機(jī)床滑座變形問題的分析與研究
2025-4-15 來源： 沈陽機(jī)床股份有限公司 作者：王云萍 劉東波
【摘要】: 滑座作為機(jī)床結(jié)構(gòu)中的主要部件直接影響整機(jī)的幾何精度與運動精度。分析影響機(jī)床滑座變形的因素，研究相應(yīng)的解決方案并進(jìn)行實驗論證。從而對保證機(jī)床的加工精度，提升加工性能有著重大影響。
十字滑臺式結(jié)構(gòu)作為典型的機(jī)床結(jié)構(gòu)形式，在立式加工中心、臥式銑鏜床、臥式加工中心等機(jī)床型譜中被廣泛采用?；鞘只_式結(jié)構(gòu)中的重要組成部件。以立式加工中心為例 : 滑座向上連接工作臺，向下連接床身，且負(fù)責(zé)兩個軸的運動，在整機(jī)結(jié)構(gòu)中起到承上啟下及傳動樞紐的作用。所以，滑座的自身精度直接影響機(jī)床的幾何精度和運動精度。但是，由于滑座自身結(jié)構(gòu)所限，在實際的生產(chǎn)活動中容易產(chǎn)生變形。本文將嘗試從結(jié)構(gòu)設(shè)計、毛坯鑄造、切削加工、裝配工藝等整個生產(chǎn)鏈條分析滑座變形的原因，研究相應(yīng)的解決方案并通過實驗來印證方案效果。
1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計因素引起的滑座變形
滑座由于不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)致的變形，主要是由于研發(fā)設(shè)計過程中未能充分考慮結(jié)構(gòu)剛度問題，包括幾點 : ①兩側(cè)導(dǎo)軌懸伸量過長 ; ②設(shè)計內(nèi)部筋格布局未能兼顧重要受力位置 ; ③滑座內(nèi)部開口結(jié)構(gòu)。
前兩點問題在于研發(fā)人員設(shè)計經(jīng)驗不足、考慮不周?；鶅蓚?cè)導(dǎo)軌懸伸量過長時可以加裝副導(dǎo)軌或牽拉裝置解決工件剛度不足導(dǎo)致變形的問題。另外，當(dāng)設(shè)計內(nèi)部筋格布局時不必拘泥于對稱原則或是刻意追求質(zhì)心位置。雖然質(zhì)心驅(qū)動設(shè)計的十字滑臺結(jié)構(gòu)具有較好的對稱性，能夠減輕機(jī)床在切削時的自激振現(xiàn)象，提高機(jī)床整機(jī)的固有頻率。但應(yīng)優(yōu)先保證諸如導(dǎo)軌面、滑塊面、電機(jī)座面、軸承座面等主要受力位置的結(jié)構(gòu)剛度，可以結(jié)合有限元分析軟件進(jìn)行拓補(bǔ)優(yōu)化合理布局。
然而，許多技術(shù)人員往往忽略第三點 : 滑座內(nèi)部開口結(jié)構(gòu)也是影響工件整體剛度的重要因素。如圖 1、圖 2 所示某型立式加工中心滑座 :軸承座一側(cè)設(shè)計成閉合結(jié)構(gòu)、相反電機(jī)座一側(cè)則為開口結(jié)構(gòu)。經(jīng) AnsysWorkbench 靜力學(xué)分析，當(dāng)僅施加額定載荷時，電機(jī)座一側(cè)相較于軸承座一側(cè)變形量大0.005mm;當(dāng)施加極限重載及沖擊載荷時，開口結(jié)構(gòu)的電機(jī)座一側(cè)變形量成倍放大。因此在設(shè)計過程中應(yīng)盡量避免滑座內(nèi)部的開口結(jié)構(gòu)。
2.毛坯鑄造環(huán)節(jié)滑座變形分析
毛坯鑄造環(huán)節(jié)有以下幾個誤區(qū)容易引起滑座變形 : ①毛坯尺寸公差等級過大，特別是需要機(jī)械加工面的余量。②一味提高鑄件牌號，錯誤地意圖通過提高工件機(jī)械強(qiáng)度來提高剛性。下文將具體分析這兩點如何影響滑座變形。
圖 1 軸承座側(cè)靜力學(xué)模型圖
圖 2 電機(jī)座側(cè)靜力學(xué)模型圖
