摘要: 龙门镗铣床的床身X 轴与横梁Y 轴垂直度误差是其坐标垂直度误差的主要方面。对其影响因素进行分析后发现横梁导轨的不均匀磨损会增大横梁导轨的直线度和上下导轨的平行度误差，从而严重影响镗铣床坐标垂直度误差。为防止此种情况产生，从横梁的结构和装配工艺两方面对其进行研究。发现横梁的不等高导轨结构可防止不均匀磨损使上下导轨受力均匀，通过有限元仿真分析得到了横梁导轨安装基面的最佳高度差。对实际装配工艺产生的垂直度误差进行计算，发现装配工艺可能导致机床坐标垂直度误差超差，降低导轨寿命。最后给出了改进建议。
 
      关键词: 龙门镗铣床; 有限元分析; 垂直度误差; 装配工艺
 
      龙门镗铣床具有高精度特性，在加工结构复杂的模具、板盘、箱体及凸轮等各类工件中发挥着重大作用。但是当其重要支撑部件横梁导轨与床身导轨的垂直度误差超过设计精度时，就会使得零件的轮廓误差和位置误差都超差，大大降低加工工件的质量，因此需要对其进行修正。从现有研究来看，陈安［1］等对数控机床的垂直度误差影响的孔位误差、直线和圆弧误差进行了数值分析并提出了软件补偿的方案，但没有讨论横梁导轨对垂直度误差的影响; 张森［2］等对龙门加工中心的横梁结构进行了优化设计，得到了一种总位移变形量最小的结构形式，但未对垂直度误差问题进行研究。现有研究中未见对横梁导轨对龙门式镗铣床垂直度误差的影响问题进行探讨的报道。
 
      龙门镗铣床装配过程中容易出现工艺不当的问题，随着使用时间的增长，其主要支撑部件由于磨损、自身重力变形、撞击变形等因素会导致机床运动几何精度降低，各部件之间的位置关系容易发生变化，最终使得机床运动几何误差增大［3］。经现场测量某型龙门式加工中心发现，横梁Y 轴与床身X 轴形成水平XY 面内的垂直度误差是其垂直度误差的主要方面，因此需要对其影响因素进行研究。本文通过对龙门镗铣床坐标垂直度误差的影响因素进行分析，发现横梁导轨的不均匀磨损会使Y 轴直线度无法保证，容易导致机床垂直度误差超差，所以对围绕导轨不均匀磨损的两大原因即横梁导轨的结构和现场装配工艺进行研究。
 
     1、 横梁影响机床坐标垂直度误差
   
     龙门镗铣床在加工过程中，各轴的垂直度误差都经过测试，欲满足机床的设计精度，就需要进行修正，影响垂直度误差的因素主要是各配合部分的移动［1］。作为机床最核心的关键性部件，经过长时间的振动和受力，龙门经常会发生偏移，横梁导轨的Y 轴和床身X轴之间垂直度误差就这样产生了。具体龙门镗铣床结构见图1。
 
    
  
     在实际的装配工艺中，在安装拖板时，是由吊车吊至导轨处，慢慢往下放，如果看见拖板上滑块定位面与滑块间没有间隙时，就按照对角拧紧的方式拧紧螺钉，检查时，拖板定位面与滑块侧面要求0． 03 mm 塞尺不入。在此过程中，如果吊车多往下放1 mm( 这是完全有可能的) ，就会使得拖板的重量全部由拖板上的定位面作用在下滑块上的情况，使得下导轨承受绝大部分力的情况。这样拖板的重力变形会引起Y 轴导轨直线度误差超差进而产生垂直度误差。国产某型龙门机床横梁上使用的是日本THK 公司的导轨，根据保守估计可以使用10 年以上，导轨的磨损量很小。但是，由于结构设计时未进行仿真分析，装配工艺又易出现上述问题都会导致导轨的磨损量过大，使导轨的直线度、上下导轨的平行度等都达不到设计所给出的要求，最后都会导致机床的垂直度误差无法保证。由此分析，横梁导轨的实际磨损量可能严重影响龙门镗铣床的垂直度误差，因此需要对其结构和实际的装配工艺进行研究。
 
      2 、导轨安装面不等高的横梁结构
 
      国产某型龙门镗铣床的导轨安装面不等高结构比等高导轨安装面的受力情况好得多［4］，结构如图2 所示是仿效国外的机床结构，没有进行过有限元仿真分析，导轨安装面相差多高可以使上下导轨受力均匀也未进行过仿真分析，只是根据经验。下面从直线导轨的均匀受力出发，研究导轨安装面的高度差与直线导轨受力的关系。
  
  
       
  
      2． 1 有限元建模
   
      国产的某型龙门镗铣床由横梁、工作台、床身、拖板等主要零部件组成。由于龙门镗铣床几何结构复杂，在进行有限元建模时，应该忽略所有细微复杂的几何因素，只考虑一些起主导作用的因素来建立整机的简化模型［5］。采用Pro /E 对其进行三维建模后，导入ANSYS 进行有限元静力学分析。设置机床的材料属性，其中立柱的材料为HT250，杨氏模量为1． 2 × 105MPa，密度为7 210 kg /m3，泊松比0． 22; 横梁等其他大件用Q235A，杨氏模量为2． 1 × 105 MPa，密度为7 860kg /m3，泊松比0． 3。进行网格划分时，采用SOLID 45单元［5］对实体进行网格划分，在结合面处用自由度完全耦合［6］的方法将立柱、横梁和拖板等部件进行装配可得到用于静力学仿真的有限元模型见图3。
  
