應(yīng)對龍門機(jī)床橫梁熱變形的結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)*

楊沛湛 王 瑾 張東海 張 軍

(①漢川數(shù)控機(jī)床股份公司研究所，陜西 漢中 723000;②陜西理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

1 熱變形的產(chǎn)生及應(yīng)對方式

龍門式機(jī)床按照其龍門框架的結(jié)構(gòu)形式(圖1)?？梢苑譃?定龍門定橫梁(定柱定梁)式機(jī)床、定龍門動(dòng)橫梁(定柱動(dòng)梁)式機(jī)床、動(dòng)龍門定橫梁(動(dòng)柱定梁)式機(jī)床、動(dòng)龍門動(dòng)橫梁(動(dòng)柱動(dòng)梁)式機(jī)床、高架橋式龍門機(jī)床。

使機(jī)床產(chǎn)生熱變形的主要因素有:

(1)熱形成條件:如機(jī)床上各種熱源的大小和分布;環(huán)境溫度的變化與周圍傳入的熱量及位置等;

(2)熱學(xué)特性:如機(jī)床各零件的熱容量及其線膨脹系數(shù);機(jī)床的導(dǎo)熱條件及大件之間的傳熱條件和與周圍氣流有關(guān)的散熱條件;

(3)結(jié)構(gòu)形狀和剛度:結(jié)構(gòu)熱剛度要求幾何形體對稱，零件的壁厚均勻，結(jié)構(gòu)本體剛度大而且均勻。

針對以上因素，通常用來減小機(jī)床熱變形的途徑有以下幾種:

(1)改變機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，按照熱對稱原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)上減小熱變形量影響;

(2)對環(huán)境溫度和機(jī)床部件的溫升進(jìn)行控制，減小溫度變化，避免熱變形的產(chǎn)生;

(3)對特定結(jié)構(gòu)下溫度變化引起的熱變形進(jìn)行試驗(yàn)，按實(shí)驗(yàn)所得熱變形規(guī)律通過數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行反變形補(bǔ)償，從而抵消熱變形產(chǎn)生的誤差。

1.1 對于固定龍門框架式機(jī)床

由于龍門框架與床身固定連接，其結(jié)構(gòu)基本屬于對稱的結(jié)構(gòu)，此類機(jī)床一般采用對加工過程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行強(qiáng)制主動(dòng)散熱、對發(fā)熱部件進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，吸收熱量，避免溫升和熱變形;對環(huán)境溫度變化引起的熱變形一般采用定期進(jìn)行人工精度校驗(yàn)和補(bǔ)償?shù)霓k法來解決。例如每年在春季和秋季分別進(jìn)行人工精度校驗(yàn)補(bǔ)償，或當(dāng)環(huán)境溫度變化達(dá)到某給定值時(shí)，進(jìn)行人工精度校驗(yàn)補(bǔ)償，這樣才能使機(jī)床的加工精度基本保持不變。

1.2 對于移動(dòng)龍門框架類機(jī)床

由于龍門框架要在左右床身上移動(dòng)，不但環(huán)境溫度變化和加工過程中產(chǎn)生的溫度變化會(huì)引起龍門框架的熱變形，而且由于左右床身導(dǎo)軌的不平行度也會(huì)引起機(jī)床龍門框架的被迫受力變形，熱變形和受力變形疊加而共同影響機(jī)床的加工精度。尤其是對于橫梁、立柱等大件為焊接結(jié)構(gòu)件的龍門式機(jī)床來說，由于碳鋼的材料線膨脹系數(shù)為10.6～12.2，比灰鑄鐵的線膨脹系數(shù)8.7～11.1 大，所以更容易引起大的熱變形，使機(jī)床精度造成大的變形誤差。

移動(dòng)龍門框架類機(jī)床實(shí)際上還由于橫梁、立柱等各部件的截面形狀、接觸面剛度、承載等不盡相同，致使各部件的受力也不同。例如一般均將刀庫、頭庫、對刀儀等加裝在某一側(cè)立柱上或?qū)㈦娖鞴?、液壓站等放在橫梁上，從而使得機(jī)床各部位的溫升不同，機(jī)床各部位產(chǎn)生的熱膨脹量也就不同。尤其是對于龍門寬度超過3 m 以上的龍門式機(jī)床來說，由于機(jī)床規(guī)格越大，其左右立柱、固定橫梁、移動(dòng)橫梁等大型零件的長度尺寸與其截面尺寸的比值也越大，零件形狀也越接近于“桿件”，這使得機(jī)床對環(huán)境溫度的變化和加工過程中產(chǎn)生的熱變形就反映的特別敏感，熱變形對機(jī)床精度的影響也越顯著。熱誤差是數(shù)控機(jī)床最大的誤差來源，在精密加工中由機(jī)床熱變形引起的制造誤差可占到總誤差的40%～70%［1］。

當(dāng)然，如果采用第二種途徑來減小熱變形，將機(jī)床區(qū)域范圍內(nèi)的環(huán)境溫度控制在一定的范圍內(nèi)，例如北京第一機(jī)床廠新的重型機(jī)床裝配廠房內(nèi)，在高度方向9 m 以下的任意5 m 范圍內(nèi)，水平平面每30 m 內(nèi)，溫度梯度可以控制在不大于2 ℃。并同時(shí)采用對加工過程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行強(qiáng)制主動(dòng)散熱、對發(fā)熱部件進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，吸收熱量，避免溫升，使機(jī)床整體基本處于“恒溫”狀態(tài)，這樣機(jī)床就幾乎不會(huì)產(chǎn)生熱變形，機(jī)床的精度也會(huì)基本保持不變，但這樣做使得大型龍門式機(jī)床的使用成本非常大，一般用戶受廠房環(huán)境等硬件條件的限制均難以承受。以下就一種應(yīng)對定梁龍門機(jī)床橫梁熱變形伸縮的專利結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要的分析比較。

