淺談大型數控龍門導軌磨床關鍵技術及發展趨勢*

鄒雪巍 劉傳金

(威海華東數控股份有限公司，山東威海 264200)

近年來，我國制造業產品向大型及超大型方向發展，零件的精度向高精度方向發展，由此引發各類數控機床向大型、重型、超重型及超大型方向迅猛發展，特別是航空、航天、風電、核電等行業對大型、特大型精密數控機床的需求越來越多。機床床身、橫梁、立柱、滑枕等大尺寸零部件導軌精度是大型數控機床精度的基礎，而大型數控龍門導軌磨床又是實現該類零部件高精度磨削加工的關鍵工作母機，其技術水平的高低直接影響到機床行業乃至裝備制造業的水平與發展。

1 國內外龍門導軌磨床現狀

上世紀50年代德國瓦德里希·科堡生產了第一臺龍門導軌磨床，之后，意大利法力圖，德國赫克特，西班牙達諾巴特，日本岡本、住重、長懶等公司相繼開發出了自己的龍門導軌磨床。國外龍門導軌磨床已有約60年的發展歷史，不論在產品規格、性能、還是機床精度方面已發展到較高水平，如科堡龍門導軌磨床的最大磨削寬度3 500 mm;最大磨削長度15 000 mm;磨削長度小于10 m工作臺縱向移動在水平面內的直線度不超過0.02 mm、長度大于10 m時不超過0.03 mm;磨頭橫向移動時相對于工作臺面的平行度不超過0.02 mm。又如法力圖龍門導軌磨床的最大磨削寬度3 000 mm;最大磨削長度達16 000 mm;加工直線度0.002 mm/1 000 mm;1 000 mm×1 000 mm范圍內平面度小于0.004 mm。

與國外相比，我國的龍門導軌磨床起步較晚，早期只有險峰機床廠和上海重型機床廠專業生產龍門導軌磨床。上海重型機床廠于1989年與德國瓦德里希·科堡合作，引進其先進技術，使我國龍門導軌磨床技術水平有了較大幅度提高。近幾年來，國內大型龍門導軌磨床發展較快，以華東數控為代表的一批生產廠家快速崛起，在借鑒國外先進技術的同時依靠自主創新，不斷縮小與國外先進技術水平的差距。目前，國內大型龍門導軌磨床的磨削寬度可達3 500 mm，磨削長度可達16 000 mm，加工直線度0.003 mm/1 000 mm。雖然如此，我國龍門導軌磨床特別是工作臺超過10 m以上的大型數控龍門導軌磨床的技術水平與國外相比還有一定的差距，如加工平面度，我們還基本停留在1 000 mm×1 000 mm范圍內平面度0.01 mm的水平，而日本已經實現了大型數控龍門導軌磨床的超精密磨削加工。除了磨削精度，在磨削效率、自動化程度、機床精度保持性以及可靠性等方面我們同樣也存在不小的差距，國內許多高端用戶不得不從國外進口大型數控龍門導軌磨床。之所以造成這種局面，主要原因在于我們還沒有對影響龍門導軌磨床技術水平的關鍵技術進行深入細致研究并加以掌握。

2 大型數控龍門導軌磨床主要問題及關鍵技術分析

2.1 機床精度穩定性問題

影響機床精度穩定性的主要原因:機床基礎件材質自身的應力變形、載荷變化引起的受力變形和溫度場變化引起的熱變形。因此提高數控龍門導軌磨床精度的穩定性，應從以下3個方面進行深入地分析及研究。

2.1.1 機床基礎件材質的應力變形

大型數控龍門導軌磨床基礎零件的材料選擇基本上是鑄鐵，部分廠家也有選擇焊接鋼構件，材料內部組織的優劣直接影響零件結構強度及剛性，同時在制造過程中又不同程度的存在鑄造應力、焊接應力及加工應力。由于各種應力的隨機變化，直接影響機床的幾何精度發生改變。因此對于大型數控龍門導軌磨床設計與制造，應開展機床基礎零件材料性能的研究，從材料的組織結構及性能上有所突破，滿足大型數控機床對基礎零件高強度、高剛度、高精度及高穩定性的要求。同時，應深入開展對各種因素產生的應力進行有效處理的工藝技術研究，例如通過各種有效的人工時效處理去除零件應力變形。

