高精度桥式五轴加工中心横梁仿形工艺技术
2023-5-4 来源： 通用技术集团沈阳机床有限责任公司 作者：尚 红 赵普金
摘要 : 现代航空航天等行业对零件精度和质量要求较高，需要加工机床具备高精度、高可靠性和精度保持性。国产设备在高精度和可靠性方面与国外先进技术水平还有一定差距，在航空航天等领域国产设备占有率低，在关键核心技术上还有许多 “卡脖子” 问题急需解决。高精度桥式五轴加工中心主要用于飞机部件骨架表面铣削、钻削加工与装配制孔。其加工能力强，尺寸规格大，定位精度高，兼容高效切削，机床具有五轴联动功能。对机床的关键部件大型横梁导轨直线度仿形加工、装配、测量技术研究，是此类机床精度保持性的核心制造技术之一。本文通过对横梁加工、装配及检测精度的制造工艺技术的实践与总结，详述大型横梁的仿形加工及装配工艺过程。
一、依据有限元分析绘出横梁导轨受力变形曲线
高精度桥式五轴加工中心因横梁两端由桥梁、滑座双支撑横跨工作台的结构特点，中间悬挂滑板、滑枕和五轴头等部件，导致横梁导轨除受自身重力外，还需承载较大的重力及倾覆力矩，实际装配挂梁后由于重力及倾覆力矩作用横梁产生塌腰现象。
1.Ansys静力分析
以装配体的形式建立横梁三维模型，通过有限元对横梁静、动态性能进行分析，依据横梁振动相对变形的振型和幅值，以及机床的工作环境和机床设计的结构力学理论，提出横梁结构及加工的改进建议，从而对横梁进行仿形加工。
建立横梁装配体三维模型，以 X 方向为垂直于横梁向内、Y 方向为平行于横梁向左、Z 方向为垂直于横梁向上为正。依据有限元分析，设计大型横梁 1# 上导轨大面、2# 上导轨立面、3#下导轨大面、4# 下导轨立面仿形曲线图（见图 1）。
图 1 横梁导轨面示意图
2.横梁导轨仿形曲线
装配状态下横梁仅受重力作用，由于受自身重力及悬挂滑板、滑枕等部件的重力导致变形，横梁上下两条直线导轨面中间部位变形最大，最大位置为横梁中间上端部分 , 变形趋势主要为横梁中间部分下沉和绕 Y 方向扭转。横梁受重力和切削力共同作用，受 X/Y/Z 方向切削力情况下的整体和分方向静力变形，最大位置均为横梁中间上端，其中受 X 方向切削力变形明显，主要是因为中部上端受切削力后扭转增大 ; 受 Y 方向切削力变形不大 ; 受 Z 方向切削力变形中部上端变化明显。横梁的最大变形量发生在滑板移动到横梁中间，滑枕移到下极限位置时。加工工艺根据其变形曲线仿形加工，减少滑板、滑枕在横梁上移动时产生的直线度误差。横梁导轨受力变形量仿形曲线图（见图 2）。
图 2 横梁导轨仿形曲线图
二、横梁仿形加工
从横梁材料硬度、热处理、加工、装配及检测精度入手，通过横梁加工及装配过程直线度等精度检测数据分析，找出横梁导轨面加工曲线及工艺方法满足装配精度要求。
1. 材料及热处理
高精度桥式五轴加工中心大型横梁材料为焊接低合金结构钢 16Mn，零件轮廓尺寸长 × 宽 ×高为 10460×1815×1580mm，净重 25.5 吨，标准材料 16Mn 钢材厚度大于 50~100mm 方，抗拉强度 Rm 为 470~620N/mm2。根据硬度抗拉强度对照表德国标准 DIN50150 查得布氏硬度为143~185HBW。
大型零件材料为焊接件的由于焊接引起焊件不均匀的温度分布，焊缝金属的热胀冷缩等因造成焊接残余应力，零件在机加工之后其内部易残存应力，所有这些内应力都必须消除。消除残余应力最通用的方法是去应力退火，即将零件放在热处理炉内加热到一定温度 (Ac1 以下 ) 和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低。焊接件去应力退火加热温度为 500~550℃，保温时间为 2~4h，炉冷至 300℃以下出炉空冷，消除加工应力退火加热温度为 400~550℃，保温时间为 2~4h，炉冷或空冷。横梁去应力退火对零件精度保持有重要作用，零件质量稳定性较好，因此大型横梁应二次以上去应力热处理即毛坯焊接
后及粗加工后去应力退火。
依据标准并结合实际应用绘出热处理温度 -时间工艺曲线图（见图 3）。热处理工艺规程 :大型焊接横梁装炉底部垫平，入炉温度不大于300℃，加热升温速度不大于 100℃ /h，加热至500~550℃保持温度 4h，后随炉冷却至 300℃以下，出炉空冷。
