浅谈大型数控龙门导轨磨床关键技术及发展趋势*

邹雪巍 刘传金

(威海华东数控股份有限公司，山东威海 264200)

近年来，我国制造业产品向大型及超大型方向发展，零件的精度向高精度方向发展，由此引发各类数控机床向大型、重型、超重型及超大型方向迅猛发展，特别是航空、航天、风电、核电等行业对大型、特大型精密数控机床的需求越来越多。机床床身、横梁、立柱、滑枕等大尺寸零部件导轨精度是大型数控机床精度的基础，而大型数控龙门导轨磨床又是实现该类零部件高精度磨削加工的关键工作母机，其技术水平的高低直接影响到机床行业乃至装备制造业的水平与发展。

1 国内外龙门导轨磨床现状

上世纪50年代德国瓦德里希·科堡生产了第一台龙门导轨磨床，之后，意大利法力图，德国赫克特，西班牙达诺巴特，日本冈本、住重、长懒等公司相继开发出了自己的龙门导轨磨床。国外龙门导轨磨床已有约60年的发展历史，不论在产品规格、性能、还是机床精度方面已发展到较高水平，如科堡龙门导轨磨床的最大磨削宽度3 500 mm;最大磨削长度15 000 mm;磨削长度小于10 m工作台纵向移动在水平面内的直线度不超过0.02 mm、长度大于10 m时不超过0.03 mm;磨头横向移动时相对于工作台面的平行度不超过0.02 mm。又如法力图龙门导轨磨床的最大磨削宽度3 000 mm;最大磨削长度达16 000 mm;加工直线度0.002 mm/1 000 mm;1 000 mm×1 000 mm范围内平面度小于0.004 mm。

与国外相比，我国的龙门导轨磨床起步较晚，早期只有险峰机床厂和上海重型机床厂专业生产龙门导轨磨床。上海重型机床厂于1989年与德国瓦德里希·科堡合作，引进其先进技术，使我国龙门导轨磨床技术水平有了较大幅度提高。近几年来，国内大型龙门导轨磨床发展较快，以华东数控为代表的一批生产厂家快速崛起，在借鉴国外先进技术的同时依靠自主创新，不断缩小与国外先进技术水平的差距。目前，国内大型龙门导轨磨床的磨削宽度可达3 500 mm，磨削长度可达16 000 mm，加工直线度0.003 mm/1 000 mm。虽然如此，我国龙门导轨磨床特别是工作台超过10 m以上的大型数控龙门导轨磨床的技术水平与国外相比还有一定的差距，如加工平面度，我们还基本停留在1 000 mm×1 000 mm范围内平面度0.01 mm的水平，而日本已经实现了大型数控龙门导轨磨床的超精密磨削加工。除了磨削精度，在磨削效率、自动化程度、机床精度保持性以及可靠性等方面我们同样也存在不小的差距，国内许多高端用户不得不从国外进口大型数控龙门导轨磨床。之所以造成这种局面，主要原因在于我们还没有对影响龙门导轨磨床技术水平的关键技术进行深入细致研究并加以掌握。

2 大型数控龙门导轨磨床主要问题及关键技术分析

2.1 机床精度稳定性问题

影响机床精度稳定性的主要原因:机床基础件材质自身的应力变形、载荷变化引起的受力变形和温度场变化引起的热变形。因此提高数控龙门导轨磨床精度的稳定性，应从以下3个方面进行深入地分析及研究。

2.1.1 机床基础件材质的应力变形

大型数控龙门导轨磨床基础零件的材料选择基本上是铸铁，部分厂家也有选择焊接钢构件，材料内部组织的优劣直接影响零件结构强度及刚性，同时在制造过程中又不同程度的存在铸造应力、焊接应力及加工应力。由于各种应力的随机变化，直接影响机床的几何精度发生改变。因此对于大型数控龙门导轨磨床设计与制造，应开展机床基础零件材料性能的研究，从材料的组织结构及性能上有所突破，满足大型数控机床对基础零件高强度、高刚度、高精度及高稳定性的要求。同时，应深入开展对各种因素产生的应力进行有效处理的工艺技术研究，例如通过各种有效的人工时效处理去除零件应力变形。

