应对龙门机床横梁热变形的结构分析与改进*

杨沛湛 王 瑾 张东海 张 军

(①汉川数控机床股份公司研究所，陕西 汉中 723000;②陕西理工学院机械工程学院，陕西 汉中 723000)

1 热变形的产生及应对方式

龙门式机床按照其龙门框架的结构形式(图1)。可以分为:定龙门定横梁(定柱定梁)式机床、定龙门动横梁(定柱动梁)式机床、动龙门定横梁(动柱定梁)式机床、动龙门动横梁(动柱动梁)式机床、高架桥式龙门机床。

使机床产生热变形的主要因素有:

(1)热形成条件:如机床上各种热源的大小和分布;环境温度的变化与周围传入的热量及位置等;

(2)热学特性:如机床各零件的热容量及其线膨胀系数;机床的导热条件及大件之间的传热条件和与周围气流有关的散热条件;

(3)结构形状和刚度:结构热刚度要求几何形体对称，零件的壁厚均匀，结构本体刚度大而且均匀。

针对以上因素，通常用来减小机床热变形的途径有以下几种:

(1)改变机床设计结构，按照热对称原则进行结构设计，从结构上减小热变形量影响;

(2)对环境温度和机床部件的温升进行控制，减小温度变化，避免热变形的产生;

(3)对特定结构下温度变化引起的热变形进行试验，按实验所得热变形规律通过数控系统进行反变形补偿，从而抵消热变形产生的误差。

1.1 对于固定龙门框架式机床

由于龙门框架与床身固定连接，其结构基本属于对称的结构，此类机床一般采用对加工过程中产生的热量进行强制主动散热、对发热部件进行强制冷却，吸收热量，避免温升和热变形;对环境温度变化引起的热变形一般采用定期进行人工精度校验和补偿的办法来解决。例如每年在春季和秋季分别进行人工精度校验补偿，或当环境温度变化达到某给定值时，进行人工精度校验补偿，这样才能使机床的加工精度基本保持不变。

1.2 对于移动龙门框架类机床

由于龙门框架要在左右床身上移动，不但环境温度变化和加工过程中产生的温度变化会引起龙门框架的热变形，而且由于左右床身导轨的不平行度也会引起机床龙门框架的被迫受力变形，热变形和受力变形叠加而共同影响机床的加工精度。尤其是对于横梁、立柱等大件为焊接结构件的龙门式机床来说，由于碳钢的材料线膨胀系数为10.6～12.2，比灰铸铁的线膨胀系数8.7～11.1 大，所以更容易引起大的热变形，使机床精度造成大的变形误差。

移动龙门框架类机床实际上还由于横梁、立柱等各部件的截面形状、接触面刚度、承载等不尽相同，致使各部件的受力也不同。例如一般均将刀库、头库、对刀仪等加装在某一侧立柱上或将电器柜、液压站等放在横梁上，从而使得机床各部位的温升不同，机床各部位产生的热膨胀量也就不同。尤其是对于龙门宽度超过3 m 以上的龙门式机床来说，由于机床规格越大，其左右立柱、固定横梁、移动横梁等大型零件的长度尺寸与其截面尺寸的比值也越大，零件形状也越接近于“杆件”，这使得机床对环境温度的变化和加工过程中产生的热变形就反映的特别敏感，热变形对机床精度的影响也越显著。热误差是数控机床最大的误差来源，在精密加工中由机床热变形引起的制造误差可占到总误差的40%～70%［1］。

当然，如果采用第二种途径来减小热变形，将机床区域范围内的环境温度控制在一定的范围内，例如北京第一机床厂新的重型机床装配厂房内，在高度方向9 m 以下的任意5 m 范围内，水平平面每30 m 内，温度梯度可以控制在不大于2 ℃。并同时采用对加工过程中产生的热量进行强制主动散热、对发热部件进行强制冷却，吸收热量，避免温升，使机床整体基本处于“恒温”状态，这样机床就几乎不会产生热变形，机床的精度也会基本保持不变，但这样做使得大型龙门式机床的使用成本非常大，一般用户受厂房环境等硬件条件的限制均难以承受。以下就一种应对定梁龙门机床横梁热变形伸缩的专利结构进行简要的分析比较。

