床身導(dǎo)軌變形誤差補償?shù)目尚行苑治?/h1>
2020-08-28 17:15:25汪旭東
機電信息 2020年24期
摘? 要：通過對床身生產(chǎn)制造過程中誤差產(chǎn)生原因的分析，建立床身導(dǎo)軌變形的理論曲線，為人為干涉控制床身的預(yù)應(yīng)力、變形量來減小誤差提供理論依據(jù)，達(dá)到對床身導(dǎo)軌變形誤差進行修正的目的;同時在床身加工整個工藝系統(tǒng)中合理調(diào)整工藝參數(shù)，充分發(fā)揮自位補償功能和形位補償功能，適當(dāng)減少或消除床身在生產(chǎn)制造過程中的誤差，滿足床身導(dǎo)軌的圖紙要求，從而保證車床整機質(zhì)量要求。
關(guān)鍵詞：制造誤差;理論曲線;形位補償
0? ? 引言
對于車床床身來說，由于本身結(jié)構(gòu)的特殊性，在生產(chǎn)制造過程中對于工件的變形難以控制，相應(yīng)地，在床身的整個工藝系統(tǒng)中會產(chǎn)生導(dǎo)軌變形誤差。怎樣解決床身變形誤差問題？本文結(jié)合CW61100E床身實際生產(chǎn)制造過程對導(dǎo)軌變形特性進行了一些定性的分析，探討了通過不同方式的補償消除所產(chǎn)生的誤差，提高和保證床身的整體精度要求。
1? ? 床身制造工藝過程中產(chǎn)生的誤差
1.1? ? 床身切削加工過程中產(chǎn)生的變形誤差
床身加工是在刨床、刀具、工裝卡具夾具共同組成的工藝系統(tǒng)內(nèi)基于床身與刀具之間的相互作用來完成的機械加工。圖1所示為床身在刨床上的加工過程，當(dāng)刨床以一定的切削速度V對床身進行刨削時，由于刨刀存在刀尖圓角半徑，其刨削過程中的背吃刀量a中有一部分切削層厚度為h1的切削層是從刀尖原點Y擠壓完成的，使之成為了刨削加工的一部分，當(dāng)該部分到達(dá)刀尖原點最低點U點時受到機床切削力的影響而產(chǎn)生一段V的擠壓和摩擦，從而使床身加工表面產(chǎn)生相應(yīng)的剪切應(yīng)力，導(dǎo)致床身導(dǎo)軌面的塑性變形，刨削過后導(dǎo)軌加工表面由于其材料的特性而彈性變形恢復(fù)，在已加工的導(dǎo)軌面上形成了厚度為h2的金屬層。因此，在整個床身加工過程中，在刨刀的強烈擠壓形成的正壓力與摩擦力的作用下，加工導(dǎo)軌表面會產(chǎn)生比較大的塑性變形和溫度場，從而在床身加工表面形成了不均勻應(yīng)力場，對于床身來說產(chǎn)生較大的加工殘余應(yīng)力，影響了床身的整體加工精度。
1.2? ? 床身熱處理淬火過程中導(dǎo)軌變形產(chǎn)生的誤差
在目前的床身制造過程中，熱處理導(dǎo)軌變形一直是困擾公司的一大難題，其對于床身的單件質(zhì)量、機床整機質(zhì)量以及使用壽命和生產(chǎn)成本都造成了比較大的影響。因此，研究床身導(dǎo)軌彎曲變形對于提高公司的產(chǎn)品質(zhì)量很有必要。為便于研究，以公司CW61100E/5 m床身為例，將淬火完之后的床身在磨削前用千分表以500 mm長為一測量點進行拉表，如圖2所示，測出5 m床身整體的導(dǎo)軌實際變形量，然后根據(jù)實際測量值畫出導(dǎo)軌實際變形曲線，如圖3所示。
可設(shè)定床身導(dǎo)軌變形是在導(dǎo)軌有效長度內(nèi)的載荷造成的，這一載荷就是床身導(dǎo)軌在淬火過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，在不考慮其他因素影響的條件下，可以將這一載荷設(shè)定為均勻分布在導(dǎo)軌上的載荷，床身可以簡化為受均布載荷的簡支梁。假設(shè)導(dǎo)軌長度為L，高度為H，如圖4所示。
按照床身導(dǎo)軌的彎曲變形曲線，可以利用懸鏈線理論建立的數(shù)學(xué)模型對其進行計算比較。在如圖4所示的坐標(biāo)系中，設(shè)拋物線的焦距為p，床身導(dǎo)軌熱變形最大上拱量為h，可得拋物線方程為x2=-2py，當(dāng)x=±L/2時，y=h，代入上式得p=l2/8h。因此，導(dǎo)軌熱變形后拋物線的方程為x2=-y。這就得出了基于懸鏈線理論的床身導(dǎo)軌變形后數(shù)學(xué)模型。根據(jù)該數(shù)學(xué)模型可以確定床身導(dǎo)軌變形的理論曲線，從而為床身導(dǎo)軌變形的形位補償提供理論基礎(chǔ)。