2.1.2 載荷變化引起的受力變形

機床的幾何精度受載荷力影響較大，而解決該問題需從機床整機靜動態特性分析上著手研究。長期以來，國內機床設計過程是“經驗設計—樣機試制—樣機測試—改進設計”，這種“感性設計”不僅設計周期長、研制費用高，同時并未從理性上對機床結構剛性進行系統分析，造成大部分機床出現問題后只能修修補補進行事后改進設計，并未從根本上解決問題。目前隨著現代化數字設計技術的發展，在機床設計上開展數字化設計的技術研究是勢在必行的。對于大型數控龍門導軌磨床，應開展如下數字化設計研究工作:

(1)整機靜力學設計

對機床整機進行幾何建模并進行靜力學分析及模態分析和諧響應分析，尋找機床結構設計的薄弱環節。

(2)基礎件設計

合理解決機床大件質量分布參數的結構和動特性、合理選擇匹配各個部件的連接方式和參數，獲得更好的加工性能。特別是對機床床身、工作臺、立柱及活動橫梁等大件，因重力及切削力等因素使其產生變形對加工精度的影響進行分析，通過有限元分析手段，研究機床結構件的合理斷面形狀和尺寸，筋板的布置形式和筋板尺寸，結構零件之間的聯結剛性等。例如，活動橫梁是龍門導軌磨床最重要也是最薄弱環節，其幾何精度的穩定性，直接影響機床橫向加工的工作精度。活動橫梁上分別安裝臥式周邊磨頭及立式萬能磨頭運動組件，其運動機構共用活動橫梁導軌，由于兩套運動組件運動載荷的不同，造成其運動負載對橫梁結構剛性提出不同的要求。通過有限元分析手段獲得相關動態結構剛性參數，優化活動橫梁結構件的合理斷面形狀和尺寸，筋板的布置形式和筋板尺寸。同時分析兩套運動組件運動負載對活動橫梁剛性影響參數的不同，利用誤差曲線復映理論，對活動橫梁基準運動導軌實施反誤差變形結構設計，解決因載荷變化影響導軌磨床橫向幾何精度的問題。

(3)整機動力學設計

在靜態分析的基礎上，進行模態分析，得到機床系統的固有頻率和主振型，進而對機床進行結構動態設計和優化。

(4)結合面設計

由于機床結合面破壞了機床結構的連續性，造成機床模態的復雜化，而機床剛度50%、阻尼的80%來源于結合面，機床結合面的設計對于機床整體動力學特征有著至關重要的作用，因此無論是機床整機建模還是動力學分析，必須進行機床的結合面的分析及優化，通過修改機床結合面的設計及改變結合面的參數，提高機床的動態特性。

2.1.3 溫度場變化引起的熱變形

有研究表明，溫度場變化引起的機床熱變形誤差占機床獨立誤差的40%～70%。溫度場變化包括機床環境溫度變化和機床內部熱源溫度變化(如液壓系統溫升、導軌摩擦發熱等)，鑄鐵的熱膨脹系數約為10 μm/(m·℃)，以磨削長度為16 m的龍門導軌磨床為例，床身上下溫差變化0.1℃，其導軌凹凸變化量約為160 μm，反映到16 m長度工件上的直線度變化量可以達到40～80 μm，由此可見，熱變形對運動導軌直線度的影響相當大。要減小熱變形對機床精度的影響，在機床結構設計時要進行熱態優化設計，如采用熱膨脹系數小的新型材料、采用對稱結構、避開熱變形敏感方向、考慮隔熱和散熱措施等，同時采用冷卻、輔助熱源等方式對機床熱源進行溫度控制。熱誤差補償技術的應用也有助于減小熱變形，其關鍵在于熱誤差模型的建立和誤差補償策略的選擇。熱誤差補償一般采用事后補償，首先通過各種檢測手段對機床加工時產生的誤差進行測量，然后根據已建立的誤差補償模型進行誤差補償計算，將計算結果反饋給數控系統來補償熱誤差。對大型數控龍門導軌磨床，應開展以下幾方面的熱誤差分析及補償技術的研究:

