高精度橋式五軸加工中心橫梁仿形工藝技術(shù)
2023-5-4 來(lái)源： 通用技術(shù)集團(tuán)沈陽(yáng)機(jī)床有限責(zé)任公司 作者：尚 紅 趙普金
摘要 : 現(xiàn)代航空航天等行業(yè)對(duì)零件精度和質(zhì)量要求較高，需要加工機(jī)床具備高精度、高可靠性和精度保持性。國(guó)產(chǎn)設(shè)備在高精度和可靠性方面與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平還有一定差距，在航空航天等領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)設(shè)備占有率低，在關(guān)鍵核心技術(shù)上還有許多 “卡脖子” 問(wèn)題急需解決。高精度橋式五軸加工中心主要用于飛機(jī)部件骨架表面銑削、鉆削加工與裝配制孔。其加工能力強(qiáng)，尺寸規(guī)格大，定位精度高，兼容高效切削，機(jī)床具有五軸聯(lián)動(dòng)功能。對(duì)機(jī)床的關(guān)鍵部件大型橫梁導(dǎo)軌直線度仿形加工、裝配、測(cè)量技術(shù)研究，是此類機(jī)床精度保持性的核心制造技術(shù)之一。本文通過(guò)對(duì)橫梁加工、裝配及檢測(cè)精度的制造工藝技術(shù)的實(shí)踐與總結(jié)，詳述大型橫梁的仿形加工及裝配工藝過(guò)程。
一、依據(jù)有限元分析繪出橫梁導(dǎo)軌受力變形曲線
高精度橋式五軸加工中心因橫梁兩端由橋梁、滑座雙支撐橫跨工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，中間懸掛滑板、滑枕和五軸頭等部件，導(dǎo)致橫梁導(dǎo)軌除受自身重力外，還需承載較大的重力及傾覆力矩，實(shí)際裝配掛梁后由于重力及傾覆力矩作用橫梁產(chǎn)生塌腰現(xiàn)象。
1.Ansys靜力分析
以裝配體的形式建立橫梁三維模型，通過(guò)有限元對(duì)橫梁靜、動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析，依據(jù)橫梁振動(dòng)相對(duì)變形的振型和幅值，以及機(jī)床的工作環(huán)境和機(jī)床設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，提出橫梁結(jié)構(gòu)及加工的改進(jìn)建議，從而對(duì)橫梁進(jìn)行仿形加工。
建立橫梁裝配體三維模型，以 X 方向?yàn)榇怪庇跈M梁向內(nèi)、Y 方向?yàn)槠叫杏跈M梁向左、Z 方向?yàn)榇怪庇跈M梁向上為正。依據(jù)有限元分析，設(shè)計(jì)大型橫梁 1# 上導(dǎo)軌大面、2# 上導(dǎo)軌立面、3#下導(dǎo)軌大面、4# 下導(dǎo)軌立面仿形曲線圖（見(jiàn)圖 1）。
圖 1 橫梁導(dǎo)軌面示意圖
2.橫梁導(dǎo)軌仿形曲線
裝配狀態(tài)下橫梁僅受重力作用，由于受自身重力及懸掛滑板、滑枕等部件的重力導(dǎo)致變形，橫梁上下兩條直線導(dǎo)軌面中間部位變形最大，最大位置為橫梁中間上端部分 , 變形趨勢(shì)主要為橫梁中間部分下沉和繞 Y 方向扭轉(zhuǎn)。橫梁受重力和切削力共同作用，受 X/Y/Z 方向切削力情況下的整體和分方向靜力變形，最大位置均為橫梁中間上端，其中受 X 方向切削力變形明顯，主要是因?yàn)橹胁可隙耸芮邢髁笈まD(zhuǎn)增大 ; 受 Y 方向切削力變形不大 ; 受 Z 方向切削力變形中部上端變化明顯。橫梁的最大變形量發(fā)生在滑板移動(dòng)到橫梁中間，滑枕移到下極限位置時(shí)。加工工藝根據(jù)其變形曲線仿形加工，減少滑板、滑枕在橫梁上移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的直線度誤差。橫梁導(dǎo)軌受力變形量仿形曲線圖（見(jiàn)圖 2）。
