龙门加工中心横梁导轨靠合面变形分析与补偿研究*

陈 燚 关开成 马永旺 张 扬 刘丽英 刘兴卓

（通用技术集团机床工程研究院有限公司，北京 100102）

近年来，随着风电、汽车制造和大型船舶加工等行业精益发展的需求，对关键大型件的加工精度要求愈发严苛，进而对机床的终端加工精度提出了更高的要求。

龙门加工中心因其工作行程长、刚性好等特点被广泛应用于大型部件的镗削、铣削加工中。但大部分龙门加工中心的横梁整体跨距大、质量重，在自重以及挂靠于横梁上的滑枕等移动部件的共同作用下易出现导轨靠合面凹陷等现象，进而导致靠合面直线度失真并影响加工中心终端加工精度[1-5]。

为有效解决大型机床Z向凹陷等问题，众多技术人员对横梁结构进行了各种探究。田亚峰等[6]基于“结构+功能”相似原理，选取乌龟壳作为仿生模本，提出一种纵横筋板与特征拱形相结合的新型横梁筋板设计方法，试验结果表明，布有新型筋板结构的横梁的可有效抵消由于重力等因素造成的变形，进而提高横梁的综合性能；张伯鹏等[7]在横梁内侧增设安装有3 组液压装置的辅助梁，通过液压设备平衡由重力等因素带来的导轨靠合面变位，有效提高机床的终端加工精度；李伯基等[8]通过减少横梁背部斜背式框架结构并增加方箱式结构的手段，修正横梁背部结构，依据方箱结构的整体占比建立多组试验方案，并基于有限元技术依次进行模拟计算获得最优值，最终设计出的横梁可有效抵抗重力变位，提高横梁力学性能。

1 导轨靠合面变形分析

横梁是龙门加工中心中受力最为集中也是最为复杂的部件之一：一方面，受横梁长跨距、大质量的影响，未施加切削载荷时，横梁导轨靠合面便已产生一定程度的Z向微形变；另一方面，当横梁加装移动功能部件后，叠加移动部件重力影响，挂靠移动部件的对应靠合面位置会出现更大的Z向形变，且当移动部件从横梁左极限位置滑移至右极限位置的过程中，对应滑移位置处的靠合面形变值也存在动态差异[9-11]。在机床结构设计时，不同的功能部件处于不同的空间位置，移动功能部件大多通过滑块挂靠在横梁导轨上，在其重力以及悬臂的共同作用下产生扭矩，该扭矩直接施加在横梁上，继而导致靠合面出现扭转变形。实际工作中，移动部件呈现图1 所示楔形的工作状态，挤压上下两导轨靠面呈楔状变形，如图2 所示。此外，机床对工件进行切削加工时，横梁还会受到切削载荷的影响，导致横梁出现另一复合变形，多源因素的共同影响造成横梁导轨靠合面复杂的力学变形，进而导致机床加工精度降低等诸多问题。

图1 横梁侧向视图

机床终端的精度受机床全链路误差累积影响，机床任一模块的精度提升均能传递到机床终端并提高工件加工后的整体质量，因此本文聚焦横梁导轨靠合面，仅考虑机床未施加切削载荷情形，在横梁工作区间内建立不同位置下的计算模型，模拟分析不同位置处的靠合面形变状态，对形变值进行综合处理并以此指导横梁导轨靠合面的实际加工，以期提高横梁Y向综合直线度精度，进而提升龙门加工中心的整机静态精度。

2 横梁有限元分析

2.1 横梁介绍

本文以图3 所示某重切龙门加工中心为例对横梁结构开展静态研究，该龙门加工中心横梁采用HT300 材料一体铸造成形，总长5 992 mm，其中Y轴全行程3 470 mm（工作行程2 600 mm+换刀行程870 mm），自身质量约为15.7 t，移动功能部件包含滑枕、滑板、Z轴驱动等，整体质量约为9 t。

图3 重切龙门加工中心

2.2 模型简化与网格划分

龙门加工中心整机模型结构繁杂，不仅包含众多结构简单的基础大件，同时也包括大量结构复杂的小功能部件以及台肩、倒角等辅助结构。此类复杂部件以及辅助结构除重力因素外，外形等因素对整体计算结果影响较小，但此类部件与结构的复杂外形会极大提高网格划分难度进而提升模拟计算难度。

基于此，为提高网格划分的精准度及速度，本文采取以下措施：①对电机、铣头、滑块等复杂的小功能部件进行同质量换算，修正为等质简化结构降低网格划分难度；②填充、消除整机中对横梁变形影响较小的各类孔隙、倒角、圆角、台肩结构如图4 所示，提高网格划分精度；③对横梁导轨靠合面如图5 所示等关键区域进行局部网格加密，以保证靠合面变形分析的准确性；④依据整机模型中不同结构的尺寸大小，布置合适的网格尺寸、网格密度以及网格类型进行划分，保证模拟计算的精度和效率；⑤对划分完后的网格进行检验，检查网格划分质量，同时进行网格无关性验证，保证模型计算结果的可信度。