2.1.2 载荷变化引起的受力变形

机床的几何精度受载荷力影响较大，而解决该问题需从机床整机静动态特性分析上着手研究。长期以来，国内机床设计过程是“经验设计—样机试制—样机测试—改进设计”，这种“感性设计”不仅设计周期长、研制费用高，同时并未从理性上对机床结构刚性进行系统分析，造成大部分机床出现问题后只能修修补补进行事后改进设计，并未从根本上解决问题。目前随着现代化数字设计技术的发展，在机床设计上开展数字化设计的技术研究是势在必行的。对于大型数控龙门导轨磨床，应开展如下数字化设计研究工作:

(1)整机静力学设计

对机床整机进行几何建模并进行静力学分析及模态分析和谐响应分析，寻找机床结构设计的薄弱环节。

(2)基础件设计

合理解决机床大件质量分布参数的结构和动特性、合理选择匹配各个部件的连接方式和参数，获得更好的加工性能。特别是对机床床身、工作台、立柱及活动横梁等大件，因重力及切削力等因素使其产生变形对加工精度的影响进行分析，通过有限元分析手段，研究机床结构件的合理断面形状和尺寸，筋板的布置形式和筋板尺寸，结构零件之间的联结刚性等。例如，活动横梁是龙门导轨磨床最重要也是最薄弱环节，其几何精度的稳定性，直接影响机床横向加工的工作精度。活动横梁上分别安装卧式周边磨头及立式万能磨头运动组件，其运动机构共用活动横梁导轨，由于两套运动组件运动载荷的不同，造成其运动负载对横梁结构刚性提出不同的要求。通过有限元分析手段获得相关动态结构刚性参数，优化活动横梁结构件的合理断面形状和尺寸，筋板的布置形式和筋板尺寸。同时分析两套运动组件运动负载对活动横梁刚性影响参数的不同，利用误差曲线复映理论，对活动横梁基准运动导轨实施反误差变形结构设计，解决因载荷变化影响导轨磨床横向几何精度的问题。

(3)整机动力学设计

在静态分析的基础上，进行模态分析，得到机床系统的固有频率和主振型，进而对机床进行结构动态设计和优化。

(4)结合面设计

由于机床结合面破坏了机床结构的连续性，造成机床模态的复杂化，而机床刚度50%、阻尼的80%来源于结合面，机床结合面的设计对于机床整体动力学特征有着至关重要的作用，因此无论是机床整机建模还是动力学分析，必须进行机床的结合面的分析及优化，通过修改机床结合面的设计及改变结合面的参数，提高机床的动态特性。

2.1.3 温度场变化引起的热变形

有研究表明，温度场变化引起的机床热变形误差占机床独立误差的40%～70%。温度场变化包括机床环境温度变化和机床内部热源温度变化(如液压系统温升、导轨摩擦发热等)，铸铁的热膨胀系数约为10 μm/(m·℃)，以磨削长度为16 m的龙门导轨磨床为例，床身上下温差变化0.1℃，其导轨凹凸变化量约为160 μm，反映到16 m长度工件上的直线度变化量可以达到40～80 μm，由此可见，热变形对运动导轨直线度的影响相当大。要减小热变形对机床精度的影响，在机床结构设计时要进行热态优化设计，如采用热膨胀系数小的新型材料、采用对称结构、避开热变形敏感方向、考虑隔热和散热措施等，同时采用冷却、辅助热源等方式对机床热源进行温度控制。热误差补偿技术的应用也有助于减小热变形，其关键在于热误差模型的建立和误差补偿策略的选择。热误差补偿一般采用事后补偿，首先通过各种检测手段对机床加工时产生的误差进行测量，然后根据已建立的误差补偿模型进行误差补偿计算，将计算结果反馈给数控系统来补偿热误差。对大型数控龙门导轨磨床，应开展以下几方面的热误差分析及补偿技术的研究:

