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1. 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的結(jié)構(gòu)特點，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，通過有限元對橫梁靜、動態(tài)性能進(jìn)行分析，依據(jù)橫梁振動相對變形的振型和幅值，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，從而對橫梁進(jìn)行仿形加工。

建立橫梁裝配體三維模型，以X方向為垂直于橫梁向內(nèi)、Y方向為平行于橫梁向左、Z方向為垂直于橫梁向上為正。依據(jù)有限元分析，設(shè)計大型橫梁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，主要是因為中部上端受切削力后扭轉(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)生在滑板移動到橫梁中間，滑枕移到下極限位置時。加工工藝根據(jù)其變形曲線仿形加工，減少滑板、滑枕在橫梁上移動時產(chǎn)生的直線度誤差。橫梁導(dǎo)軌受力變形量仿形曲線圖如圖2所示。

圖2 橫梁導(dǎo)軌仿形曲線圖

2. 橫梁仿形加工

從橫梁材料硬度、熱處理、加工、裝配及檢測精度入手，通過橫梁加工及裝配過程直線度等精度檢測數(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1 6 M n，零件輪廓尺寸長x寬x 高為10460x1815x1580mm，凈重25.5噸，標(biāo)準(zhǔn)材料16Mn鋼材厚度大于50-100mm，抗拉強度R m為470-620N/mm² 。根據(jù)硬度抗拉強度對照表德國標(biāo)準(zhǔn)DIN50150查得布氏硬度HBW 為143-185。

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原因造成焊接殘余應(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， 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℃，保溫時間為2-4 h，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℃，保溫時間為2-4h，爐冷或空冷。橫梁去應(yīng)力退火對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)合實際應(yīng)用繪出熱處理溫度-時間工藝曲線圖（見圖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。

圖3 溫度-時間工藝曲線圖

（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。粗銑選用大型龍門銑床，用可調(diào)墊鐵，以導(dǎo)軌面為粗加工基準(zhǔn)，銑背面作為導(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)行二次時效，去除殘余應(yīng)力退火。半精銑選擇大型數(shù)控龍門鏜銑床，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。

關(guān)鍵工序精銑序，選擇精密龍門五面加工中心，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，檢測各墊鐵與橫梁支撐基面間是否有縫隙，將4個0.1mm等厚銅皮放于墊鐵上，橫梁落下后，抽動銅皮不動，可以進(jìn)行加工（見圖4）。用直角頭精銑齒條安裝正、側(cè)面，檢測正面和側(cè)面直線度，通過數(shù)據(jù)曲線分析機(jī)床實際精度。按設(shè)計仿形曲線圖及機(jī)床實際精度綜合修正值編程，按程序再次加工齒條安裝正、側(cè)面驗證曲線，加工后檢測。檢測直線度與導(dǎo)軌設(shè)計仿形曲線一致后，仿形加工上下導(dǎo)軌大面、立面，同時精銑齒條面、光柵尺面等安裝基面，精銑時壓板松開不夾緊。

圖4 橫梁加工示意圖

大型橫梁精加工設(shè)備采用沈陽機(jī)床自制的龍門橋式五軸加工中心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。

3. 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Y軸軸線運動的直線度：a)在YZ垂直平面內(nèi)、b)在XY水平平面內(nèi)允差值：0.014/1000mm；0.035/7000mm。G4項Y軸移動的角度偏差：a)在YZ垂直平面內(nèi)(俯仰)、b)在XZ垂直平面內(nèi)（傾斜）、c)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-線軌裝配--安裝線軌后直線度檢測-齒條裝配-光柵尺裝配-Y軸驅(qū)動裝配-安裝液壓管路-電氣接線-安裝行程開關(guān)確定Y軸行程-Y軸總裝直線度檢測（加修或刮研調(diào)整）-角度偏差檢測（加修或刮研調(diào)整）-防護(hù)安裝。通常，龍門式數(shù)控機(jī)床為保證裝配后的Y軸運動的直線度，工藝方法根據(jù)設(shè)計變形曲線圖進(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，實際銑削仿形曲線往往會隨之發(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，對于直線導(dǎo)軌橫梁部裝檢測有兩種姿態(tài)即平放或立放檢測。平放即直線導(dǎo)軌大面向上，用自準(zhǔn)直儀檢測直線度，根據(jù)直線度計算軟件得出上下導(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)儀檢測導(dǎo)軌直線度，檢測數(shù)值與設(shè)計曲線值對比，不合格轉(zhuǎn)加工車間加修，合格轉(zhuǎn)總裝掛箱檢測。