图4 横梁局部特征

图5 横梁网格

2.3 接触设置与边界条件设定

横梁与左右立柱通过螺栓连接，移动部件借助滑块挂靠于导轨之上、导轨通过楔块挤压与导轨靠合面接触，各接触部件如图6 所示。为有效提高模拟计算结果的真实性，对各部件间的接触方式进行合理设置，横梁-立柱间采用绑定接触（bonded），导轨-滑块-移动部件间的接触较多，整体建立8 组组合，导轨-滑块组间采用摩擦接触（frictional），滑块-移动部件组间、楔块-导轨组间采用绑定接触（bonded），其余使用默认接触设置。

图6 不同接触部件

进行整机静态特性分析时，选择正确的边界条件也尤为重要。龙门加工中心的立柱除通过地脚螺栓与地面紧固外，同时又利用螺栓与床身螺接实现二次加固，因此在两立柱的底面与床身接触面处均施加固定约束，限制立柱接触面各个方向的自由度。此外本文不考虑施加切屑力时横梁的变形状态，所以仅对装配体施加了重力场。

2.4 试验方案建立

移动部件通过不断地移动空间位置实现对工件的精准加工，不同工作区域下的靠合面变形均存在差异，如图7 所示。为能获取工作行程内的靠合面综合形变，本文建立如下试验方案：①选取靠合面前端边线为计算X轴，机床实际Z轴为计算Y轴，机床实际X轴为计算Z轴建立计算坐标系，计算坐标系如图8 左下所示坐标系，实际坐标系如图1 右下所示；②选取靠面前端边线为监测指标，输出边线Y向形变数值；③选取横梁左右极限位置为试验计算区间如图7 所示，依次变动移动部件的空间位置，每次挪动间隔为s=100 mm，形成32 组试验方案，逐次进行模型仿真计算。

图7 移动部件不同工作位置处横梁变形

图8 横梁试验区间

3 导轨靠合面变形量补偿研究

3.1 补偿数据分析及处理

实际加工中，横梁导轨面多采用磨削处理，很难进行空间多向复杂曲线的处理，而模型计算得到的横梁导轨靠合面变形包含X、Y、Z这3 个方向的变形量，变形趋势复杂。基于可加工原则，提取对导轨靠合面变形影响最为明显的Z向（计算坐标系下的Y向）进行处理。将所有试验方案模拟计算得到形变曲线绘出，得到图9 所示综合形变曲线。横梁导轨靠合面变形数据处理过程中的难点问题在于将复杂的综合形变曲线转化为适合导轨靠合面加工的简单曲线。从横梁导轨面全局看，可将整个导轨面近似视为一条样条线，移动部件近似视为基点，移动部件不断变化在横梁上Y向上的位置，近似视为基点不断变换在曲线上位置。基于此，本文求取综合形变曲线的外包络线，将其近似视为导轨面的下凹样条线，以此作为指导横梁导轨靠合面仿形加工的加工曲线。

由图9 可知，上下两导轨靠面的变形呈倒一元二次函数形，最大Z向变形均在横梁中间部位，横梁上导轨靠合面的最大形变约为-0.052 mm，横梁下导轨面的最大形变约为-0.054 mm。

上文提出，横梁导轨靠合面的变形呈楔形状，为能有效填补楔形空间，抵消由于自重及移动部件重力带来的Z向凹陷。在试验设计中选取靠合面前端最大变形处边线为监测指标输出形变值，求取图9 中综合形变曲线外包络线并进行反曲操作，获得图10 所示仿形曲线图，将该曲线应用于横梁导轨靠合面加工中，在靠合面上加工出起拱面。有效平衡因重量等因素带来的靠合面Z向凹陷，进而提升横梁Y向综合直线度精度。

图10 仿形曲线

3.2 测试验证

为验证形变量补偿效果，横梁装配完成后，对其Y向综合直线度进行了检测，目前横梁Y向直线度检测方式如图11 所示。首先将工装用平尺安置于机床工作台上并对平尺上表面找平；然后调整滑枕的空间位置便于检测仪器的吸附安装，将检测仪器探头压于平尺上表面处，获得初始读数；最后利用数控系统控制移动部件Y向移动，持续获得整个工作行程内的仪表读数，记录并计算得出导轨靠合面综合直线度。

图11 横梁导轨Y 向直线度测量

选取计算模型中铣头模型上固定一点，输出全部计算试验方案内该点计算坐标系下的Y向值，计算获得模型仿真分析中的横梁综合直线度，以此值为横向参考值进行补偿效果比对。

对2 组数据进行综合处理并绘制得到图12 所示横梁Y向各点值，实际测量的横梁Y向综合直线度计算后约为0.02 mm，仿真计算得到的横梁导轨靠Y向综合直线度计算后约为0.043 mm，对比结果表明：经形变量补偿后的横梁Y向直线度精度得到很大程度提升。

图12 横梁Y 向各点值对比

4 结语

本文对某龙门加工中心横梁靠合面变形原因进行了综合分析，基于有限元方法，模拟计算得到了横梁不同工作位置处的导轨靠合面变形，通过对不同试验方案下数据的综合处理，拟合得到横梁导轨变形终曲线，依据模型分析结果优化导轨靠合面结构。现场测试结果表明：补偿后的龙门加工中心横梁Y向综合直线度精度得到明显提升。