2 定梁龍門機(jī)床橫梁熱變形的應(yīng)對結(jié)構(gòu)

對于定梁式龍門機(jī)床，其龍門框架的熱變形主要在橫梁上，應(yīng)對方式以武重的專利:消除定梁龍門機(jī)床橫梁伸縮的結(jié)構(gòu)裝置(ZL 200820230305.1)為例，進(jìn)行以下分析，其專利結(jié)構(gòu)如圖2、3 所示。

此專利采用的辦法是通過使橫梁一端與一側(cè)立柱固定連接，橫梁另一端與另一側(cè)立柱采用圖3 所示結(jié)構(gòu)方式連接，即在每個(gè)連接螺栓4 上裝有碟簧5，并在每個(gè)連接螺栓與立柱1 和橫梁2 的連接孔之間有滿足橫梁熱脹冷縮的間隙6(即大小適宜的孔)。此結(jié)構(gòu)應(yīng)對龍門框架熱變形的理論依據(jù)是:擰緊螺母到必要位置后，碟簧施加給螺栓一定的預(yù)緊力，預(yù)緊力在橫梁與立柱接合面上所產(chǎn)生的摩擦阻力既能克服機(jī)床運(yùn)動(dòng)或加工時(shí)的振動(dòng)和切削抗力，而又不能阻止橫梁由于溫度變化而發(fā)生的橫向伸縮變形，這樣就不會(huì)使機(jī)床龍門框架由于巨大的熱變形而發(fā)生扭曲變形或者產(chǎn)生破壞性的變形，同時(shí)又能滿足機(jī)床對精度的要求。

對以上結(jié)構(gòu)和其應(yīng)用方式進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在此結(jié)構(gòu)中碟簧的作用:一是保證始終給連接螺栓一定的預(yù)緊力，二是作為防松元件，防止因螺母松動(dòng)而喪失預(yù)緊力。那么，這里就有問題了，第一個(gè)問題:對于機(jī)床大件裝配中所常用的8.8 級及其以上機(jī)械性能等級的螺栓來說，當(dāng)連接螺栓承受軸向預(yù)緊力的情況下，在夾緊長度大于螺紋直徑的3 倍以上時(shí)，使用防松元件可能使預(yù)緊力出現(xiàn)較大的損失，反而增加了螺母松動(dòng)的可能性。

3 新改進(jìn)的應(yīng)對結(jié)構(gòu)

有沒有一種更簡便可靠的結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)同樣的功能呢?我認(rèn)為還有更簡單方便的結(jié)構(gòu)方式。當(dāng)機(jī)械性能8.8 及其以上等級的螺栓承受軸向預(yù)緊力，并在夾緊長度大于螺紋直徑的3 倍以上時(shí)，可通過精確地控制螺栓擰緊時(shí)的預(yù)緊力，當(dāng)螺栓承受振動(dòng)沖擊載荷時(shí)，僅依靠預(yù)緊后螺桿產(chǎn)生的彈性變形，也能保證有足夠的殘余預(yù)緊力阻止螺栓與螺母發(fā)生松動(dòng)，如果再加上螺母具有一定的有效防松力矩，那么就能夠保證螺栓和螺母不發(fā)生松動(dòng)，始終保持預(yù)緊力。

如圖4 所示:將專利結(jié)構(gòu)中的碟簧取消，把普通六角螺母更換為如圖5 所示的GB/T 889.1—2000 非金屬嵌件六角鎖緊螺母或者 GB/T 6184—2000 全金屬六角鎖緊螺母，在緊固螺栓時(shí)使用力矩扳手進(jìn)行緊固，精確控制每個(gè)螺栓的預(yù)緊力，使每個(gè)鏈接螺栓獲得必要的相同的預(yù)緊力。因?yàn)榇祟愭i緊螺母屬于有效力矩型鎖緊螺母，螺母在緊固后，其內(nèi)鑲嵌的尼龍圈(全金屬六角鎖緊螺母為彈性鋼片)具有一定的有效力矩防松鎖緊功能，即使螺母和螺栓承受振動(dòng)沖擊載荷時(shí)，還能保證有足夠的防松鎖緊力。以此類性能等級為10 級的M20 非金屬嵌件六角鎖緊螺母為例，在其擰緊后第一次擰出時(shí)防松結(jié)構(gòu)能提供的有效防松力矩為10.5 N·m。

所以此結(jié)構(gòu)與專利結(jié)構(gòu)具有同樣的作用，即螺栓的預(yù)緊力加上螺母的有效防松力矩，能夠克服機(jī)床運(yùn)動(dòng)或加工時(shí)的抗力，而又不會(huì)因加工時(shí)的沖擊振動(dòng)發(fā)生松動(dòng)，其螺栓的預(yù)緊力加上螺母的有效防松力矩，又不阻止橫梁由于緩慢溫度變化而產(chǎn)生的緩慢的微量伸縮變形，所以圖4 的結(jié)構(gòu)更簡單，經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和可操作性更好。

［1］王長剛.現(xiàn)代工業(yè)建筑設(shè)計(jì)的深度思考——北京第一機(jī)床廠新址建筑設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)建筑，2008，38(10).

［2］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.3 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局.專利公示說明書［P］.