龙门结构五轴机床静刚度影响因素分析

王志国

（沈阳机床股份有限公司，沈阳 110142）

0 引言

随着数控机床的发展，越来越多的龙门五轴立式加工中心应用于加工阀体、薄壁类、壳体类、复杂曲面的加工，龙门五轴立式加工中心是航空航天、军工、模具等国家核心领域的重要加工装备。机床的静刚度是在静载荷作用下，固定方向上抑制由于外力作用引起受力部件产生相对位移变化的能力，是提高机床精度保持性和加工精度的重要因素，也是机床最重要的性能指标之一。机床的静态变形会影响机床的生产率、抗振性、噪声、工作寿命、运动平衡性、发热和磨损等。因此，机床整体设计及关键部件要进行有限元分析和相应的实验测试，寻找影响静刚度的薄弱环节，进行优化改进产品，从而提高机床的静刚度[1-5]。

1 龙门结构五轴机床静刚度模型

龙门结构五轴机床，整机采用龙门动梁式结构，左、右立柱进行支撑，横梁在立柱上进行前、后移动，形成Y轴；滑板在横梁上进行左、右移动，形成X轴；主轴箱在滑板上进行上、下移动，形成Z轴，此结构机床采用对称结构设计、重心驱动原理设计完成。机床的静刚度不能单由某个零件的刚度来评价，而是由整机抵抗切削力变形的能力。经过以前测试经验，本结构机床形变较大位置多产生于主轴悬垂附近，故对主轴与滑板进行分析和测试。

实际加工中，切削力可以分成Fx、Fy、Fz三个方向，使刀具、夹头、主轴及滑板产生微小的变形，从而导致机床精度的下降和表面质量的恶化。要提高机床的加工精度和加工效率，就需要充分认识静刚度的影响。

静刚度可以通过测试实验直接获得，静刚度的计算方法有：1）利用施加载荷的大小和结构变形量的关系，采用逐差法和最小二乘法对试验数据结果进行处理；2）采用施加载荷的大小与结构变形量近似线性的关系进行运算，得到主轴径向或者轴向的静刚度。本文采用后者方法对机床静刚度进行分析和讨论[6-8]。

本文探讨的静刚度分析采用变形量与加载力值，依据如下公式的方法算得：

式中：Fx、Fy、Fz为施加在各方向的载荷；Dx、Dy、Dz为相应方向载荷下的变形量；kx、ky、kz为对应方向的静刚度。

2 静刚度有限元分析

对公司内部某款龙门结构五轴机床采用ANSYS Workbench分析软件进行有限元静刚度分析。首先对分析模型进行简化，安装主轴箱导轨，滑块固定在滑板上，简化丝杠、丝母、轴承。其次，由于进口主轴内部结构及阻尼无法确认，查询主轴静刚度大于机床本身静刚度，故把主轴设置成刚性体。对固定部件采用Bonded约束，移动部件施加No Separation约束。模拟实际测试情况，主轴前端装夹测试棒，由测试棒承受各方向载荷进行分析，图1（a）、图1（b）、图1（c）分别为X、Y、Z方向受力。网格采用自动化分方式，单元格大小采用20 mm，如图1（d）所示。

图1 静刚度加载及划分网格

载荷加载于测试棒端头，分别测试X轴、Y轴和Z轴的变形情况，载荷由0～2000 N，每500 N加载计算一次，获得的各轴变形如表1所示。

表1 各轴载荷与变形

经公式（1）所得X轴理论静刚度为

图2为主轴及滑板系统在2000 N载荷时的各轴向变形和应力分布云图，从图2（a）、图2（c）、图2（e）变形云图可以看出，变形最大位置发生在受载荷作用点同侧，系统最低点。各轴应变多发生于主轴箱丝母座附近或滑板与主轴箱两下滑块连接处，如图2（b）、图2（d）、图2（f）所示。

图2 各轴变形云图与应变云图

3 静刚度试验测试

3.1 静刚度测试试验方案原理

本测试方案采用应变测力仪对主轴上的测试棒进行加载测试。施力大小采用等数值进行加载，每50 kg进行一次加载测试，从0～200 kg进行加载测试，然后从200 kg进行卸载，仍然采用每50 kg载荷进行卸载，记录表针数值。分别对X、Y、Z三个方向进行加载和卸载试验测试。千分表的磁力表座固定在机床工作台的适当位置，分别记录每次数值。记录加载质量（kg）与变形量（μm）的数值。

3.2 试验过程及试验结果

图3 测试原理图

图4 测试示意图

试验采用的测试仪器主要包括YQ-30应变式力传感器、工装支架、磁性表座、千分表、测试棒等。试验方法以X轴测试为例，其余Y轴和Z轴静应力测试与X轴静应力测试相似，不再赘述。将YQ-30应变式传感器通电，用于测试加载力的大小，工装支架固定于机床工作台中心靠左侧，主轴装夹测试棒，移动主轴使测试棒距工装支架一定距离，便于应变传感器的载荷加载，磁性表座安装千分表，然后吸附在工作台中心靠右一侧，表针顶在主轴侧面，千分表指针调零。对应变传感器分别加载50、100、150、200 kg的载荷，接下来进行150、100、50、0 kg卸载，记录千分表的数值。按照前面讲述式（1）～式（3）进行静刚度计算。机床X向变形量如表2所示，Y向变形量如表3所示，Z向变形量如表4所示。

表2 机床X向预加载荷及主轴X向变形量

表3 机床Y向预加载荷及主轴Y向变形量

表4 机床Z向预加载荷及主轴Z向变形量

通过式（1）可得X向静刚度为42.9 N/μm。

通过式（2）可得Y向静刚度为142.4 N/μm。

通过式（3）可得Z向静刚度为149.2 N/μm。

4 结语

本文所述同轴度检测方法经过大量装配试验，得出以下结论：

1）从试验数据与理论分析可以看出Y轴与Z轴刚度结果基本相符，但X轴测试数据与理论分析相差较多，这主要是因为理论计算结果没有考虑实际装配中每个部件间的实际接触刚度，并且在X轴方向受阻尼影响较多所致，而Y轴和Z轴受阻尼影响的较小，导致测试试验数据与理论数据差值较大。另外，由于加载时间间隔较短，导致弹性变形恢复不完全，也会导致实际刚度偏低。

2）从X轴、Y轴和Z轴的静刚度理论分析与实际测试中均可以看出，受力方向与变形方向一致，出现在受力点附近。

3）机床零件间相互接触面的接触刚度，对机床整机静刚度影响较大，而装配中要充分考虑接触面的接触率，可有效提高机床的整机性能与静刚度。而实际测试也发现X轴静刚度主要取决于主轴箱4个滑块与滑板的连接，X轴方向受力取决于滑板滑块刮研面与滑块的接触率，提高接触率可有效提高接触刚度，提升X轴方向静刚度。而Y轴及Z轴静刚度均有平面进行支撑，故静刚度值较大。

4）试验得到卸载时静刚度大于加载时静刚度，这主要是零件变形、接触刚度、零件间摩擦作用等原因，导致卸载时弹性恢复缓慢，出现迟滞现象。

5）实际试验中也会不可避免受到人为因素、实验器材和环境的影响，导致结果出现偏差。