床身导轨变形误差补偿的可行性分析

摘  要：通过对床身生产制造过程中误差产生原因的分析，建立床身导轨变形的理论曲线，为人为干涉控制床身的预应力、变形量来减小误差提供理论依据，达到对床身导轨变形误差进行修正的目的;同时在床身加工整个工艺系统中合理调整工艺参数，充分发挥自位补偿功能和形位补偿功能，适当减少或消除床身在生产制造过程中的误差，满足床身导轨的图纸要求，从而保证车床整机质量要求。

关键词：制造误差;理论曲线;形位补偿

0    引言

对于车床床身来说，由于本身结构的特殊性，在生产制造过程中对于工件的变形难以控制，相应地，在床身的整个工艺系统中会产生导轨变形误差。怎样解决床身变形误差问题？本文结合CW61100E床身实际生产制造过程对导轨变形特性进行了一些定性的分析，探讨了通过不同方式的补偿消除所产生的误差，提高和保证床身的整体精度要求。

1    床身制造工艺过程中产生的误差

1.1    床身切削加工过程中产生的变形误差

床身加工是在刨床、刀具、工装卡具夹具共同组成的工艺系统内基于床身与刀具之间的相互作用来完成的机械加工。图1所示为床身在刨床上的加工过程，当刨床以一定的切削速度V对床身进行刨削时，由于刨刀存在刀尖圆角半径，其刨削过程中的背吃刀量a中有一部分切削层厚度为h1的切削层是从刀尖原点Y挤压完成的，使之成为了刨削加工的一部分，当该部分到达刀尖原点最低点U点时受到机床切削力的影响而产生一段V的挤压和摩擦，从而使床身加工表面产生相应的剪切应力，导致床身导轨面的塑性变形，刨削过后导轨加工表面由于其材料的特性而弹性变形恢复，在已加工的导轨面上形成了厚度为h2的金属层。因此，在整个床身加工过程中，在刨刀的强烈挤压形成的正压力与摩擦力的作用下，加工导轨表面会产生比较大的塑性变形和温度场，从而在床身加工表面形成了不均匀应力场，对于床身来说产生较大的加工残余应力，影响了床身的整体加工精度。

1.2    床身热处理淬火过程中导轨变形产生的误差

在目前的床身制造过程中，热处理导轨变形一直是困扰公司的一大难题，其对于床身的单件质量、机床整机质量以及使用寿命和生产成本都造成了比较大的影响。因此，研究床身导轨弯曲变形对于提高公司的产品质量很有必要。为便于研究，以公司CW61100E/5 m床身为例，将淬火完之后的床身在磨削前用千分表以500 mm長为一测量点进行拉表，如图2所示，测出5 m床身整体的导轨实际变形量，然后根据实际测量值画出导轨实际变形曲线，如图3所示。

可设定床身导轨变形是在导轨有效长度内的载荷造成的，这一载荷就是床身导轨在淬火过程中产生的热应力，在不考虑其他因素影响的条件下，可以将这一载荷设定为均匀分布在导轨上的载荷，床身可以简化为受均布载荷的简支梁。假设导轨长度为L，高度为H，如图4所示。

按照床身导轨的弯曲变形曲线，可以利用悬链线理论建立的数学模型对其进行计算比较。在如图4所示的坐标系中，设抛物线的焦距为p，床身导轨热变形最大上拱量为h，可得抛物线方程为x2=-2py，当x=±L/2时，y=h，代入上式得p=l2/8h。因此，导轨热变形后抛物线的方程为x2=-y。这就得出了基于悬链线理论的床身导轨变形后数学模型。根据该数学模型可以确定床身导轨变形的理论曲线，从而为床身导轨变形的形位补偿提供理论基础。

2    床身导轨变形误差的修正与补偿

根据床身制造加工的工艺系统，在生产过程中需要得到床身导轨变形的理论修正曲线，按照之前得出的导轨变形的理论曲线方程x2=-y，为使导轨实际变形曲线最小，需要修正补偿的曲线方程无限接近于实际变形曲线，同时方向相反。据此，可以得出理论修正曲线方程为x2=y。

目前常用的方法是在粗加工阶段通过施加预应力提前进行床身导轨反变形来抵消床身导轨变形量，但是由于受到床身自身刚性以及加工母机工作台刚性等多方面影响，施加预应力F预

3    结语

在床身的整个加工工艺系统中，床身的导轨加工精度除了受加工误差和热处理工艺误差影响以外，还受加工机床应力误差、母机误差等影响。有一些可以通过工艺延伸提高加工精度，还有些可以通过改变工艺方法提高加工精度，对不可消除的导轨变形误差，需要制定专用的加工补偿方式来对加工误差进行补偿，从而调整床身导轨误差。只要对整个制造工艺系统制定合理的工艺路线和参数，充分发挥其补偿功能，就能有效减少甚至消除整个制造过程中床身导轨产生的误差，从而使床身导轨达到使用要求。

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收稿日期：2020-06-17

作者简介：汪旭东（1982—），男，甘肃天水人，工程师，研究方向：机械制造工艺。