(1)热对称结构设计

为了保证加工精度，机床关键的基准点应布置在热对称面附近，使机床结构件的热位移方向与加工方向平行，从而改善热变形对加工精度的不良影响。

(2)热容量平衡设计

对机床内部热容量较大的部位进行控制，以减少其温升，使之和热容量较小的部位不至于产生温差，尽量达到它们之间的平衡，从而降低机床内热源这一热变形的主要因素的影响。

(3)隔离热源

为减少内部热源的影响，应尽可能将发热部件从机床主体中分离出去。对于不能分离的热源，如轴承、导轨面、丝杠等，则可以从结构和润滑两方面着手，改善其摩擦特性，减少发热量。对于冷却液、润滑油等“二次性热源”也应尽快分离出去，合理布置其走向，使之对机床的影响减小。

(4)形状和参数优化

对机床建立数学模型，进行热特性分析计算，通过优化方法确定其构件形状和参数。

(5)机床温度控制与温度补偿

①砂轮主轴热误差控制。砂轮主轴采用动静压轴瓦支撑结构形式，其动静压润滑油是产生热源的主要因素之一，因此其润滑需采用独立的润滑控制站，需配置恒温控制的油冷机对其循环润滑油进行温度控制。

砂轮主轴采用内置的电主轴电动机驱动时，电动机发热是产生热源的另一个主要因素，因此需设置电机冷却水套，采用恒温水冷机对其温度控制。

②工作台运动导轨(X轴)热误差控制。X轴运动速度快、载重大，其摩擦产生的热量较大，其润滑采用卸荷式静压导轨，静压油不仅可以减小摩擦阻力、降低功率消耗、提高导轨耐磨性，同时也可以将摩擦产生的热量带走，因此需配置恒温控制的油冷机，对其循环润滑油进行温度控制。工作台在导轨部位设置循环水槽，利用切削液对其导轨部位冷却。床身导轨部位设置循环水槽，使用恒温冷却水对其导轨部位冷却。

③磨削产生的热误差控制。磨削产生的热量对工件磨削表面产生热变形，因此需对磨削液进行温度控制，采用恒温水冷机对切削液进行循环冷却。

④环境温度对机床精度产生热误差的补偿。环境温度的变化对机床几何精度影响较大，对于龙门导轨磨床来讲，影响最为突出的是床身导轨(X轴)的直线度，其次是对横梁导轨(Y、V轴)的直线度，从而影响龙门导轨磨床主要的工作精度中工件的直线度及平面度。因此研究运用热误差分析技术，结合现场测量温度变化对直线度影响值，建立误差补偿模型进行误差补偿计算，将计算结果反馈给数控系统，使控制器发出相应的控制误差补偿指令以补偿相应的热误差。此误差补偿采用在机床关键部位布置热传感器，通过事后补偿方式进行。

2.2 磨削表面波纹度、粗糙度问题

磨削表面有波纹是具有平面磨削功能磨床一个普遍难解决的问题，其影响因素是多方面的。

(1)机床动态性能的影响

由于在砂轮磨削过程中，砂轮和工件间产生相对位移，改变了它们之间正确的位置关系，在加工表面留下波纹，其根源在于振动;而磨削表面粗糙度值大的主要原因是由于主轴振动和磨粒切削刃的高度不一致，其根源也在于振动。通过机床的动态特性分析，得出磨削颤振信号的频率大都处于机床的固有频率附近，磨削中的颤振现象与磨床动态特性有关。运用有限元模态分析技术，建立机床结构动力学模型，确定机床结构的振动特性，分析机床的固有特性、响应特性、薄弱环节，进而改进机床结构设计，将机床固有频率与磨削颤振信号的频率避开，在设计上减少引起磨削振纹的结构因素，以达到防止颤振、消除振纹、提高磨削表面质量的目的。