(1)熱對稱結構設計

為了保證加工精度，機床關鍵的基準點應布置在熱對稱面附近，使機床結構件的熱位移方向與加工方向平行，從而改善熱變形對加工精度的不良影響。

(2)熱容量平衡設計

對機床內部熱容量較大的部位進行控制，以減少其溫升，使之和熱容量較小的部位不至于產生溫差，盡量達到它們之間的平衡，從而降低機床內熱源這一熱變形的主要因素的影響。

(3)隔離熱源

為減少內部熱源的影響，應盡可能將發熱部件從機床主體中分離出去。對于不能分離的熱源，如軸承、導軌面、絲杠等，則可以從結構和潤滑兩方面著手，改善其摩擦特性，減少發熱量。對于冷卻液、潤滑油等“二次性熱源”也應盡快分離出去，合理布置其走向，使之對機床的影響減小。

(4)形狀和參數優化

對機床建立數學模型，進行熱特性分析計算，通過優化方法確定其構件形狀和參數。

(5)機床溫度控制與溫度補償

①砂輪主軸熱誤差控制。砂輪主軸采用動靜壓軸瓦支撐結構形式，其動靜壓潤滑油是產生熱源的主要因素之一，因此其潤滑需采用獨立的潤滑控制站，需配置恒溫控制的油冷機對其循環潤滑油進行溫度控制。

砂輪主軸采用內置的電主軸電動機驅動時，電動機發熱是產生熱源的另一個主要因素，因此需設置電機冷卻水套，采用恒溫水冷機對其溫度控制。

②工作臺運動導軌(X軸)熱誤差控制。X軸運動速度快、載重大，其摩擦產生的熱量較大，其潤滑采用卸荷式靜壓導軌，靜壓油不僅可以減小摩擦阻力、降低功率消耗、提高導軌耐磨性，同時也可以將摩擦產生的熱量帶走，因此需配置恒溫控制的油冷機，對其循環潤滑油進行溫度控制。工作臺在導軌部位設置循環水槽，利用切削液對其導軌部位冷卻。床身導軌部位設置循環水槽，使用恒溫冷卻水對其導軌部位冷卻。

③磨削產生的熱誤差控制。磨削產生的熱量對工件磨削表面產生熱變形，因此需對磨削液進行溫度控制，采用恒溫水冷機對切削液進行循環冷卻。

④環境溫度對機床精度產生熱誤差的補償。環境溫度的變化對機床幾何精度影響較大，對于龍門導軌磨床來講，影響最為突出的是床身導軌(X軸)的直線度，其次是對橫梁導軌(Y、V軸)的直線度，從而影響龍門導軌磨床主要的工作精度中工件的直線度及平面度。因此研究運用熱誤差分析技術，結合現場測量溫度變化對直線度影響值，建立誤差補償模型進行誤差補償計算，將計算結果反饋給數控系統，使控制器發出相應的控制誤差補償指令以補償相應的熱誤差。此誤差補償采用在機床關鍵部位布置熱傳感器，通過事后補償方式進行。

2.2 磨削表面波紋度、粗糙度問題

磨削表面有波紋是具有平面磨削功能磨床一個普遍難解決的問題，其影響因素是多方面的。

(1)機床動態性能的影響

由于在砂輪磨削過程中，砂輪和工件間產生相對位移，改變了它們之間正確的位置關系，在加工表面留下波紋，其根源在于振動;而磨削表面粗糙度值大的主要原因是由于主軸振動和磨粒切削刃的高度不一致，其根源也在于振動。通過機床的動態特性分析，得出磨削顫振信號的頻率大都處于機床的固有頻率附近，磨削中的顫振現象與磨床動態特性有關。運用有限元模態分析技術，建立機床結構動力學模型，確定機床結構的振動特性，分析機床的固有特性、響應特性、薄弱環節，進而改進機床結構設計，將機床固有頻率與磨削顫振信號的頻率避開，在設計上減少引起磨削振紋的結構因素，以達到防止顫振、消除振紋、提高磨削表面質量的目的。