2. 横梁加工工艺
大型横梁加工工艺流程 : 毛坯（ 焊接16Mn）- 毛坯去应力退火 - 划 - 粗铣 - 时效处理（二次去应力退火）- 半精铣（放置 48h）-精铣（仿形加工）- 摇钻 - 钳序（清理）- 油漆。大型横梁在加工前应划线，照顾支撑面及直线导轨面壁厚均匀，回字内腔壁厚均匀且成矩形。粗铣选用大型龙门铣床，用可调垫铁，以导轨面为粗加工基准，铣背面做为导轨面粗铣加工基准面，粗铣序横梁直线导轨向上，铣出导轨形状，去除机械加工余量，提前发现毛坯缺陷等。横梁粗加工后要进行二次时效，去除残余应力退火。半精铣选择大型数控龙门镗铣床，为避免大型横梁吊装、翻转产生变形，大型横梁应在此序以装配状态加工，以导轨面为装置面，精铣横梁支撑面做装置面，除直线导轨、光栅尺、齿条基准面
留量外，其余防护、管路及电气元件等结合面、螺纹孔均加工完成，保证零件相关尺寸精度。
图 3 温度 - 时间工艺曲线图
关键工序精铣序，选择精密龙门五面加工中心，先以导轨面为装置面，精铣横梁支撑面做装置面，保证支撑面平面度不大于 0.05mm。再以装配状态支撑面为装置面，将四块垫铁按横梁支撑面内侧基面位置固定于方箱座上，自铣垫铁钞平，横梁放置于四块钞平垫铁上，按导轨大面找正 0.02mm，检测各垫铁与横梁支撑基面间是否有缝隙，将 4 个 0.1mm 等厚铜皮放于垫铁上，横梁落下后，抽动铜皮不动，可以进行加工（见图 4）。用直角头精铣齿条安装正、侧面，检测正面和侧面直线度，通过数据曲线分析机床实际精度。按设计仿形曲线图及机床实际精度综合修正值编程，按程序再次加工齿条安装正、侧面验证曲线，加工后检测。检测直线度与导轨设计仿形曲线一致后，仿形加工上下导轨大面、立面，同时精铣齿条面、光栅尺面等安装基面，精铣时压板松开不夹紧。
图 4 横梁加工示意图
大型横梁精加工设备采用沈阳机床自制的龙门桥式五轴加工中心 GMC50200u， 用A/C 五轴头（刀柄 HSK-A63）直角定位精铣仿形曲线，设备精度具备 X/Y/Z 定位精度0.02/0.015/0.01mm,重复定位精度0.008mm。加工刀具 : 大面精铣用方肩面铣刀 Φ63（Z=5），立面精铣整体硬质合金立铣刀 Φ20（Z=3），液压夹紧刀柄，切削参数均为转速 S=1000r/min, 进给 F=285mm/min。
三、横梁装配
高精度桥式五轴加工中心与横梁相关的几何精度有:G3 项Y轴轴线运动的直线度 : ① 在YZ 垂直平面内 ; ② 在XY水平平面内允差值 :0.014/1000mm;0.035/7000mm。G4项Y轴移动的角度偏差 : ① 在 YZ垂直平面内 ( 俯 仰 ); ② 在 XZ 垂直平面内（倾斜）; ③在 XY 水平面内（偏摆）允差值：0.015/1000mm;0.04/7000mm。
1. 横梁装配工艺
横梁装配工艺流程 : 横梁精加工后入装配 -单件直线度检测 - 线轨装配 -- 安装线轨后直线度检测 - 齿条装配 - 光栅尺装配 -Y 轴驱动装配 -安装液压管路 - 电气接线 - 安装行程开关确定 Y轴行程 -Y 轴总装直线度检测（加修或刮研调整）-角度偏差检测（加修或刮研调整）- 防护安装。通常，龙门式数控机床为保证装配后的 Y 轴运动的直线度，工艺方法根据设计变形曲线图进行仿形加工，但因设备精度、环境温度、材料硬度等诸多因素影响，实际铣削仿形曲线往往会随之发生变化。横梁精加工后转部装，为减少环境温度偏差造成的直线度误差，横梁进部装在安装直线导轨前、后应复检导轨正、侧向直线度，对于直线导轨横梁部装检测有两种姿态即平放或立放检测。平放即直线导轨大面向上，用自准直仪检测
直线度，根据直线度计算软件得出上下导轨正、侧向曲线值，应用于小型批量型龙门式数控镗铣床横梁。大型横梁采用立放即装配状态，用激光校准仪检测导轨直线度，检测数值与设计曲线值对比，不合格转加工车间加修，合格转总装挂箱检测。
