龍門加工中心橫梁導軌靠合面變形分析與補償研究*

陳 燚 關開成 馬永旺 張 揚 劉麗英 劉興卓

（通用技術集團機床工程研究院有限公司，北京 100102）

近年來，隨著風電、汽車制造和大型船舶加工等行業精益發展的需求，對關鍵大型件的加工精度要求愈發嚴苛，進而對機床的終端加工精度提出了更高的要求。

龍門加工中心因其工作行程長、剛性好等特點被廣泛應用于大型部件的鏜削、銑削加工中。但大部分龍門加工中心的橫梁整體跨距大、質量重，在自重以及掛靠于橫梁上的滑枕等移動部件的共同作用下易出現導軌靠合面凹陷等現象，進而導致靠合面直線度失真并影響加工中心終端加工精度[1-5]。

為有效解決大型機床Z向凹陷等問題，眾多技術人員對橫梁結構進行了各種探究。田亞峰等[6]基于“結構+功能”相似原理，選取烏龜殼作為仿生模本，提出一種縱橫筋板與特征拱形相結合的新型橫梁筋板設計方法，試驗結果表明，布有新型筋板結構的橫梁的可有效抵消由于重力等因素造成的變形，進而提高橫梁的綜合性能；張伯鵬等[7]在橫梁內側增設安裝有3 組液壓裝置的輔助梁，通過液壓設備平衡由重力等因素帶來的導軌靠合面變位，有效提高機床的終端加工精度；李伯基等[8]通過減少橫梁背部斜背式框架結構并增加方箱式結構的手段，修正橫梁背部結構，依據方箱結構的整體占比建立多組試驗方案，并基于有限元技術依次進行模擬計算獲得最優值，最終設計出的橫梁可有效抵抗重力變位，提高橫梁力學性能。

1 導軌靠合面變形分析

橫梁是龍門加工中心中受力最為集中也是最為復雜的部件之一：一方面，受橫梁長跨距、大質量的影響，未施加切削載荷時，橫梁導軌靠合面便已產生一定程度的Z向微形變；另一方面，當橫梁加裝移動功能部件后，疊加移動部件重力影響，掛靠移動部件的對應靠合面位置會出現更大的Z向形變，且當移動部件從橫梁左極限位置滑移至右極限位置的過程中，對應滑移位置處的靠合面形變值也存在動態差異[9-11]。在機床結構設計時，不同的功能部件處于不同的空間位置，移動功能部件大多通過滑塊掛靠在橫梁導軌上，在其重力以及懸臂的共同作用下產生扭矩，該扭矩直接施加在橫梁上，繼而導致靠合面出現扭轉變形。實際工作中，移動部件呈現圖1 所示楔形的工作狀態，擠壓上下兩導軌靠面呈楔狀變形，如圖2 所示。此外，機床對工件進行切削加工時，橫梁還會受到切削載荷的影響，導致橫梁出現另一復合變形，多源因素的共同影響造成橫梁導軌靠合面復雜的力學變形，進而導致機床加工精度降低等諸多問題。

圖1 橫梁側向視圖

機床終端的精度受機床全鏈路誤差累積影響，機床任一模塊的精度提升均能傳遞到機床終端并提高工件加工后的整體質量，因此本文聚焦橫梁導軌靠合面，僅考慮機床未施加切削載荷情形，在橫梁工作區間內建立不同位置下的計算模型，模擬分析不同位置處的靠合面形變狀態，對形變值進行綜合處理并以此指導橫梁導軌靠合面的實際加工，以期提高橫梁Y向綜合直線度精度，進而提升龍門加工中心的整機靜態精度。

2 橫梁有限元分析

2.1 橫梁介紹

本文以圖3 所示某重切龍門加工中心為例對橫梁結構開展靜態研究，該龍門加工中心橫梁采用HT300 材料一體鑄造成形，總長5 992 mm，其中Y軸全行程3 470 mm（工作行程2 600 mm+換刀行程870 mm），自身質量約為15.7 t，移動功能部件包含滑枕、滑板、Z軸驅動等，整體質量約為9 t。

圖3 重切龍門加工中心

2.2 模型簡化與網格劃分

龍門加工中心整機模型結構繁雜，不僅包含眾多結構簡單的基礎大件，同時也包括大量結構復雜的小功能部件以及臺肩、倒角等輔助結構。此類復雜部件以及輔助結構除重力因素外，外形等因素對整體計算結果影響較小，但此類部件與結構的復雜外形會極大提高網格劃分難度進而提升模擬計算難度。

基于此，為提高網格劃分的精準度及速度，本文采取以下措施：①對電機、銑頭、滑塊等復雜的小功能部件進行同質量換算，修正為等質簡化結構降低網格劃分難度；②填充、消除整機中對橫梁變形影響較小的各類孔隙、倒角、圓角、臺肩結構如圖4 所示，提高網格劃分精度；③對橫梁導軌靠合面如圖5 所示等關鍵區域進行局部網格加密，以保證靠合面變形分析的準確性；④依據整機模型中不同結構的尺寸大小，布置合適的網格尺寸、網格密度以及網格類型進行劃分，保證模擬計算的精度和效率；⑤對劃分完后的網格進行檢驗，檢查網格劃分質量，同時進行網格無關性驗證，保證模型計算結果的可信度。