2? ? 床身導(dǎo)軌變形誤差的修正與補償
根據(jù)床身制造加工的工藝系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中需要得到床身導(dǎo)軌變形的理論修正曲線，按照之前得出的導(dǎo)軌變形的理論曲線方程x2=-y，為使導(dǎo)軌實際變形曲線最小，需要修正補償?shù)那€方程無限接近于實際變形曲線，同時方向相反。據(jù)此，可以得出理論修正曲線方程為x2=y。
目前常用的方法是在粗加工階段通過施加預(yù)應(yīng)力提前進行床身導(dǎo)軌反變形來抵消床身導(dǎo)軌變形量，但是由于受到床身自身剛性以及加工母機工作臺剛性等多方面影響，施加預(yù)應(yīng)力F預(yù)
3? ? 結(jié)語
在床身的整個加工工藝系統(tǒng)中，床身的導(dǎo)軌加工精度除了受加工誤差和熱處理工藝誤差影響以外，還受加工機床應(yīng)力誤差、母機誤差等影響。有一些可以通過工藝延伸提高加工精度，還有些可以通過改變工藝方法提高加工精度，對不可消除的導(dǎo)軌變形誤差，需要制定專用的加工補償方式來對加工誤差進行補償，從而調(diào)整床身導(dǎo)軌誤差。只要對整個制造工藝系統(tǒng)制定合理的工藝路線和參數(shù)，充分發(fā)揮其補償功能，就能有效減少甚至消除整個制造過程中床身導(dǎo)軌產(chǎn)生的誤差，從而使床身導(dǎo)軌達(dá)到使用要求。
[參考文獻]
[1] 莊愛華，吳鏡輝.淺析床身導(dǎo)軌加工工藝的改進[J].機電工程技術(shù)，2011，40（6）：132-133.
[2] 朱裕華.細(xì)長鋼導(dǎo)軌的淬硬變形控制[J].制造技術(shù)與機床，1998（9）：37-38.
[3] 唐開勇.機床導(dǎo)軌熱變形及熱應(yīng)力的計算[J].機床與液壓，2002（4）：157-158.
[4] 陶湘保，張德賢，劉筱連.機床熱變形的主動補償[J].中國機械工程，1999，10（8）：923.
收稿日期：2020-06-17
作者簡介：汪旭東（1982—），男，甘肅天水人，工程師，研究方向：機械制造工藝。
摘? 要：通過對床身生產(chǎn)制造過程中誤差產(chǎn)生原因的分析，建立床身導(dǎo)軌變形的理論曲線，為人為干涉控制床身的預(yù)應(yīng)力、變形量來減小誤差提供理論依據(jù)，達(dá)到對床身導(dǎo)軌變形誤差進行修正的目的;同時在床身加工整個工藝系統(tǒng)中合理調(diào)整工藝參數(shù)，充分發(fā)揮自位補償功能和形位補償功能，適當(dāng)減少或消除床身在生產(chǎn)制造過程中的誤差，滿足床身導(dǎo)軌的圖紙要求，從而保證車床整機質(zhì)量要求。
關(guān)鍵詞：制造誤差;理論曲線;形位補償
0? ? 引言
對于車床床身來說，由于本身結(jié)構(gòu)的特殊性，在生產(chǎn)制造過程中對于工件的變形難以控制，相應(yīng)地，在床身的整個工藝系統(tǒng)中會產(chǎn)生導(dǎo)軌變形誤差。怎樣解決床身變形誤差問題？本文結(jié)合CW61100E床身實際生產(chǎn)制造過程對導(dǎo)軌變形特性進行了一些定性的分析，探討了通過不同方式的補償消除所產(chǎn)生的誤差，提高和保證床身的整體精度要求。
1? ? 床身制造工藝過程中產(chǎn)生的誤差
1.1? ? 床身切削加工過程中產(chǎn)生的變形誤差
床身加工是在刨床、刀具、工裝卡具夾具共同組成的工藝系統(tǒng)內(nèi)基于床身與刀具之間的相互作用來完成的機械加工。圖1所示為床身在刨床上的加工過程，當(dāng)刨床以一定的切削速度V對床身進行刨削時，由于刨刀存在刀尖圓角半徑，其刨削過程中的背吃刀量a中有一部分切削層厚度為h1的切削層是從刀尖原點Y擠壓完成的，使之成為了刨削加工的一部分，當(dāng)該部分到達(dá)刀尖原點最低點U點時受到機床切削力的影響而產(chǎn)生一段V的擠壓和摩擦，從而使床身加工表面產(chǎn)生相應(yīng)的剪切應(yīng)力，導(dǎo)致床身導(dǎo)軌面的塑性變形，刨削過后導(dǎo)軌加工表面由于其材料的特性而彈性變形恢復(fù)，在已加工的導(dǎo)軌面上形成了厚度為h2的金屬層。因此，在整個床身加工過程中，在刨刀的強烈擠壓形成的正壓力與摩擦力的作用下，加工導(dǎo)軌表面會產(chǎn)生比較大的塑性變形和溫度場，從而在床身加工表面形成了不均勻應(yīng)力場，對于床身來說產(chǎn)生較大的加工殘余應(yīng)力，影響了床身的整體加工精度。