  
    
  
  
      2． 2 横梁导轨的不等高结构
 
     选取龙门镗铣床工况最恶劣的状态即将拖板置于横梁正中央位置后针对导轨安装面高度的不同差值对镗铣床进行静力学分析，即计算机床在重力作用下的变形情况。得到导轨安装面高度差0 mm，40mm，70 mm，75 mm，80mm，130 mm 处Z 向( 和导轨面垂直方向) 的上下导轨平均受力表1 以及其比值图4。图5 为仿真分析得出的在导轨安装面高度差为75 mm 时Z 向的受力。
    
      

    
  
                           表1 上下导轨平均受力对比表
    

     
   
     图4 为上下导轨以及滑块上滚珠处的受力比值曲线。由图可以看出，在高度差为75 mm 前，上导轨滑块滚珠处的受力大于下导轨滑块滚珠处的受力; 75mm 后正好相反。因此，从上下导轨受力均匀考虑，上下导轨安装面的高度差应该选为75 mm，与仿照国外经验设计给出的75 mm 正好符合。由此说明横梁导轨安装基面的高度差为75 mm 时，可使得横梁导轨上下受力均匀，从而使得上下导轨的磨损均匀，实现横梁导轨的等寿命设计。横梁导轨的均匀磨损可以保证Y轴的直线度，减小龙门镗铣床X /Y 轴垂直度误差。
 
     3 、装配工艺对导轨磨损的影响

     之前已经分析过，拖板由吊车吊至导轨滑块上，并拧紧螺钉的过程中，拖板绝大部分力很可能由拖板的定位面直接作用于下导轨滑块上，从而使下导轨滑块承受绝大部分力的情况。
  
    
  
     图6 为拖板上的定位面与滑块结合处的结构简图。针对此种情况的机床重力进行有限元静力学仿真分析，得到图7。由图看出下导轨滑块上滚珠处的受力由原来的0．81 MPa 变为现在的12． 7 MPa，下导轨滑块中滚珠的磨损量也大大增加。下导轨的平均受力为0． 8 MPa，相比滑块上滚珠处的受力是很小的，所以不计其磨损。
  
    

    
    
    
  
     将国产某型龙门式镗铣床的手册中相关数据代入式( 1) ，得到一年后的磨损量为11． 3 μm。说明现场装配工艺使得下导轨承受绝大部分力，下导轨受力比较严重，可能导致一年后的磨损量为11． 3 μm，由此带来
  
     
  
     即7． 99 μm，装配工艺要求X /Y 轴的垂直度为0． 03mm( 全长) ，说明现场装配工艺产生的垂直度误差按照现有工艺估算只能大约用3 年半左右就需要更换导轨。这与预先保守估计的导轨寿命10 年以上有较大出入。因此，针对装配工艺产生的垂直度误差超差情况，可采取以下方案进行改进:
 
     ( 1) 可以使下导轨采用比较耐磨、精度比较高的直线导轨，上导轨采用精度差一点，耐磨性也差一点，价格比较便宜的导轨。这样，既能保证上下导轨等寿命设计，提高Y 轴导轨的直线度，保证X /Y 轴垂直度不超差，又能降低导轨的成本，实现经济性的要求。( 2) 零件如横梁的加工工艺应该考虑其本身自重对其原有工艺的影响; 对于导轨的安装基面( 含床身、横梁) 应考虑添加“刮研”工艺。( 3) 在调整好X /Y 轴垂直度之后，在拧紧立柱地脚螺栓时，靠近横梁一侧的垫铁稍顶高一些，要根据横梁及其拖板的重力来确定这个顶高量; 再调整横梁等高和水平，如不符合要求( 少量) ，应该加修或者刮研，不应该强制调整垫铁。
 
      4 、结语
   
     龙门镗铣床的横梁是其重要的核心部件，横梁导轨不均匀性的磨损会直接影响其直线度和上下导轨的平行度误差，其所在的Y 轴在X/Y 平面内的直线度无法保证就会导致拖板在Y 轴上移动的时候，X/Y 轴不垂直即垂直度误差超差。为保证机床X/Y 轴垂直度，从横梁导轨安装面的不等高结构以及实际的装配工艺两方面展开对垂直度影响的分析。先分析了不等高导轨安装面上下导轨的受力情况，从而得出不等高导轨与等高导轨安装面相比具有上下导轨受力均匀的优点，同时得到了横梁导轨安装基面的最佳高度差; 再对装配工艺导致下导轨主要承受拖板重力的情况进行分析后发现这种情况会导致机床坐标轴垂直度误差增大，大大降低横梁导轨的寿命。最后提出了具体的改进建议。