè)工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分的質(zhì)量檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)，單元畸變度平均值為0．42，屬于非常好級(jí)別的網(wǎng)格．

圖3 滑枕網(wǎng)格劃分Fig．3 The meshed ram

1．3 確定鏜削力的大小

鏜削力的大小在不同工況下不同，與吃刀量，進(jìn)給量和切削對(duì)象的材料屬性都有很大的關(guān)系，所以很難確定在動(dòng)態(tài)過程中的鏜削力大小．本文使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算鏜削力F0的大?。?］：

根據(jù)數(shù)控落地銑鏜床的機(jī)械性能，在粗加工中鏜削力更大，其切削參數(shù)為：切削深度ap＝10mm，進(jìn)給量f＝0．9mm／r，功率常數(shù)取η＝0．96．經(jīng)計(jì)算可得鏜削力大小F0＝23 545N．

1．4 確定功能附件的質(zhì)量

功能附件包括主軸或者安裝在滑枕前端的銑頭、平旋盤等．功能附件的自質(zhì)量在不同加工條件下是不同的，在進(jìn)行滑枕變形有限元分析時(shí)通常采用經(jīng)驗(yàn)原則，大體估算在大部分工況下附件的質(zhì)量大?。诓煌庸すr下，數(shù)控落地銑鏜床功能附件的質(zhì)量約在500kg 左右，因此采用功能附件的重力F1＝5 000N．

1．5 滑枕變形的有限元分析

在定義好相關(guān)參數(shù)，劃分網(wǎng)格后，加載邊界條件，啟用Ansys WB對(duì)滑枕變形進(jìn)行有限元分析，得到圖4所示的滑枕總變形云圖．

滑枕的工作行程最大可達(dá)到1 200mm，對(duì)滑枕每伸出100mm 做一次變形的有限元分析，可以得到不同伸出量時(shí)的滑枕變形量，見表1．有限元分析結(jié)果表明，在沒有補(bǔ)償?shù)那闆r下，滑枕在外伸量比較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的變形量，這種變形誤差很難滿足用戶的加工精度要求．

圖4 滑枕總變形云圖Fig．4 Total deformation contours of ram

表1 沒有補(bǔ)償情況下滑枕的變形量Tab．1 The deformation of ram without compensation

2 滑枕變形補(bǔ)償方法

傳統(tǒng)中主要使用液壓－機(jī)械補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)滑枕變形進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)踐證明這種方法的缺點(diǎn)是，當(dāng)移動(dòng)部件移動(dòng)速度較快時(shí)，由于液壓響應(yīng)有滯后作用，這對(duì)加工精度產(chǎn)生了很大的影響．研究表明，綜合使用預(yù)應(yīng)力撓曲加工補(bǔ)償法和液壓拉桿補(bǔ)償法對(duì)滑枕變形進(jìn)行補(bǔ)償，不僅補(bǔ)償精度高，而且穩(wěn)定可靠．

2．1 預(yù)應(yīng)力撓曲加工補(bǔ)償法

預(yù)應(yīng)力撓曲加工法補(bǔ)償滑枕變形主要是針對(duì)滑枕由于自身的重力產(chǎn)生的變形．

2．1．1 預(yù)應(yīng)力撓曲加工法補(bǔ)償原理

如圖5（a）所示，滑枕移動(dòng)部件重心位置的下方有滾動(dòng)支撐，滑枕由于自質(zhì)量產(chǎn)生撓曲變形，變形部分是圖中的陰影部分．使用數(shù)控加工的方法將陰影部分去除掉，滑枕裝配好之后如圖5（b）所示，由于滾動(dòng)支撐始終隨滑枕的移動(dòng)而移動(dòng)，所以滑枕一直能保持平直的狀態(tài)［8］．

2．1．2 預(yù)應(yīng)力撓曲加工示意圖

預(yù)應(yīng)力撓曲加工示意圖如圖6所示，根據(jù)滑枕的工作行程狀況，通過加工預(yù)處理達(dá)到減小滑枕變量的目的．由于滑枕變形的影響因素很多，撓曲線的變形近似看成直線，圖中實(shí)線表示滑枕的加工輪廓，為裝配前的形狀，虛線表示滑枕裝配后，在滑枕自身重力作用下的理想平直狀態(tài)．

圖5 預(yù)應(yīng)力撓曲加工法補(bǔ)償原理Fig．5 Principle of prestress flexural deformation machining

圖6 滑枕預(yù)應(yīng)力加工示意圖Fig．6 Schematic prestress machining of the ram

2．1．3 撓曲性補(bǔ)償效果

使用Ansys WB導(dǎo)入模型，定義相關(guān)參數(shù)，劃分網(wǎng)格，加載邊界條件進(jìn)行求解，得到的分析結(jié)果如表2所示．由表2中的分析結(jié)果可以看出，相對(duì)于表1中的分析結(jié)果，預(yù)應(yīng)力撓曲加工的方法對(duì)滑枕的變形起到了一定的補(bǔ)償作用，但是變形量依然較大．

表2 預(yù)應(yīng)力撓曲加工補(bǔ)償法的補(bǔ)償效果Tab．2 The ram deformation after prestress flexural deformation machining