1.2? ? 床身熱處理淬火過程中導(dǎo)軌變形產(chǎn)生的誤差
在目前的床身制造過程中，熱處理導(dǎo)軌變形一直是困擾公司的一大難題，其對于床身的單件質(zhì)量、機床整機質(zhì)量以及使用壽命和生產(chǎn)成本都造成了比較大的影響。因此，研究床身導(dǎo)軌彎曲變形對于提高公司的產(chǎn)品質(zhì)量很有必要。為便于研究，以公司CW61100E/5 m床身為例，將淬火完之后的床身在磨削前用千分表以500 mm長為一測量點進行拉表，如圖2所示，測出5 m床身整體的導(dǎo)軌實際變形量，然后根據(jù)實際測量值畫出導(dǎo)軌實際變形曲線，如圖3所示。
可設(shè)定床身導(dǎo)軌變形是在導(dǎo)軌有效長度內(nèi)的載荷造成的，這一載荷就是床身導(dǎo)軌在淬火過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，在不考慮其他因素影響的條件下，可以將這一載荷設(shè)定為均勻分布在導(dǎo)軌上的載荷，床身可以簡化為受均布載荷的簡支梁。假設(shè)導(dǎo)軌長度為L，高度為H，如圖4所示。
按照床身導(dǎo)軌的彎曲變形曲線，可以利用懸鏈線理論建立的數(shù)學(xué)模型對其進行計算比較。在如圖4所示的坐標(biāo)系中，設(shè)拋物線的焦距為p，床身導(dǎo)軌熱變形最大上拱量為h，可得拋物線方程為x2=-2py，當(dāng)x=±L/2時，y=h，代入上式得p=l2/8h。因此，導(dǎo)軌熱變形后拋物線的方程為x2=-y。這就得出了基于懸鏈線理論的床身導(dǎo)軌變形后數(shù)學(xué)模型。根據(jù)該數(shù)學(xué)模型可以確定床身導(dǎo)軌變形的理論曲線，從而為床身導(dǎo)軌變形的形位補償提供理論基礎(chǔ)。
2? ? 床身導(dǎo)軌變形誤差的修正與補償
根據(jù)床身制造加工的工藝系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中需要得到床身導(dǎo)軌變形的理論修正曲線，按照之前得出的導(dǎo)軌變形的理論曲線方程x2=-y，為使導(dǎo)軌實際變形曲線最小，需要修正補償?shù)那€方程無限接近于實際變形曲線，同時方向相反。據(jù)此，可以得出理論修正曲線方程為x2=y。
目前常用的方法是在粗加工階段通過施加預(yù)應(yīng)力提前進行床身導(dǎo)軌反變形來抵消床身導(dǎo)軌變形量，但是由于受到床身自身剛性以及加工母機工作臺剛性等多方面影響，施加預(yù)應(yīng)力F預(yù)
3? ? 結(jié)語
在床身的整個加工工藝系統(tǒng)中，床身的導(dǎo)軌加工精度除了受加工誤差和熱處理工藝誤差影響以外，還受加工機床應(yīng)力誤差、母機誤差等影響。有一些可以通過工藝延伸提高加工精度，還有些可以通過改變工藝方法提高加工精度，對不可消除的導(dǎo)軌變形誤差，需要制定專用的加工補償方式來對加工誤差進行補償，從而調(diào)整床身導(dǎo)軌誤差。只要對整個制造工藝系統(tǒng)制定合理的工藝路線和參數(shù)，充分發(fā)揮其補償功能，就能有效減少甚至消除整個制造過程中床身導(dǎo)軌產(chǎn)生的誤差，從而使床身導(dǎo)軌達(dá)到使用要求。
[參考文獻]
[1] 莊愛華，吳鏡輝.淺析床身導(dǎo)軌加工工藝的改進[J].機電工程技術(shù)，2011，40（6）：132-133.
[2] 朱裕華.細(xì)長鋼導(dǎo)軌的淬硬變形控制[J].制造技術(shù)與機床，1998（9）：37-38.
[3] 唐開勇.機床導(dǎo)軌熱變形及熱應(yīng)力的計算[J].機床與液壓，2002（4）：157-158.
[4] 陶湘保，張德賢，劉筱連.機床熱變形的主動補償[J].中國機械工程，1999，10（8）：923.
收稿日期：2020-06-17
作者簡介：汪旭東（1982—），男，甘肅天水人，工程師，研究方向：機械制造工藝。
