大型龙门机床横梁加工工艺研究*

李军舰 念 勇 刘 杰 张 荣

(汉川数控机床股份公司，陕西 汉中 723003)

横梁是龙门机床结构的主要支承部件，是机床的重要组成部分，其机械性能直接影响机床的精度。在加工及机床安装调试过程中，横梁经常因为自重及受载后发生变形，致使龙门机床直线度达不到设计要求，需要进行反复加修，影响生产进度。

笔者公司龙门机床种类众多，分为定梁龙门和动梁龙门两大类，其结构虽然不尽相同，但加工方法及精度要求类似。下面以动梁龙门机床为例进行说明，定梁龙门不再赘述。笔者公司动梁龙门机床工作台宽度最宽5000 mm，横梁外形尺寸最大11700 mm ×2183 mm×1265 mm，重量最大35 t，属于超大型零件(如图1)，其转运、加工、检测、装配都需要适当的方法。横梁的加工精度在整台龙门机床的精度中占有举足轻重的作用。

1 加工难点分析

横梁横截面如图2 所示，其导轨大面及立面、齿条安装大面及立面、光栅尺安装大面及立面长向直线度均为0.015 mm，相互平行垂直为0.020 mm，表面粗糙度均为Ra1.6 μm，精度要求很高。充分考虑到横梁的结构特点、外形尺寸及重量，结合笔者公司设备，工艺难点及重点如下:

(1)由于横梁长度为11700 mm，重量35 t，且两边悬伸大，转运、吊装、装夹比较困难，如何合理安排工艺流程在减少工件的转运、翻转的前提下保证其加工精度为工艺难点。

(2)横梁为机床的主要支承部件，克服其自重变形及滑鞍主轴部件运动产生的扭转变形是横梁加工最主要的工艺难点，尤其是这两种变形量叠加的数值确定为主要难点。

(3)由于横梁的精度直接影响机床的精度，因此保证横梁的精度稳定性也是考虑的重点。

2 横梁加工工艺流程

根据横梁的结构特点及精度要求，结合笔者公司设备及工艺习惯，确定横梁加工工艺流程如下:

铸造毛坯→粗加工四周及导轨面→热时效→半精加工四周及导轨面→清理、刷底漆→振动时效→半精加工四周面及导轨面→油漆→自然时效→超精加工导轨面、齿条面等重要面。

工艺流程分析:

(1)在横梁加工过程中，安排3 次时效处理，一次热时效，一次振动时效，一次自然时效，消除铸件在铸造时产生的应力和加工过程中产生的残余应力，防止铸件变形和产生裂纹，保证横梁加工后尺寸及形位公差的稳定性。

(2)由于热时效产生的变形大，因此在五面体龙门加工中心上粗加工四周及导轨面等留量7 mm。

(3)安排两次半精加工，第一次四周及导轨面留量3 mm，第二次导轨面、齿条面、光栅尺面留超精加工量1 mm，其余各面及孔均加工成，充分消除加工过程中产生的残余应力。

(4)超精加工时，按横梁装配时的状态以立柱结合面为基准放在诺威纳龙门车镗铣复合加工中心上进行加工，根据横梁有限元分析的变形曲线及实际测量的变形曲线综合考虑进行反变形加工，并且消除重力对横梁的影响，避免装配时二次翻转横梁造成精度损失。

通过以上分析确定了横梁加工工艺流程的正确性，按照以上加工工艺流程，能够满足大型龙门机床对横梁的各项精度要求。

横梁粗加工及两次半精加工用普通加工方法在大型加工母机上均可进行，需要注意的是横梁自重产生的变形量大，必须选择合适的支撑点。超精加工时采用反变形法，这是横梁加工时最重要也是最难以实现的地方。以下重点加以讨论。

3 横梁反变形加工

补偿横梁变形的常用方法是反变形法，就是使横梁导轨面的几何形状成为横梁弹性位移的倒影线，从而补偿横梁及其导轨因受自重力及滑鞍主轴系统重力产生的弹性变形。反变形加工难点是要找到变形曲线轮廓，我们在实际应用中采用有限元分析和实际检测相结合的方法得到横梁的反变形加工曲线。