2 定梁龙门机床横梁热变形的应对结构

对于定梁式龙门机床，其龙门框架的热变形主要在横梁上，应对方式以武重的专利:消除定梁龙门机床横梁伸缩的结构装置(ZL 200820230305.1)为例，进行以下分析，其专利结构如图2、3 所示。

此专利采用的办法是通过使横梁一端与一侧立柱固定连接，横梁另一端与另一侧立柱采用图3 所示结构方式连接，即在每个连接螺栓4 上装有碟簧5，并在每个连接螺栓与立柱1 和横梁2 的连接孔之间有满足横梁热胀冷缩的间隙6(即大小适宜的孔)。此结构应对龙门框架热变形的理论依据是:拧紧螺母到必要位置后，碟簧施加给螺栓一定的预紧力，预紧力在横梁与立柱接合面上所产生的摩擦阻力既能克服机床运动或加工时的振动和切削抗力，而又不能阻止横梁由于温度变化而发生的横向伸缩变形，这样就不会使机床龙门框架由于巨大的热变形而发生扭曲变形或者产生破坏性的变形，同时又能满足机床对精度的要求。

对以上结构和其应用方式进行分析可以发现，在此结构中碟簧的作用:一是保证始终给连接螺栓一定的预紧力，二是作为防松元件，防止因螺母松动而丧失预紧力。那么，这里就有问题了，第一个问题:对于机床大件装配中所常用的8.8 级及其以上机械性能等级的螺栓来说，当连接螺栓承受轴向预紧力的情况下，在夹紧长度大于螺纹直径的3 倍以上时，使用防松元件可能使预紧力出现较大的损失，反而增加了螺母松动的可能性。

3 新改进的应对结构

有没有一种更简便可靠的结构能实现同样的功能呢?我认为还有更简单方便的结构方式。当机械性能8.8 及其以上等级的螺栓承受轴向预紧力，并在夹紧长度大于螺纹直径的3 倍以上时，可通过精确地控制螺栓拧紧时的预紧力，当螺栓承受振动冲击载荷时，仅依靠预紧后螺杆产生的弹性变形，也能保证有足够的残余预紧力阻止螺栓与螺母发生松动，如果再加上螺母具有一定的有效防松力矩，那么就能够保证螺栓和螺母不发生松动，始终保持预紧力。

如图4 所示:将专利结构中的碟簧取消，把普通六角螺母更换为如图5 所示的GB/T 889.1—2000 非金属嵌件六角锁紧螺母或者 GB/T 6184—2000 全金属六角锁紧螺母，在紧固螺栓时使用力矩扳手进行紧固，精确控制每个螺栓的预紧力，使每个链接螺栓获得必要的相同的预紧力。因为此类锁紧螺母属于有效力矩型锁紧螺母，螺母在紧固后，其内镶嵌的尼龙圈(全金属六角锁紧螺母为弹性钢片)具有一定的有效力矩防松锁紧功能，即使螺母和螺栓承受振动冲击载荷时，还能保证有足够的防松锁紧力。以此类性能等级为10 级的M20 非金属嵌件六角锁紧螺母为例，在其拧紧后第一次拧出时防松结构能提供的有效防松力矩为10.5 N·m。

所以此结构与专利结构具有同样的作用，即螺栓的预紧力加上螺母的有效防松力矩，能够克服机床运动或加工时的抗力，而又不会因加工时的冲击振动发生松动，其螺栓的预紧力加上螺母的有效防松力矩，又不阻止横梁由于缓慢温度变化而产生的缓慢的微量伸缩变形，所以图4 的结构更简单，经济性、实用性和可操作性更好。

［1］王长刚.现代工业建筑设计的深度思考——北京第一机床厂新址建筑设计［J］.工业建筑，2008，38(10).

［2］机械设计手册编委会.机械设计手册［M］.3 版.北京:机械工业出版社，2004.

［3］中华人民共和国国家知识产权局.专利公示说明书［P］.