圖 2 橫梁導(dǎo)軌仿形曲線圖
二、橫梁仿形加工
從橫梁材料硬度、熱處理、加工、裝配及檢測(cè)精度入手，通過(guò)橫梁加工及裝配過(guò)程直線度等精度檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，找出橫梁導(dǎo)軌面加工曲線及工藝方法滿足裝配精度要求。
1. 材料及熱處理
高精度橋式五軸加工中心大型橫梁材料為焊接低合金結(jié)構(gòu)鋼 16Mn，零件輪廓尺寸長(zhǎng) × 寬 ×高為 10460×1815×1580mm，凈重 25.5 噸，標(biāo)準(zhǔn)材料 16Mn 鋼材厚度大于 50~100mm 方，抗拉強(qiáng)度 Rm 為 470~620N/mm2。根據(jù)硬度抗拉強(qiáng)度對(duì)照表德國(guó)標(biāo)準(zhǔn) DIN50150 查得布氏硬度為143~185HBW。
大型零件材料為焊接件的由于焊接引起焊件不均勻的溫度分布，焊縫金屬的熱脹冷縮等因造成焊接殘余應(yīng)力，零件在機(jī)加工之后其內(nèi)部易殘存應(yīng)力，所有這些內(nèi)應(yīng)力都必須消除。消除殘余應(yīng)力最通用的方法是去應(yīng)力退火，即將零件放在熱處理爐內(nèi)加熱到一定溫度 (Ac1 以下 ) 和保溫一定時(shí)間，利用材料在高溫下屈服極限的降低，使內(nèi)應(yīng)力高的地方產(chǎn)生塑性流動(dòng)，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加而使應(yīng)力降低。焊接件去應(yīng)力退火加熱溫度為 500~550℃，保溫時(shí)間為 2~4h，爐冷至 300℃以下出爐空冷，消除加工應(yīng)力退火加熱溫度為 400~550℃，保溫時(shí)間為 2~4h，爐冷或空冷。橫梁去應(yīng)力退火對(duì)零件精度保持有重要作用，零件質(zhì)量穩(wěn)定性較好，因此大型橫梁應(yīng)二次以上去應(yīng)力熱處理即毛坯焊接
后及粗加工后去應(yīng)力退火。
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用繪出熱處理溫度 -時(shí)間工藝曲線圖（見(jiàn)圖 3）。熱處理工藝規(guī)程 :大型焊接橫梁裝爐底部墊平，入爐溫度不大于300℃，加熱升溫速度不大于 100℃ /h，加熱至500~550℃保持溫度 4h，后隨爐冷卻至 300℃以下，出爐空冷。
2. 橫梁加工工藝
大型橫梁加工工藝流程 : 毛坯（ 焊接16Mn）- 毛坯去應(yīng)力退火 - 劃 - 粗銑 - 時(shí)效處理（二次去應(yīng)力退火）- 半精銑（放置 48h）-精銑（仿形加工）- 搖鉆 - 鉗序（清理）- 油漆。大型橫梁在加工前應(yīng)劃線，照顧支撐面及直線導(dǎo)軌面壁厚均勻，回字內(nèi)腔壁厚均勻且成矩形。粗銑選用大型龍門(mén)銑床，用可調(diào)墊鐵，以導(dǎo)軌面為粗加工基準(zhǔn)，銑背面做為導(dǎo)軌面粗銑加工基準(zhǔn)面，粗銑序橫梁直線導(dǎo)軌向上，銑出導(dǎo)軌形狀，去除機(jī)械加工余量，提前發(fā)現(xiàn)毛坯缺陷等。橫梁粗加工后要進(jìn)行二次時(shí)效，去除殘余應(yīng)力退火。半精銑選擇大型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床，為避免大型橫梁吊裝、翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生變形，大型橫梁應(yīng)在此序以裝配狀態(tài)加工，以導(dǎo)軌面為裝置面，精銑橫梁支撐面做裝置面，除直線導(dǎo)軌、光柵尺、齒條基準(zhǔn)面