圖4 橫梁局部特征

圖5 橫梁網格

2.3 接觸設置與邊界條件設定

橫梁與左右立柱通過螺栓連接，移動部件借助滑塊掛靠于導軌之上、導軌通過楔塊擠壓與導軌靠合面接觸，各接觸部件如圖6 所示。為有效提高模擬計算結果的真實性，對各部件間的接觸方式進行合理設置，橫梁-立柱間采用綁定接觸（bonded），導軌-滑塊-移動部件間的接觸較多，整體建立8 組組合，導軌-滑塊組間采用摩擦接觸（frictional），滑塊-移動部件組間、楔塊-導軌組間采用綁定接觸（bonded），其余使用默認接觸設置。

圖6 不同接觸部件

進行整機靜態特性分析時，選擇正確的邊界條件也尤為重要。龍門加工中心的立柱除通過地腳螺栓與地面緊固外，同時又利用螺栓與床身螺接實現二次加固，因此在兩立柱的底面與床身接觸面處均施加固定約束，限制立柱接觸面各個方向的自由度。此外本文不考慮施加切屑力時橫梁的變形狀態，所以僅對裝配體施加了重力場。

2.4 試驗方案建立

移動部件通過不斷地移動空間位置實現對工件的精準加工，不同工作區域下的靠合面變形均存在差異，如圖7 所示。為能獲取工作行程內的靠合面綜合形變，本文建立如下試驗方案：①選取靠合面前端邊線為計算X軸，機床實際Z軸為計算Y軸，機床實際X軸為計算Z軸建立計算坐標系，計算坐標系如圖8 左下所示坐標系，實際坐標系如圖1 右下所示；②選取靠面前端邊線為監測指標，輸出邊線Y向形變數值；③選取橫梁左右極限位置為試驗計算區間如圖7 所示，依次變動移動部件的空間位置，每次挪動間隔為s=100 mm，形成32 組試驗方案，逐次進行模型仿真計算。

圖7 移動部件不同工作位置處橫梁變形

圖8 橫梁試驗區間

3 導軌靠合面變形量補償研究

3.1 補償數據分析及處理

實際加工中，橫梁導軌面多采用磨削處理，很難進行空間多向復雜曲線的處理，而模型計算得到的橫梁導軌靠合面變形包含X、Y、Z這3 個方向的變形量，變形趨勢復雜。基于可加工原則，提取對導軌靠合面變形影響最為明顯的Z向（計算坐標系下的Y向）進行處理。將所有試驗方案模擬計算得到形變曲線繪出，得到圖9 所示綜合形變曲線。橫梁導軌靠合面變形數據處理過程中的難點問題在于將復雜的綜合形變曲線轉化為適合導軌靠合面加工的簡單曲線。從橫梁導軌面全局看，可將整個導軌面近似視為一條樣條線，移動部件近似視為基點，移動部件不斷變化在橫梁上Y向上的位置，近似視為基點不斷變換在曲線上位置。基于此，本文求取綜合形變曲線的外包絡線，將其近似視為導軌面的下凹樣條線，以此作為指導橫梁導軌靠合面仿形加工的加工曲線。

由圖9 可知，上下兩導軌靠面的變形呈倒一元二次函數形，最大Z向變形均在橫梁中間部位，橫梁上導軌靠合面的最大形變約為-0.052 mm，橫梁下導軌面的最大形變約為-0.054 mm。

上文提出，橫梁導軌靠合面的變形呈楔形狀，為能有效填補楔形空間，抵消由于自重及移動部件重力帶來的Z向凹陷。在試驗設計中選取靠合面前端最大變形處邊線為監測指標輸出形變值，求取圖9 中綜合形變曲線外包絡線并進行反曲操作，獲得圖10 所示仿形曲線圖，將該曲線應用于橫梁導軌靠合面加工中，在靠合面上加工出起拱面。有效平衡因重量等因素帶來的靠合面Z向凹陷，進而提升橫梁Y向綜合直線度精度。

圖10 仿形曲線

3.2 測試驗證

為驗證形變量補償效果，橫梁裝配完成后，對其Y向綜合直線度進行了檢測，目前橫梁Y向直線度檢測方式如圖11 所示。首先將工裝用平尺安置于機床工作臺上并對平尺上表面找平；然后調整滑枕的空間位置便于檢測儀器的吸附安裝，將檢測儀器探頭壓于平尺上表面處，獲得初始讀數；最后利用數控系統控制移動部件Y向移動，持續獲得整個工作行程內的儀表讀數，記錄并計算得出導軌靠合面綜合直線度。

圖11 橫梁導軌Y 向直線度測量

選取計算模型中銑頭模型上固定一點，輸出全部計算試驗方案內該點計算坐標系下的Y向值，計算獲得模型仿真分析中的橫梁綜合直線度，以此值為橫向參考值進行補償效果比對。

對2 組數據進行綜合處理并繪制得到圖12 所示橫梁Y向各點值，實際測量的橫梁Y向綜合直線度計算后約為0.02 mm，仿真計算得到的橫梁導軌靠Y向綜合直線度計算后約為0.043 mm，對比結果表明：經形變量補償后的橫梁Y向直線度精度得到很大程度提升。

圖12 橫梁Y 向各點值對比

4 結語

本文對某龍門加工中心橫梁靠合面變形原因進行了綜合分析，基于有限元方法，模擬計算得到了橫梁不同工作位置處的導軌靠合面變形，通過對不同試驗方案下數據的綜合處理，擬合得到橫梁導軌變形終曲線，依據模型分析結果優化導軌靠合面結構。現場測試結果表明：補償后的龍門加工中心橫梁Y向綜合直線度精度得到明顯提升。