(2)主轴系统的影响

磨削过程砂轮主轴的刚性及振动是影响平面磨削表面质量的主要因素之一，优良的主轴结构设计是磨床关键的技术。动静压主轴支撑技术在磨床砂轮主轴结构设计方面，其结构性能优于其他形式。动静压主轴支撑技术是依靠动静压效应形成的高刚性油膜，相对其他主轴支撑形式，具有高刚性、高精度回转精度、优良的吸振性能及磨损小、寿命长等优点。同时砂轮主轴传动动力源的振动对磨削表面质量影响也较大。传统导轨磨床设计上，卧式周边磨头电动机一般采用交流电动机通过皮带传动到主轴上，立式万能磨头一般采用交流电动机通过联轴器传动到主轴上。交流电动机的振动、机械传动链的振动对磨削表面质量影响较大，为减少外部机械传动链，砂轮主轴传动结构采用电主轴结构形式是目前砂轮传动主轴设计的优选结构。

(3)砂轮及主轴动平衡的影响

砂轮是导轨磨床加工工件平面的刀具，若使砂轮磨削出准确的尺寸和高精度的表面质量，必须防止磨削过程的振动。砂轮的结构是由分布不均的大量颗粒组成，先天的不平衡无法避免，这必然引起一定的偏心振动。而砂轮安装产生的偏心度、砂轮的厚度不均、砂轮主轴的不平衡及砂轮对冷却液的吸附的不均衡等，会使砂轮振动更加增大。这些振动不仅仅影响到磨床的加工质量，还会降低磨床主轴及砂轮寿命，增加砂轮修整次数及修整金刚石的消耗等。因此砂轮主轴系统应设置砂轮在线自动平衡系统，可以有效解决上述问题。

(4)工艺参数的影响

由于磨削过程是磨粒在工件表面上进行滑擦、耕犁和切屑形成的过程，其消耗的能量大部分转化为热能传入工件，高温导致工件尺寸精度和表面质量的下降;磨削过程中产生的磨削力造成的弹性变形及振动也会导致工件尺寸精度和表面质量的下降;砂轮修整工艺参数对砂轮修整质量及砂轮寿命也有重要影响。因此，通过磨削工艺参数及砂轮修整工艺参数优化技术研究，建立大型数控龙门导轨磨床专用磨削工艺参数库，为操作者提供智能化磨削参数选择决策管理系统。操作者可以将加工工件相关数据信息在加工前输入数控系统，数控系统通过相关磨削软件自动调用专用磨削数据库的工艺参数，为操作者自动选择合理的磨削用量，同时，选择合适的修整工艺参数，对砂轮进行修整，从而降低磨削热的产生，减小磨削力，降低磨削功率消耗，进而提高机床的磨削精度和质量。

(5)砂轮修整器的影响

砂轮磨损后将引起振动、噪声、表面粗糙度值增大、产生裂纹、烧伤等问题，虽然砂轮具有自砺性，但远远不能满足磨削要求，需要对砂轮进行修整，保证其磨削性能。对砂轮的精细修整可以使砂轮表面磨粒获得好的微刃性和等高性，对提高磨削表面质量有很大的帮助，砂轮修整器的作用极其重要。传统的修整器横向运动大多采用液压驱动，低速性能及运动均匀性较差，难以保证砂轮修整质量，且受结构限制无法修整曲面。二轴联动数控插补修整器可以有效克服上述缺点，实现对砂轮的精细修整，进而获得高精度的表面磨削质量。

