龙门机床横梁的仿形加工

2011-10-18王道明于凤军郭志超刘清涛

制造技术与机床 2011年9期

王道明于凤军郭志超杨宁刘清涛

(①沈阳机床股份有限公司，辽宁沈阳110142;②沈阳远大企业集团，辽宁沈阳110027;③长安大学工程机械学院，陕西西安710064)

对于龙门机床而言，横梁是机床结构的重要组成部分，其机械性能直接影响机床的加工精度。在机床安装调试过程中，横梁经常因为自重及受载后发生变形，致使龙门机床横梁方向直线度经常不合要求，需要反复加修，影响安装进度。为此，本文提出通过有限元分析和实际检测相结合的方法来解决此问题。

1 横梁工艺分析

横梁是机床的主要支承件，对整个机床的性能影响非常大。其结构联接一般是通过两端部螺钉固定在两立柱上，滑板主轴箱等构件在其上横向移动，如图1所示。龙门式机床横梁的受力结构为两点简支梁支承形式，造成横梁变形的主要原因是重力和加工时的切削力，需要有较好的静态和动态性能［1］。龙门机床验收要求滑板沿横梁运动方向(Y轴)的正向和侧向直线度符合特定要求。

横梁材质多为铸铁，龙门横梁正面B、C和侧面A是影响龙门机床Y轴正向和侧向直线度的主要因素，因此这三面的加工精度极为重要，一般B、C面有平面度和直线度的限制，A面需要给出直线度和相对于B面的垂直度要求。目前，设计人员大多只是给出精度要求的具体数值，依照传统加工方法，铣、磨A、B、C面以达到精度要求。但在实践中发现，在滑板和主轴箱安装之后，横梁受自重、滑板和主轴箱的翻转力矩作用而发生变形，使得横梁直线度经常难以保证，如图2所示。

如:对一长6 m的机床横梁，Y向行程4 100 mm，机床几何精度Y轴正面和侧面直线度要求0.03 mm，在横梁安装在立柱上之前，测得横梁A、B、C面直线度为0.03 mm，满足设计要求，但是安装之后发现A面直线度全长0.06 mm，B面0.07，C面0.06;不合要求，需多次调整、加修，费工时，提高加工成本，安装进度难以保证。

2 横梁仿形加工

仿形加工难点是要找得仿形加工轮廓数据［3］，本文采用有限元分析和实际检测结合的方法，对横梁A面求得其仿形加工曲线，具体过程如下:

2．1 横梁有限元分析

先不考虑铸件本身缺陷及自重的影响，仅考虑横梁受外力作用引起的变形。本文采用国际知名Soliworks公司开发的具有先进技术的Soliworks simulation软件［2］，对滑板位于横梁任意位置时的受力情况进行有限元分析，得出A面变形曲线如图3所示。

在该有限元分析中，边界条件处理:两立柱底部的3个方向的固定约束，横梁和立柱结合面的螺钉连接，滑板和横梁面面接触，滑板上压板与横梁面面接触。载荷处理:采用远程载荷方式处理滑板和主轴箱等件自重;网格划分:采用高品质，不同部位分别划分的方法。

2．2 横梁的仿形加工

具体过程如下:

①如图4所:将横梁平放，正面朝上，两端4个支撑块支承，A、B面精铣，留加工余量;

②模拟横梁工作时的放置状态，如图5所示。自然时效处理一定时间后，可用水平仪和光管，求出A面实际变形曲线，即图6中的曲线D，即为考虑材质分布不均横梁自重变形的实际曲线。

③将有限元分析得到的如图3所示的曲线相对于O线镜像得到如图6中的C曲线:即为不考虑横梁自重时的横梁加工曲线;将图6中的C线与D线的对应点做减运算，得到A面仿形加工的B曲线。

④横梁再放回与如图4所示的位置，依照B线对横梁对A面进行仿形加工，此处为最后一道工序，一般在磨床上采用数控编程进行加工。如果按照图5加工，获得的结果将更加精确，但受机床加工条件限制，一般只能采用图4位置加工最后一道工序。

通过横梁受力的有限元分析，确定出横梁不考虑自重时的加工曲线，而后以测得自重时横梁的变形曲线对不考虑自重时的加工曲线进行修正，得到最终的仿形加工曲线。仿形加工曲线事先考虑到横梁受自重及外力作用的变形情况，使龙门机床Y轴直线度在一次安装后即可满足要求。因为有限元分析结果的误差，会使得仿形曲线有一定误差，但一般局部修配即可满足要求。