重型车床床身导轨扭曲对车削精度的影响探究

常博宇

(沈阳机床集团中捷机床有限公司，辽宁沈阳 110142)

床身是重型卧式车床的基础部件，其精度变化严重影响着整机的工作性能。重型卧车为了获得更高的刚性，床身一般采用矩形导轨，车削时床鞍沿着床身导轨移动，刀架安装在床鞍上随着床鞍一同移动以完成工件的车削。当滑板不动仅仅床鞍移动时，一般是车削光直长轴类零件，此时床鞍的移动轨迹直接影响工件的侧母线。一般来说，对于车削，为了获得更好的形状公差，床身导轨的精度更关注导轨的侧母线，因为就车床来说床身导轨的侧母线方向是工件尺寸精度的敏感方向。不考虑其他影响因素的前提下，床身侧母线方向上的精度变化作用于床鞍后其误差将二倍放大为工件的尺寸误差。因此无论在床身的检测过程中还是床身的图纸设计过程中，对床身导轨侧母线的精度关注度都要高于对床身导轨上平面的精度关注度。但是在实际工作中，尤其是在大回转直径、大主轴中心高的大型重型卧式车床的制造过程中发现，当床身导轨上平面精度超差时对工件的影响也非常大，有时候导轨上平面的精度变化对工件尺寸精度的影响甚至要高于侧母线精度对工件的影响。因此作者决定分析这种问题出现的原因。

1 加工模型的建立

以某款大回转直径的重型整体四导轨数控卧车为例 (机床布局见图1)。图中代表了该类机床的典型布局，床身由4根导轨组成，其中左侧2根导轨为工件导轨，右侧2根导轨为刀架导轨。床鞍安装在右侧2根刀架导轨上，带动框式刀架对工件进行车削，当刀架床身导轨上平面因加工原因或应力释放不彻底等原因造成左侧的导轨和右侧的导轨出现高低差或者扭曲时，床鞍在重力的作用下会以一侧导轨为支点进行翻转。床鞍的翻转将带动刀尖发生位置变化。翻转后刀尖的变化情况模型用图2表示。

图1 机床布局

图2 床鞍翻转后刀尖的变化情况

其中:点a设为床鞍在导轨上的左支点;点b设为床鞍在导轨上的右支点;a、b之间的距离设为床鞍跨距L1;机床中心高设为L2;左支点到刀具尖点的距离设为L5;翻转后刀具尖点在径向方向的位移设为L3;翻转后因刀尖中心高变化导致的工件直径方向误差设为L4(刀尖中心高变化导致的工件尺寸误差微乎其微，一般可忽略不计);刀具尖点翻转前后的直线距离设为L6;床鞍以导轨处某支点的翻转角度设为α(这里设床鞍后倾，沿左支点a翻转);原刀具尖点与导轨左支点a在竖直方向的夹角设为β;刀具尖点翻转前后的直线距离L6与水平线的夹角设为γ。至此可以进行以下计算。

2 依据模型进行计算分析

床鞍跨距L1、中心高L2为定值，在加工某一具体直径的工件时，刀具尖点位置被确定，则夹角β也为定值。则

又:一般情况下导轨两平面的精度误差一般在0.1 mm以下，因此其造成的床鞍翻转角α非常小，一般在 0.1°以下，因此在此式中 cosβ近似等于cos(β+α/2)。

因此最终:L3≈2L2sinα/2

由此可见翻转后刀具尖点在径向方向的位移L3只与机床中心高和床鞍的翻转角有关。

3 计算结果的实际应用

将此公式用于某大回转直径数控卧车计算，若床鞍跨距L1=740 mm，机床中心高L2=1 430 mm，当左右导轨在某处出现0.02 mm不平度误差时，床鞍翻转角度α仅为0.001 547°。但此时因此翻转造成的刀具尖点在径向方向的位移L3=0.039 mm。可见当中心高较高时，导轨的不平度误差对加工误差是有可能产生放大效应的。因此在实际的产品设计中，应尽量保证机床的中心高与导轨的跨距匹配。在系列车床产品的开发中，初始设计当床身的截面确定后，一般的后续开发首先是不断延长床身的长度，扩展其车削长度范围，基本不会去改动床身的截面形状，床身宽度更是不会轻易改变。而在未来长期的产品后续开发过程中，可能会根据市场需要，扩展车床滑板的加工范围以车削更大的轴类零件，此时一般是通过在该床身上加高主轴箱及尾座中心高的形式实现加高产品的开发。但根据上述的分析，此时必须注意机床中心高与导轨跨距的匹配，在床身宽度一定的前提下中心高的加高必须受到上述推导结论的制约。

通过对某厂各系列数控卧车的加工测试，在机床中心高不高于导轨跨距的前提下，一般可以保证较好的机床车削精度;但如中心高过高，则床鞍的偏摆效应对机床的车削精度影响相对较明显。因此如根据市场需要，在特殊情况下必须超过这一比例继续加高机床，则需要采取其他措施削弱机床床鞍的“偏摆效应”。

4 结论

通过对机床导轨变形情况的分析，得出机床床身导轨跨距、机床中心高对机床车削精度的影响趋势。通过这种趋势分析，在实际产品开发中可以对机床总体方案布局进行更合理的优化，同时在具体的图纸设计及精度检测过程中，可对床身基础的部分关键精度进行有针对性的控制，更好地制造出高精度的产品。需要说明的是，虽然此次分析针对的是矩形导轨机床，但是针对轻型的“山－平”导轨车床，此分析结论仍然适用。

［1］陈心昭.现代实用机床设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［2］戴曙.金属切削机床［M］.北京:机械工业出版社，1999.

［3］赵宝林.卧式车床床身导轨的直线性对加工件的影响［J］.中原工学院学报，2005(3):76 －78.