总装挂箱后实测 Y 轴移动直线度，滑枕处于最下端，用激光校准仪通过专用支板具与滑枕结合置于滑枕上，200mm 步长采数，分别得出 YZ垂直平面内正向直线度，XY 水平平面内侧向直线度。用电子水平仪置于与滑枕连接支架具上，500mm 步长采数，移动滑板 Y 轴由负向正，得ZX 垂直面内角偏和 YZ 垂直面内角偏。用自准直仪移动滑板 Y 轴由负向正，得在 XY 水平面内角偏。通过总装挂箱后实测 Y 轴运动直线度及角度偏差，分析直线度及角度偏差是否满足几何精度允差值，如与要求不符合装配分析直线度及角偏数值及曲线图形，计算实际曲线修正值并编制程序加修，或装配采取刮研方法，达到整机几何精度的验收要求。
2. 横梁装配刮研
横梁在总装精度检测后为减少其加修过程中的变形，装配采取刮研方法进行精度调整。高精度桥式五轴加工中心大型横梁直线导轨呈对称式设计，依据仿形曲线并结合实际，装配仿形曲线导轨直线度检测精度在 YZ 垂直面内下导轨大面直线度为 0.01~0.02mm，导轨中部凹，上导轨大面直线度为 0.025~0.03mm，导轨中部凹。在 XY 水平面内上、下导轨立面直线度为0.1~0.13mm，导轨中部上凹下凸，上下导轨平行度 0.02mm。仿形加工后，部装安装直线导轨，用电子水平仪检测导轨直线度，对比理论曲线 : │实测值 - 理论值│≤ 50μm，导轨直线度基本符合设计曲线允差范围。总装挂箱并安装五轴头后Y 轴移动用激光校准仪检测导轨直线度及用电子水平仪检测角偏，装配记录检测数值并分析。为减少横梁反修周转变形，装配采用刮研横梁上下导轨大面及立面方法，使用电动或手动刮刀，通过刮研导轨大面和立面，提高 Y 轴移动的直线度及角偏精度。刮研方法，刮研前根据总装检测数值及图形，先确定刮研位置及范围、刮研量、刮研次数。按 200mm 一段划线做好标记，导轨面刮研应边刮研边检测，每次刮研严格控制刮研量，不许刮过量，每刮一次需用专用研具检验接触率 ,当刮研直线导轨两端时，假导轨面也需要刮研，保证假导轨与导轨对接处平整，不能出现台阶。刮研完成后，安装直线导轨检验几何精度，若不合，再一次进行刮研，直至合格为止。
四、横梁直线度检测方法
导轨直线度现有四种检测方法 : 平尺拉表法、自准直仪（平行光管）、水平仪、激光校准仪。平尺拉表法因为受平尺长度影响，只能检测横梁局部的直线度，所以不采用。一般情况下，横梁直线度检测用自准直仪，通过专用桥板长200mm 置于直线导轨大面及立面上，检测平数随导轨长度增加而增多，记录数据后通过输入计算机直线度计算程序软件，生成图形曲线。框式水平仪一般用于调整横梁水平，因检测直线度效率低及读数误差大，现已很少使用。大型横梁直线度检测，为提高检测精度及检测效率购置高精度的电子水平仪、激光校准仪、直线度镜组，并根据检测方法设计专用的滑块连接板、平行检具、等高块等。电子水平仪因无读数误差、数据可传输、可通过软件计算生成曲线图，操作简单等优
点，为工艺方法广泛推广使用。
五、结束语
通过对大型横梁仿形加工及装配的实践，提出横梁设计及工艺优化的建议。
（1）横梁结构直线导轨应采用上下导轨侧基准在下导轨形状平移式分布，不应如床身直线导轨形状对称式分布（见图 5）。优点在于 : ①侧基准在下可作为直线导轨的支撑面，通过预变形仿形加工凸形补偿导轨因重力塌腰 ; ②平移式侧基准面因中凸式仿形加工，立铣刀为切出式切削，切削力小，切削精度及效率高，相反如果对称式分布其中一条侧基准为切入式吃刀，切削力变大，切削精度受影响 ; ③平移式侧基准对于大型横梁立式装配有利。大型横梁为避免吊装、翻转的变形，部装采用装配状态安装直线导轨、齿条、光栅尺，直线导轨侧压块安装方便且侧顶力均匀。相反如果对称式分布其中一条侧基准在上，导轨仿形为凹形，侧压块在锁紧固定时，需要较大的力，导致直线导轨侧基准因受力不均而变形，影响装配精度。④平移式侧基准对于装配刮研有力。因侧基准为平行中凸，装配刮研只刮高点，操作相对容易且准确快捷。而对称式分布两条侧基准仿形为上凹下凸式，凹面刮研量大且困难。
图 5 横梁直线导轨分布
（2）大型横梁超重超大，因结构优化横梁外观差别较大。铸件横梁上下导轨阶梯平移式布局、焊接横梁背板整板煨弯式设计、大型焊接横梁回字腔整板筋加强型设计等，大型横梁因吊装翻转困难且容易变形，建议横梁半精加工、精加工按装配状态自然装夹，保持加工及装配基准统一。
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