關(guān)于毛坯機(jī)械加工余量，可根據(jù) GB/T6414-1999《鑄件尺寸公差與機(jī)械加工余量》國標(biāo)查詢確定。然而實際生產(chǎn)活動中，鑄造廠家往往將機(jī)械加工余量等級放至 H~K 級別（以 2000mm 內(nèi)的滑座為例，加工余量可達(dá) 6~15mm）。究其原因無外乎以下兩點 : ①鑄件以重量結(jié)算價格，廠家追求利潤有意放大加工余量。②鑄造缺陷大多出現(xiàn)在毛坯表層，放大余量，并經(jīng)過加工后可降低廢品率。
過大的毛坯余量勢必增大后續(xù)切削加工環(huán)節(jié)的金屬去除量，累積更大切削殘余應(yīng)力，從而加劇滑座變形。與此同時過多無用的毛坯余量也會提高物料成本及機(jī)加工費用。因此必須降低毛坯余量。經(jīng)實際檢驗 : 機(jī)械加工余量等級確定至E~G 級別較為合適，即長度在 2000mm 以內(nèi)的滑座理想的加工余量為 3~5mm。
關(guān)于鑄件牌號問題，設(shè)計時機(jī)床大件通常選用HT200或HT250。然而部分技術(shù)人員一味提高鑄件牌號至 HT300~HT350，將機(jī)械強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)剛度混為一談，單純地認(rèn)為提高機(jī)械強(qiáng)度能夠減小工件變形，殊不知滑座變形主要是工件的整體彈性變形及加工面在切削過程中熱力耦合作用下的微觀變形，很少能到達(dá)到整體塑性變形階段。剛度是主要因素，而剛度是結(jié)構(gòu)性質(zhì)，與材料的彈性模量及工件的結(jié)構(gòu)有關(guān)。另外由于鑄件抗拉強(qiáng)度與硬度存在一定的對應(yīng)關(guān)系式 :
當(dāng)σb≥196MPa時，HB=RH(100+O.438σb )（1）當(dāng)σb＜196MPa時，HB=RH(44+0.724σb )（2）式中相對硬度 (RH) 值主要由原材料、熔化工藝、熱處理工藝及鑄件的冷卻速度所確定。如式中所述 : 提高鑄件強(qiáng)度同時勢必會增加硬度，反而增大鑄造應(yīng)力及加工環(huán)節(jié)的切削阻力導(dǎo)致滑座變形，因此如無特殊原因不宜提高鑄件牌號。
3.切削加工過程中變形因素分析
滑座在切削加工過程中產(chǎn)生的變形主要包括 : ①產(chǎn)前準(zhǔn)備期間不規(guī)范的定位、卡壓產(chǎn)生的變形。②加工過程中熱力耦合作用產(chǎn)生的導(dǎo)致工件微觀相變或變形。③工藝編排不合理造成應(yīng)力累積變形。
機(jī)加工產(chǎn)前準(zhǔn)備期間工件不合理的定位、卡壓容易導(dǎo)致滑座變形。首先工件定位位置與卡壓位置應(yīng)盡量保持在一條線上。簡單舉例 : 如圖 3所示某型滑座底面加工示意圖，其定位位置與卡壓位置不在一條線且該卡壓方式?jīng)]有在四周加側(cè)頂裝置，夾緊時僅靠摩擦力限制自由度，故需較大的壓緊力。經(jīng)有限元分析軟件計算，螺栓夾緊力為45000N，在壓緊時受彎曲應(yīng)力導(dǎo)致變形量為0.09mm。圖 4 所示定位位置與卡壓位置在一條線，并加裝側(cè)頂裝置限制自由度，其螺栓夾緊力為 10000N，而且滑座幾乎不受彎曲應(yīng)力，變形量
幾乎為 0。
3
圖 3 （定位位置與卡壓位置不在一條線）
4
圖 4 （定位位置與卡壓位置在一條線上）
實際生產(chǎn)活動中，操作者往往錯誤地認(rèn)為粗加工時采用圖3裝夾方式不會影響后續(xù)加工精度，工件會快速恢復(fù)形狀。然而經(jīng)長期實踐證明，工件經(jīng)此方式長時間裝夾后 7~24 小時自然時效才能基本恢復(fù)，對精加工有著深遠(yuǎn)影響。
金屬在切削加工過程中刀具對工件產(chǎn)生強(qiáng)大的擠壓力，使切削層在高應(yīng)力，高應(yīng)變，高切削溫度的情況下與基體產(chǎn)生分離，形成已加工表面。
故此，已加工工件中存在較大的殘余應(yīng)力，也是滑座變形的重要因素。本文作者作為基層技術(shù)人員未在此方向上做深入研究，僅根據(jù)實際工作經(jīng)驗提出應(yīng)對切削殘余應(yīng)力的若干措施 :