留量外，其余防護(hù)、管路及電氣元件等結(jié)合面、螺紋孔均加工完成，保證零件相關(guān)尺寸精度。
圖 3 溫度 - 時(shí)間工藝曲線圖
關(guān)鍵工序精銑序，選擇精密龍門(mén)五面加工中心，先以導(dǎo)軌面為裝置面，精銑橫梁支撐面做裝置面，保證支撐面平面度不大于 0.05mm。再以裝配狀態(tài)支撐面為裝置面，將四塊墊鐵按橫梁支撐面內(nèi)側(cè)基面位置固定于方箱座上，自銑墊鐵鈔平，橫梁放置于四塊鈔平墊鐵上，按導(dǎo)軌大面找正 0.02mm，檢測(cè)各墊鐵與橫梁支撐基面間是否有縫隙，將 4 個(gè) 0.1mm 等厚銅皮放于墊鐵上，橫梁落下后，抽動(dòng)銅皮不動(dòng)，可以進(jìn)行加工（見(jiàn)圖 4）。用直角頭精銑齒條安裝正、側(cè)面，檢測(cè)正面和側(cè)面直線度，通過(guò)數(shù)據(jù)曲線分析機(jī)床實(shí)際精度。按設(shè)計(jì)仿形曲線圖及機(jī)床實(shí)際精度綜合修正值編程，按程序再次加工齒條安裝正、側(cè)面驗(yàn)證曲線，加工后檢測(cè)。檢測(cè)直線度與導(dǎo)軌設(shè)計(jì)仿形曲線一致后，仿形加工上下導(dǎo)軌大面、立面，同時(shí)精銑齒條面、光柵尺面等安裝基面，精銑時(shí)壓板松開(kāi)不夾緊。
圖 4 橫梁加工示意圖
大型橫梁精加工設(shè)備采用沈陽(yáng)機(jī)床自制的龍門(mén)橋式五軸加工中心 GMC50200u， 用A/C 五軸頭（刀柄 HSK-A63）直角定位精銑仿形曲線，設(shè)備精度具備 X/Y/Z 定位精度0.02/0.015/0.01mm,重復(fù)定位精度0.008mm。加工刀具 : 大面精銑用方肩面銑刀 Φ63（Z=5），立面精銑整體硬質(zhì)合金立銑刀 Φ20（Z=3），液壓夾緊刀柄，切削參數(shù)均為轉(zhuǎn)速 S=1000r/min, 進(jìn)給 F=285mm/min。
三、橫梁裝配
高精度橋式五軸加工中心與橫梁相關(guān)的幾何精度有:G3 項(xiàng)Y軸軸線運(yùn)動(dòng)的直線度 : ① 在YZ 垂直平面內(nèi) ; ② 在XY水平平面內(nèi)允差值 :0.014/1000mm;0.035/7000mm。G4項(xiàng)Y軸移動(dòng)的角度偏差 : ① 在 YZ垂直平面內(nèi) ( 俯 仰 ); ② 在 XZ 垂直平面內(nèi)（傾斜）; ③在 XY 水平面內(nèi)（偏擺）允差值：0.015/1000mm;0.04/7000mm。
1. 橫梁裝配工藝
橫梁裝配工藝流程 : 橫梁精加工后入裝配 -單件直線度檢測(cè) - 線軌裝配 -- 安裝線軌后直線度檢測(cè) - 齒條裝配 - 光柵尺裝配 -Y 軸驅(qū)動(dòng)裝配 -安裝液壓管路 - 電氣接線 - 安裝行程開(kāi)關(guān)確定 Y軸行程 -Y 軸總裝直線度檢測(cè)（加修或刮研調(diào)整）-角度偏差檢測(cè)（加修或刮研調(diào)整）- 防護(hù)安裝。通常，龍門(mén)式數(shù)控機(jī)床為保證裝配后的 Y 軸運(yùn)動(dòng)的直線度，工藝方法根據(jù)設(shè)計(jì)變形曲線圖進(jìn)行仿形加工，但因設(shè)備精度、環(huán)境溫度、材料硬度等諸多因素影響，實(shí)際銑削仿形曲線往往會(huì)隨之發(fā)生變化。橫梁精加工后轉(zhuǎn)部裝，為減少環(huán)境溫度偏差造成的直線度誤差，橫梁進(jìn)部裝在安裝直線導(dǎo)軌前、后應(yīng)復(fù)檢導(dǎo)軌正、側(cè)向直線度，對(duì)于直線導(dǎo)軌橫梁部裝檢測(cè)有兩種姿態(tài)即平放或立放檢測(cè)。平放即直線導(dǎo)軌大面向上，用自準(zhǔn)直儀檢測(cè)