2.3 凹凸磨削导轨表面的光顺度问题

凹凸磨削功能是数控龙门导轨磨床的一项重要功能，不同的机床导轨根据设计要求通常都有一定的凹凸度形状要求，一般凹凸磨削工艺分为导轨的垂直截面方向上的凹凸曲线磨削加工，及水平截面方向上的凹凸曲线磨削加工。作为磨削这些导轨工作母机的数控龙门导轨磨床，除要求数控系统应该具有极高的插补精度外，其相关进给轴的微进给运动要有足够的精度和灵敏度，两者的有机结合才能保证凹凸磨削导轨表面的高光顺度要求。因滑动导轨动静摩擦系数的不同，运动部件的微进给运动一般很难实现，解决运动机构的动态响应性能是解决凹凸磨削导轨表面的光顺度的关键技术之一。

解决凹凸磨削导轨表面的光顺度问题，应从以下两个方面重点研究:

(1)工作台纵向运动(X轴)

导轨采用卸荷式静压导轨技术，不仅满足大型精密数控龙门导轨磨床重载低速性能要求，同时可以减小工作台运动时动静摩擦阻力的变化，确保低速无爬行。由于静压油膜具有误差均化作用，提高了导轨精度及其稳定性。

(2)磨头横向运动(Y、V轴)

导轨采用滚动+滑动+卸荷导轨，其运动主导轨采用滚动导轨形式，副导轨采用卸荷结构导轨形式，其卸荷机构将磨头运动机构向上及向后卸荷，将其70%的负荷卸载到副导轨上，减少运动负载对主导轨精度的影响，同时使运动部件的动态响应性能大大加强。

通过对机床纵向及横向导轨的结构优化设计，确保机床加工工件导轨垂直截面及水平截面的凹凸磨削的精度。

2.4 机床可靠性问题

大型数控龙门导轨磨床属高档数控机床范畴，国内龙门导轨磨床在可靠性方面与国外同类机床相比还有较大差距，应积极开展大型数控龙门导轨磨床可靠性的研究及应用。

开展数控龙门导轨磨床可靠性研究应从以下各个环节入手:可靠性试验、故障分析、可靠性设计、工艺和装配过程的可靠性技术、配套件和外协件的可靠性保证技术、早期故障试验技术以及现场运行试验和可靠性评估等。将可靠性研究的各个环节的关键技术，具体实施和应用于产品研发的各个阶段:即产品设计、制造、装配、调试直到现场使用的全过程。可靠性的原始数据应取自产品运行的生产现场及各种试验，经过对数控龙门导轨磨床的故障模式、影响及危害性分析，查清机床各故障部位、故障模式的危害度及其排序，进而采取可靠性设计、故障纠正和可靠性提升的一系列技术措施，促使大型数控龙门导轨磨床可靠性水平的提高。

3 数控龙门导轨磨床发展趋势

制造行业的需求决定了国内数控龙门导轨磨床未来大型、精密及智能化的方向发展。定梁龙门导轨磨床技术难度相对较低，价格又比较便宜，目前国内大部分龙门导轨磨床产品都为定梁式结构。定梁式龙门导轨磨床受结构限制，其缺点是加工高度范围小，且磨削精度随磨头滑板伸出长度的增加而降低。随着制造业产品的升级换代，市场对加工范围宽、精度高的数控动梁龙门导轨磨床，特别是大型精密数控动梁龙门导轨磨床的需求将越来越旺盛，许多高端用户对数控龙门导轨磨床的自动化程度要求也越来越高，要求具备如砂轮自动修整、修整量自动补偿、工件在线测量、防碰撞砂轮快速趋近、磨削工艺参数数据库、典型工件磨削程序自动生成、图形化的专用人机界面、自动更换砂轮的砂轮库、交换工作台等功能，最终将促使数控龙门导轨磨床向着智能化的磨削中心方向发展。

［1］杨庆东，范舟伯格 C，范赫里克 P，等.数控机床热误差补偿建模方法［J］.制造技术与机床，2000(2):10－13.

［2］陈艳.磨床床身导轨精度分析［J］.精密制造与自动化，2005(4).

［3］周泽华.金属切削原理［M］.上海:上海科学技术出版社，1984.