總裝掛箱后實測Y軸移動直線度，滑枕處于最下端，用激光校準(zhǔn)儀通過專用支板具與滑枕結(jié)合置于滑枕上，200mm步長采數(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步長采數(shù)，移動滑板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)直儀移動滑板Y軸由負(fù)向正，得在XY水平面內(nèi)角偏。通過總裝掛箱后實測Y軸運動直線度及角度偏差，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，計算實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)幾何精度的驗收要求。

（2）橫梁裝配刮研

對于大型橫梁，橫梁超重且橫跨工作臺的距離較大，橫梁吊裝、翻轉(zhuǎn)、運輸都將產(chǎn)生變形，因此橫梁往返加修困難。橫梁在總裝精度檢測后為減少其加修過程中的變形，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)軌呈對稱式設(shè)計，依據(jù)仿形曲線并結(jié)合實際，裝配仿形曲線導(dǎo)軌直線度檢測精度在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，用電子水平儀檢測導(dǎo)軌直線度，對比理論曲線：│實測值-理論值│≤50μm，導(dǎo)軌直線度基本符合設(shè)計曲線允差范圍。總裝掛箱并安裝五軸頭后Y軸移動用激光校準(zhǔn)儀檢測導(dǎo)軌直線度及用電子水平儀檢測角偏，裝配記錄檢測數(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，使用電動或手動刮刀，通過刮研導(dǎo)軌大面和立面，提高Y軸移動的直線度及角偏精度。刮研方法，刮研前根據(jù)總裝檢測數(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，每次刮研嚴(yán)格控制刮研量，不許刮過量，每刮一次需用專用研具檢驗接觸率,當(dāng)刮研直線導(dǎo)軌兩端時，假導(dǎo)軌面也需要刮研，保證假導(dǎo)軌與導(dǎo)軌對接處平整，不能出現(xiàn)臺階。刮研完成后，安裝直線導(dǎo)軌檢驗幾何精度，若不合格，再一次進(jìn)行刮研，直至合格為止。

4. 橫梁直線度檢測方法

導(dǎo)軌直線度現(xiàn)有四種檢測方法：平尺拉表法、自準(zhǔn)直儀（平行光管）、水平儀、激光校準(zhǔn)儀。平尺拉表法因為受平尺長度影響，只能檢測橫梁局部的直線度，所以不采用。一般情況下，橫梁直線度檢測用自準(zhǔn)直儀，通過專用橋板長200mm置于直線導(dǎo)軌大面及立面上，檢測平數(shù)隨導(dǎo)軌長度增加而增多，記錄數(shù)據(jù)后通過輸入計算機(jī)直線度計算程序軟件，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，為提高檢測精度及檢測效率購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)檢測方法設(shè)計專用的滑塊連接板、平行檢具、等高塊等。電子水平儀因無讀數(shù)誤差、數(shù)據(jù)可傳輸、可通過軟件計算生成曲線圖、操作簡單等優(yōu)點，為工藝方法廣泛推廣使用。

5. 結(jié)語

通過對大型橫梁仿形加工及裝配的實踐，提出橫梁設(shè)計及工藝優(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)軌形狀對稱式分布（見圖5）。優(yōu)點在于： a ) 側(cè)基準(zhǔn)在下可作為直線導(dǎo)軌的支撐面，通過預(yù)變形仿形加工凸形補償導(dǎo)軌因重力塌腰；b)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；c)平移式側(cè)基準(zhǔn)對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，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；d)平移式側(cè)基準(zhǔn)對于裝配刮研有力。因側(cè)基準(zhǔn)為平行中凸，裝配刮研只刮高點，操作相對容易且準(zhǔn)確快捷。而對稱式分布兩條側(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、大型焊接橫梁回字腔整板筋加強型設(shè)計等，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)的統(tǒng)一。