直線度，根據(jù)直線度計(jì)算軟件得出上下導(dǎo)軌正、側(cè)向曲線值，應(yīng)用于小型批量型龍門(mén)式數(shù)控鏜銑床橫梁。大型橫梁采用立放即裝配狀態(tài)，用激光校準(zhǔn)儀檢測(cè)導(dǎo)軌直線度，檢測(cè)數(shù)值與設(shè)計(jì)曲線值對(duì)比，不合格轉(zhuǎn)加工車(chē)間加修，合格轉(zhuǎn)總裝掛箱檢測(cè)。
總裝掛箱后實(shí)測(cè) Y 軸移動(dòng)直線度，滑枕處于最下端，用激光校準(zhǔn)儀通過(guò)專用支板具與滑枕結(jié)合置于滑枕上，200mm 步長(zhǎng)采數(shù)，分別得出 YZ垂直平面內(nèi)正向直線度，XY 水平平面內(nèi)側(cè)向直線度。用電子水平儀置于與滑枕連接支架具上，500mm 步長(zhǎng)采數(shù)，移動(dòng)滑板 Y 軸由負(fù)向正，得ZX 垂直面內(nèi)角偏和 YZ 垂直面內(nèi)角偏。用自準(zhǔn)直儀移動(dòng)滑板 Y 軸由負(fù)向正，得在 XY 水平面內(nèi)角偏。通過(guò)總裝掛箱后實(shí)測(cè) Y 軸運(yùn)動(dòng)直線度及角度偏差，分析直線度及角度偏差是否滿足幾何精度允差值，如與要求不符合裝配分析直線度及角偏數(shù)值及曲線圖形，計(jì)算實(shí)際曲線修正值并編制程序加修，或裝配采取刮研方法，達(dá)到整機(jī)幾何精度的驗(yàn)收要求。
2. 橫梁裝配刮研
橫梁在總裝精度檢測(cè)后為減少其加修過(guò)程中的變形，裝配采取刮研方法進(jìn)行精度調(diào)整。高精度橋式五軸加工中心大型橫梁直線導(dǎo)軌呈對(duì)稱式設(shè)計(jì)，依據(jù)仿形曲線并結(jié)合實(shí)際，裝配仿形曲線導(dǎo)軌直線度檢測(cè)精度在 YZ 垂直面內(nèi)下導(dǎo)軌大面直線度為 0.01~0.02mm，導(dǎo)軌中部凹，上導(dǎo)軌大面直線度為 0.025~0.03mm，導(dǎo)軌中部凹。在 XY 水平面內(nèi)上、下導(dǎo)軌立面直線度為0.1~0.13mm，導(dǎo)軌中部上凹下凸，上下導(dǎo)軌平行度 0.02mm。仿形加工后，部裝安裝直線導(dǎo)軌，用電子水平儀檢測(cè)導(dǎo)軌直線度，對(duì)比理論曲線 : │實(shí)測(cè)值 - 理論值│≤ 50μm，導(dǎo)軌直線度基本符合設(shè)計(jì)曲線允差范圍。總裝掛箱并安裝五軸頭后Y 軸移動(dòng)用激光校準(zhǔn)儀檢測(cè)導(dǎo)軌直線度及用電子水平儀檢測(cè)角偏，裝配記錄檢測(cè)數(shù)值并分析。為減少橫梁反修周轉(zhuǎn)變形，裝配采用刮研橫梁上下導(dǎo)軌大面及立面方法，使用電動(dòng)或手動(dòng)刮刀，通過(guò)刮研導(dǎo)軌大面和立面，提高 Y 軸移動(dòng)的直線度及角偏精度。刮研方法，刮研前根據(jù)總裝檢測(cè)數(shù)值及圖形，先確定刮研位置及范圍、刮研量、刮研次數(shù)。按 200mm 一段劃線做好標(biāo)記，導(dǎo)軌面刮研應(yīng)邊刮研邊檢測(cè)，每次刮研嚴(yán)格控制刮研量，不許刮過(guò)量，每刮一次需用專用研具檢驗(yàn)接觸率 ,當(dāng)刮研直線導(dǎo)軌兩端時(shí)，假導(dǎo)軌面也需要刮研，保證假導(dǎo)軌與導(dǎo)軌對(duì)接處平整，不能出現(xiàn)臺(tái)階。刮研完成后，安裝直線導(dǎo)軌檢驗(yàn)幾何精度，若不合，再一次進(jìn)行刮研，直至合格為止。