2．2 液壓拉桿補(bǔ)償法

在數(shù)控銑鏜床加工過程中會(huì)使用到不同的加工附件進(jìn)行加工，在不同的工況條件下也會(huì)對(duì)滑枕產(chǎn)生不同變形，液壓拉桿補(bǔ)償法主要用于解決在不同加工附件和工況情況下的滑枕變形問題．

2．2．1 液壓拉桿法補(bǔ)償原理

如圖7所示，滑枕變形液壓拉桿補(bǔ)償裝置在滑枕上部對(duì)稱設(shè)有兩根拉桿，拉桿置于拉桿孔內(nèi)，滑枕前部臺(tái)肩與拉桿前端相連，在滑枕的后端使用拉力油缸與拉桿相連，拉桿力作用于滑枕的工作端，在拉桿拉力的作用下，滑枕工作端的變形量可以得到不同程度的減?。τ透淄ㄟ^NC 實(shí)時(shí)控制液壓拉力大小，從而保證滑枕在不同外伸條件下，拉力油缸都能提供足夠的補(bǔ)償拉力［9］．

圖7 滑枕液壓拉桿補(bǔ)償原理圖Fig．7 Compensation principle of hydraulic rod

2．2．2 補(bǔ)償拉力的計(jì)算

根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)可知：鏜削力F0和功能附件重力F1產(chǎn)生的變形量ω0（向下）與拉桿拉力F產(chǎn)生的補(bǔ)償變形ω1（向上）的大小相等．

由材料力學(xué)公式可知：

式中：l為滑枕的外伸量；E為滑枕的彈性模量；I為滑枕的慣性矩；h為拉桿到滑枕中心線的垂直距離；q為滑枕自質(zhì)量等效的均布載荷．

由ω0＝ω1可得到，補(bǔ)償拉力的計(jì)算公式為：

由于在滑枕外伸量較小的情況下，滑枕的變形相對(duì)較小，能滿足加工精度，可以不用液壓拉桿補(bǔ)償，主要補(bǔ)償區(qū)間為600～1 200mm．通過計(jì)算可得不同滑枕外伸量時(shí)補(bǔ)償拉力的大小，見表3．

表3 補(bǔ)償拉力大小Tab．3 The magnitude of the compensation force

2．2．3 液壓拉桿補(bǔ)償法有限元分析

采用液壓拉桿法對(duì)滑枕的變形進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償后的滑枕變形進(jìn)行有限元分析，加載邊界條件進(jìn)行求解，得到補(bǔ)償后的滑枕變形量，如表4所示．

表4 液壓拉桿補(bǔ)償后的滑枕變形量Tab．4 The ram deformation with hydraulic rod compensation

由表4中的分析結(jié)果可以看出，通過預(yù)應(yīng)力撓曲變形補(bǔ)償和液壓拉桿補(bǔ)償，滑枕的變形已經(jīng)變得很小了，在外伸1 200mm時(shí)的變形也只有24．0μm．

2．2．4 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

對(duì)補(bǔ)償后的滑枕變形量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，實(shí)際工況條件和仿真分析的工況條件相同，使用角尺、平尺、千分表對(duì)不同滑枕外伸長量下的滑枕變形量進(jìn)行了測(cè)量，最大變形量為20μm．對(duì)補(bǔ)償后的滑枕變形量的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較（圖8）．由圖8可知，有限元仿真分析得到的滑枕變形量與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的滑枕變形量數(shù)據(jù)相近．總體來說實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果變化趨勢(shì)一致，并且誤差不大，大概在5μm 以下，說明了仿真分析結(jié)果是可靠的，補(bǔ)償方法是有效的．初步分析誤差主要來源于兩個(gè)方面：首先是由于實(shí)驗(yàn)條件和檢測(cè)方法帶來的實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差，其次是仿真時(shí)由于模型簡化等原因帶來的仿真誤差．

圖8 補(bǔ)償后的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果比較Fig．8 Comparison of simulation results and experimental measurement after deformation compensation

3 結(jié) 論

在大型數(shù)控落地銑鏜床的滑枕變形研究中，由于滑枕及附件形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)上使用材料力學(xué)方法過度簡化模型去求滑枕的變形量往往不夠精準(zhǔn)，通常需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，并測(cè)量采集相關(guān)數(shù)據(jù)，不但工作效率低，而且耗費(fèi)大量的人力物力．本文采用有限元方法研究數(shù)控落地銑鏜床滑枕變形和補(bǔ)償，得到以下結(jié)論：

1）采用Ansys WB 有限元分析方法研究了數(shù)控落地銑鏜床滑枕的變形量和補(bǔ)償，有限元仿真分析得到的滑枕變形量與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的滑枕變形量變化趨勢(shì)一致，誤差在5μm 以下．說明了仿真分析結(jié)果是可靠的．有限元分析方法可提高效率，為大型數(shù)控銑鏜床的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了更好的設(shè)計(jì)分析方法，可大幅縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，在市場(chǎng)競爭中占得先機(jī)．

2）綜合使用預(yù)應(yīng)力加工補(bǔ)償法和液壓拉桿補(bǔ)償法對(duì)滑枕變形進(jìn)行補(bǔ)償，能夠大幅減少滑枕的變形量，最大變形量為20μm 左右，高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求0．03mm／500mm，有效提高了數(shù)控落地銑鏜床的加工精度，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)中加工精度的要求．

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