(2)主軸系統的影響

磨削過程砂輪主軸的剛性及振動是影響平面磨削表面質量的主要因素之一，優良的主軸結構設計是磨床關鍵的技術。動靜壓主軸支撐技術在磨床砂輪主軸結構設計方面，其結構性能優于其他形式。動靜壓主軸支撐技術是依靠動靜壓效應形成的高剛性油膜，相對其他主軸支撐形式，具有高剛性、高精度回轉精度、優良的吸振性能及磨損小、壽命長等優點。同時砂輪主軸傳動動力源的振動對磨削表面質量影響也較大。傳統導軌磨床設計上，臥式周邊磨頭電動機一般采用交流電動機通過皮帶傳動到主軸上，立式萬能磨頭一般采用交流電動機通過聯軸器傳動到主軸上。交流電動機的振動、機械傳動鏈的振動對磨削表面質量影響較大，為減少外部機械傳動鏈，砂輪主軸傳動結構采用電主軸結構形式是目前砂輪傳動主軸設計的優選結構。

(3)砂輪及主軸動平衡的影響

砂輪是導軌磨床加工工件平面的刀具，若使砂輪磨削出準確的尺寸和高精度的表面質量，必須防止磨削過程的振動。砂輪的結構是由分布不均的大量顆粒組成，先天的不平衡無法避免，這必然引起一定的偏心振動。而砂輪安裝產生的偏心度、砂輪的厚度不均、砂輪主軸的不平衡及砂輪對冷卻液的吸附的不均衡等，會使砂輪振動更加增大。這些振動不僅僅影響到磨床的加工質量，還會降低磨床主軸及砂輪壽命，增加砂輪修整次數及修整金剛石的消耗等。因此砂輪主軸系統應設置砂輪在線自動平衡系統，可以有效解決上述問題。

(4)工藝參數的影響

由于磨削過程是磨粒在工件表面上進行滑擦、耕犁和切屑形成的過程，其消耗的能量大部分轉化為熱能傳入工件，高溫導致工件尺寸精度和表面質量的下降;磨削過程中產生的磨削力造成的彈性變形及振動也會導致工件尺寸精度和表面質量的下降;砂輪修整工藝參數對砂輪修整質量及砂輪壽命也有重要影響。因此，通過磨削工藝參數及砂輪修整工藝參數優化技術研究，建立大型數控龍門導軌磨床專用磨削工藝參數庫，為操作者提供智能化磨削參數選擇決策管理系統。操作者可以將加工工件相關數據信息在加工前輸入數控系統，數控系統通過相關磨削軟件自動調用專用磨削數據庫的工藝參數，為操作者自動選擇合理的磨削用量，同時，選擇合適的修整工藝參數，對砂輪進行修整，從而降低磨削熱的產生，減小磨削力，降低磨削功率消耗，進而提高機床的磨削精度和質量。

(5)砂輪修整器的影響

砂輪磨損后將引起振動、噪聲、表面粗糙度值增大、產生裂紋、燒傷等問題，雖然砂輪具有自礪性，但遠遠不能滿足磨削要求，需要對砂輪進行修整，保證其磨削性能。對砂輪的精細修整可以使砂輪表面磨粒獲得好的微刃性和等高性，對提高磨削表面質量有很大的幫助，砂輪修整器的作用極其重要。傳統的修整器橫向運動大多采用液壓驅動，低速性能及運動均勻性較差，難以保證砂輪修整質量，且受結構限制無法修整曲面。二軸聯動數控插補修整器可以有效克服上述缺點，實現對砂輪的精細修整，進而獲得高精度的表面磨削質量。