（1）盡量減少工件總的金屬去除量即毛坯余量。
（2）滿足設(shè)計要求條件下較低的毛坯硬度。
（3）切削參數(shù)方面宜采用平轉(zhuǎn)數(shù)，小吃刀量、快進(jìn)給的方式。
（4）加入人工時效處理工藝。
加工工藝是影響滑座變形的另一個因素，不合理的工藝規(guī)程編排容易造成應(yīng)力累積導(dǎo)致變形?；鳛闄C(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)中重要部件在毛坯出廠前和粗加工后都應(yīng)進(jìn)行時效處理，如去應(yīng)力退火、振動時效等。另外，各工序間應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行自然時效以充分釋放應(yīng)力。
舉例說明某型立式加工中心滑座工藝規(guī)程 :毛坯出廠退火→粗底面→粗上面→四周面→人工時效處理→鉗序攻絲→油漆→精底面→精上面→磨底上面→成品檢驗（上訴各工序間時效 7 小時）然而實際生產(chǎn)活動中，機(jī)加工車間由于指令計劃更改或其它因素影響經(jīng)常變更或加速排產(chǎn)，導(dǎo)致工序過度集中或時效時間不充分從而影響工件的應(yīng)力釋放。
4. 滑座裝配環(huán)節(jié)變形因素分析
在滑座裝配環(huán)節(jié)中，部件或整機(jī)的裝配剛度是影響滑座變形的主要原因，而裝配剛度取決于部件的結(jié)構(gòu)剛度及裝配工藝的編排，實際生產(chǎn)活動中應(yīng)注意以下幾點 ;
（1）滑座在機(jī)加工后、裝配前應(yīng)在臺位螺栓松開狀態(tài)下靜置 24 小時以充分釋放鑄造及加工環(huán)節(jié)的內(nèi)應(yīng)力。
（2）導(dǎo)軌螺栓與擠塊螺栓擰緊順序為從中央到兩端的把緊方式，保證直線導(dǎo)軌與滑座導(dǎo)軌面充分貼合。
（3）擠塊及壓板壓緊導(dǎo)軌側(cè)面的方式壓力較大，容易造成導(dǎo)軌基準(zhǔn)面擠壓變形?？勺们楦臑槠穆葆敺绞綁壕o。
5. 結(jié)語
綜上所述，滑座作為機(jī)床結(jié)構(gòu)中的主要部件直接影響機(jī)床整機(jī)精度。本文從滑座結(jié)構(gòu)設(shè)計、毛坯鑄造、切削加工及整機(jī)裝配幾個環(huán)節(jié)闡述和分析了其變形的主要因素及控制措施。對滑座的整個生產(chǎn)鏈條具有一定的借鑒意義，從而有效控制滑座變形問題，能夠快速提升機(jī)床產(chǎn)品性能和行業(yè)的競爭力。
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年1月 新能源汽車銷量情況
- 2024年12月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 軸承出口情況
- 2024年12月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 軸承出口情況
- 2024年11月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車銷量情況
- 2024年10月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過程圖示
- 判斷一臺加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢
- 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營銷，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時代，少談點智造，多談點制造
- 現(xiàn)實面前，國人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別