四、橫梁直線度檢測(cè)方法
導(dǎo)軌直線度現(xiàn)有四種檢測(cè)方法 : 平尺拉表法、自準(zhǔn)直儀（平行光管）、水平儀、激光校準(zhǔn)儀。平尺拉表法因?yàn)槭芷匠唛L(zhǎng)度影響，只能檢測(cè)橫梁局部的直線度，所以不采用。一般情況下，橫梁直線度檢測(cè)用自準(zhǔn)直儀，通過(guò)專用橋板長(zhǎng)200mm 置于直線導(dǎo)軌大面及立面上，檢測(cè)平數(shù)隨導(dǎo)軌長(zhǎng)度增加而增多，記錄數(shù)據(jù)后通過(guò)輸入計(jì)算機(jī)直線度計(jì)算程序軟件，生成圖形曲線。框式水平儀一般用于調(diào)整橫梁水平，因檢測(cè)直線度效率低及讀數(shù)誤差大，現(xiàn)已很少使用。大型橫梁直線度檢測(cè)，為提高檢測(cè)精度及檢測(cè)效率購(gòu)置高精度的電子水平儀、激光校準(zhǔn)儀、直線度鏡組，并根據(jù)檢測(cè)方法設(shè)計(jì)專用的滑塊連接板、平行檢具、等高塊等。電子水平儀因無(wú)讀數(shù)誤差、數(shù)據(jù)可傳輸、可通過(guò)軟件計(jì)算生成曲線圖，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)
點(diǎn)，為工藝方法廣泛推廣使用。
五、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)大型橫梁仿形加工及裝配的實(shí)踐，提出橫梁設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化的建議。
（1）橫梁結(jié)構(gòu)直線導(dǎo)軌應(yīng)采用上下導(dǎo)軌側(cè)基準(zhǔn)在下導(dǎo)軌形狀平移式分布，不應(yīng)如床身直線導(dǎo)軌形狀對(duì)稱式分布（見(jiàn)圖 5）。優(yōu)點(diǎn)在于 : ①側(cè)基準(zhǔn)在下可作為直線導(dǎo)軌的支撐面，通過(guò)預(yù)變形仿形加工凸形補(bǔ)償導(dǎo)軌因重力塌腰 ; ②平移式側(cè)基準(zhǔn)面因中凸式仿形加工，立銑刀為切出式切削，切削力小，切削精度及效率高，相反如果對(duì)稱式分布其中一條側(cè)基準(zhǔn)為切入式吃刀，切削力變大，切削精度受影響 ; ③平移式側(cè)基準(zhǔn)對(duì)于大型橫梁立式裝配有利。大型橫梁為避免吊裝、翻轉(zhuǎn)的變形，部裝采用裝配狀態(tài)安裝直線導(dǎo)軌、齒條、光柵尺，直線導(dǎo)軌側(cè)壓塊安裝方便且側(cè)頂力均勻。相反如果對(duì)稱式分布其中一條側(cè)基準(zhǔn)在上，導(dǎo)軌仿形為凹形，側(cè)壓塊在鎖緊固定時(shí)，需要較大的力，導(dǎo)致直線導(dǎo)軌側(cè)基準(zhǔn)因受力不均而變形，影響裝配精度。④平移式側(cè)基準(zhǔn)對(duì)于裝配刮研有力。因側(cè)基準(zhǔn)為平行中凸，裝配刮研只刮高點(diǎn)，操作相對(duì)容易且準(zhǔn)確快捷。而對(duì)稱式分布兩條側(cè)基準(zhǔn)仿形為上凹下凸式，凹面刮研量大且困難。
圖 5 橫梁直線導(dǎo)軌分布
（2）大型橫梁超重超大，因結(jié)構(gòu)優(yōu)化橫梁外觀差別較大。鑄件橫梁上下導(dǎo)軌階梯平移式布局、焊接橫梁背板整板煨彎式設(shè)計(jì)、大型焊接橫梁回字腔整板筋加強(qiáng)型設(shè)計(jì)等，大型橫梁因吊裝翻轉(zhuǎn)困難且容易變形，建議橫梁半精加工、精加工按裝配狀態(tài)自然裝夾，保持加工及裝配基準(zhǔn)統(tǒng)一。
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