2.3 凹凸磨削導軌表面的光順度問題

凹凸磨削功能是數控龍門導軌磨床的一項重要功能，不同的機床導軌根據設計要求通常都有一定的凹凸度形狀要求，一般凹凸磨削工藝分為導軌的垂直截面方向上的凹凸曲線磨削加工，及水平截面方向上的凹凸曲線磨削加工。作為磨削這些導軌工作母機的數控龍門導軌磨床，除要求數控系統應該具有極高的插補精度外，其相關進給軸的微進給運動要有足夠的精度和靈敏度，兩者的有機結合才能保證凹凸磨削導軌表面的高光順度要求。因滑動導軌動靜摩擦系數的不同，運動部件的微進給運動一般很難實現，解決運動機構的動態響應性能是解決凹凸磨削導軌表面的光順度的關鍵技術之一。

解決凹凸磨削導軌表面的光順度問題，應從以下兩個方面重點研究:

(1)工作臺縱向運動(X軸)

導軌采用卸荷式靜壓導軌技術，不僅滿足大型精密數控龍門導軌磨床重載低速性能要求，同時可以減小工作臺運動時動靜摩擦阻力的變化，確保低速無爬行。由于靜壓油膜具有誤差均化作用，提高了導軌精度及其穩定性。

(2)磨頭橫向運動(Y、V軸)

導軌采用滾動+滑動+卸荷導軌，其運動主導軌采用滾動導軌形式，副導軌采用卸荷結構導軌形式，其卸荷機構將磨頭運動機構向上及向后卸荷，將其70%的負荷卸載到副導軌上，減少運動負載對主導軌精度的影響，同時使運動部件的動態響應性能大大加強。

通過對機床縱向及橫向導軌的結構優化設計，確保機床加工工件導軌垂直截面及水平截面的凹凸磨削的精度。

2.4 機床可靠性問題

大型數控龍門導軌磨床屬高檔數控機床范疇，國內龍門導軌磨床在可靠性方面與國外同類機床相比還有較大差距，應積極開展大型數控龍門導軌磨床可靠性的研究及應用。

開展數控龍門導軌磨床可靠性研究應從以下各個環節入手:可靠性試驗、故障分析、可靠性設計、工藝和裝配過程的可靠性技術、配套件和外協件的可靠性保證技術、早期故障試驗技術以及現場運行試驗和可靠性評估等。將可靠性研究的各個環節的關鍵技術，具體實施和應用于產品研發的各個階段:即產品設計、制造、裝配、調試直到現場使用的全過程。可靠性的原始數據應取自產品運行的生產現場及各種試驗，經過對數控龍門導軌磨床的故障模式、影響及危害性分析，查清機床各故障部位、故障模式的危害度及其排序，進而采取可靠性設計、故障糾正和可靠性提升的一系列技術措施，促使大型數控龍門導軌磨床可靠性水平的提高。

3 數控龍門導軌磨床發展趨勢

制造行業的需求決定了國內數控龍門導軌磨床未來大型、精密及智能化的方向發展。定梁龍門導軌磨床技術難度相對較低，價格又比較便宜，目前國內大部分龍門導軌磨床產品都為定梁式結構。定梁式龍門導軌磨床受結構限制，其缺點是加工高度范圍小，且磨削精度隨磨頭滑板伸出長度的增加而降低。隨著制造業產品的升級換代，市場對加工范圍寬、精度高的數控動梁龍門導軌磨床，特別是大型精密數控動梁龍門導軌磨床的需求將越來越旺盛，許多高端用戶對數控龍門導軌磨床的自動化程度要求也越來越高，要求具備如砂輪自動修整、修整量自動補償、工件在線測量、防碰撞砂輪快速趨近、磨削工藝參數數據庫、典型工件磨削程序自動生成、圖形化的專用人機界面、自動更換砂輪的砂輪庫、交換工作臺等功能，最終將促使數控龍門導軌磨床向著智能化的磨削中心方向發展。

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