3.1 横梁有限元分析

先不考虑铸件本身缺陷，仅考虑横梁受滑鞍主轴部件等外力作用引起的变形。

首先用SolidWorks 软件建立横梁的三维模型，然后将此三维模型导入ANSYS 软件进行有限元建模并求解。为简化计算，将滑鞍主轴部件简化为位于其重心位置的质点，计算时只需输入重量即可。滑鞍主轴部件和横梁直线导轨滑块安装位置之间用无质量的刚性杆连接，横梁用四面体单元进行网格划分。计算弯曲变形时，采用一端固定另一端浮动的约束形式。计算扭转变形时，采用两端固定的约束方式。为全面了解横梁的变形，在滑鞍主轴部件全行程上每隔300 mm计算一次变形量。得到变形曲线如图3、图4 所示。

3.2 实际检测

半精加工后，将横梁放在厂房内自然时效15～20天，模拟横梁工作状态在诺威纳车镗铣机床上固定并找正基准面(如图5 所示)，上专用工装用雷尼绍仪检验导轨立面及大面实际变形量，即为考虑材质分布不均横梁自重变形的实际曲线。

3.3 曲线拟合

将有限元分析得到的曲线相对于0 线镜像，得到不考虑横梁自重时的横梁变形曲线，与实际检测得到的曲线做减运算，得到实际加工时的曲线，如图6、图7所示。

由图6、图7 可以看出:①上、下导轨立面、齿条立面加工成中凸，最大值0.14 mm;②上导轨大面加工成中凹，最大值0.05 mm;③下导轨大面加工成中凸，最大值0.05 mm;④齿条大面加工成中凸，最大值0.030 mm;⑤曲线左端为刀库侧，在横梁结构中悬伸最大，变形量也最大。

依据实际加工曲线利用MasterCam 或UG 进行加工程序编制。

3.4 反变形加工具体过程

(1)用雷尼绍仪检验诺威纳龙门车镗铣复合加工中心，检验项目:机床水平面内直线度，不合适时调整;Y 轴最小移动脉冲当量值(最小设定单位)。

(2)将横梁按图5 所示安装在诺威纳机床上，拉表找正两导轨大面，11790 mm 尺寸两端在0.01 mm内，找正两导轨立面后用挤铁挤紧，不允许用压板压紧，防止因压板产生的变形。

(3)在横梁不重要面上(如护罩安装面)上试刀加工验证程序，加工完成后拉表检验，与编程曲线相对比验证程序正确性，要求每隔300 mm 记录一次数据进行比较。

(4)按验证正确的程序精铣两导轨大面及立面，齿条大面及立面。

合理安排时效，达到完全释放材料自身应力及因各序加工造成的应力。采用有限元分析从理论上分析实际工作状态下受力，结合现场加工情况及铸件材质分布状况，三者综合考虑，拟合出一条正确的变形曲线，根据此曲线采用反变形法精加工横梁。

4 结语

反变形法加工横梁既消除了因自重及受外力作用引起的变形，又使得横梁一次加工出即可满足装配中几何精度要求。避免了盲目的反复加修，加快了机床的装配速度，提高了机床的精度，降低了成本，为笔者公司大型龙门系列机床产业化提供了有力的技术保障，并为其他类似大件的反变形加工提供了加工参考。

［1］曹岩，池宁骏.Solidworks 2007 产品设计实例精解［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［2］王新荣，陈永波.有限元法基础及ANSYS 应用［M］.北京:科学出版社，2008.

［3］柯明扬.机械制造工艺学［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1996.

［4］白传悦.机械制造基础［M］.西安:陕西科学技术出版社，2003.

［5］王爱玲.数控机床加工工艺［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［6］李树明，高东强.数控机床加工编程技术［M］.西安:陕西人民出版社，2002.

［7］李体仁.UG NX 6.0 数控加工经典案例解析［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［8］陈学翔.UG NX 6.0 数控加工经典案例解析［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［9］王睿.MasterCam9.0 实用教程［M］.北京:人民邮电出版社，2003.

［10］张灶法，陆斐，尚洪光.MasterCam X 使用教程［M］.北京:清华大学出版社，2006.