1. 依據有限元分析繪出橫梁導軌受力變形曲線(xiàn)

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構特點(diǎn)，中間懸掛滑板、滑枕和五軸頭等部件，導致橫梁導軌除受自身重力外，還需承載較大的重力及傾覆力矩，實(shí)際裝配掛梁后由于重力及傾覆力矩作用橫梁產(chǎn)生塌腰現象。

（1） Ansys靜力分析

以裝配體的形式建立橫梁三維模型，通過(guò)有限元對橫梁靜、動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析，依據橫梁振動(dòng)相對變形的振型和幅值，以及機床的工作環(huán)境和機床設計的結構力學(xué)理論，提出橫梁結構及加工的改進(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、Y方向為平行于橫梁向左、Z方向為垂直于橫梁向上為正。依據有限元分析，設計大型橫梁1#上導軌大面、2#上導軌立面、3#下導軌大面、4#下導軌立面仿形曲線(xiàn)圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 橫梁導軌面示意圖

（2）橫梁導軌仿形曲線(xiàn)

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致變形，橫梁上下兩條直線(xiàn)導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。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(dòng)到橫梁中間，滑枕移到下極限位置時(shí)。加工工藝根據其變形曲線(xiàn)仿形加工，減少滑板、滑枕在橫梁上移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的直線(xiàn)度誤差。橫梁導軌受力變形量仿形曲線(xiàn)圖如圖2所示。

圖2 橫梁導軌仿形曲線(xiàn)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(guò)橫梁加工及裝配過(guò)程直線(xiàn)度等精度檢測數據分析，找出橫梁導軌面加工曲線(xiàn)及工藝方法滿(mǎn)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構鋼1 6 M n，零件輪廓尺寸長(cháng)x寬x 高為10460x1815x1580mm，凈重25.5噸，標準材料16Mn鋼材厚度大于50-100mm，抗拉強度R m為470-620N/mm² 。根據硬度抗拉強度對照表德國標準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力，零件在機加工之后其內部易殘存應力，所有這些內應力都必須消除。消除殘余應力最通用的方法是去應力退火，即將零件放在熱處理爐內加熱到一定溫度(Ac₁以下) 和保溫一定時(shí)間，利用材料在高溫下屈服極限的降低，使內應力高的地方產(chǎn)生塑性流動(dòng)， 彈性變形逐漸減少， 塑性變形逐漸增加而使應力降低。焊接件去應力退火加熱溫度為500-550℃，保溫時(shí)間為2-4 h，爐冷至300 ℃ 以下出爐空冷，消除加工應力退火加熱溫度為400-550℃，保溫時(shí)間為2-4h，爐冷或空冷。橫梁去應力退火對零件精度保持有重要作用，零件質(zhì)量穩定性較好，因此大型橫梁應二次以上去應力熱處理即毛坯焊接后及粗加工后去應力退火。

依據標準并結合實(shí)際應用繪出熱處理溫度-時(shí)間工藝曲線(xiàn)圖（見(jiàn)圖3）。熱處理工藝規程：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(shí)間工藝曲線(xiàn)圖

（2）橫梁加工工藝

大型橫梁加工工藝流程：毛坯（焊接16Mn）-毛坯去應力退火-劃-粗銑-時(shí)效處理（二次去應力退火）-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劃線(xiàn)，照顧支撐面及直線(xiàn)導軌面壁厚均勻，回字內腔壁厚均勻且成矩形。粗銑選用大型龍門(mén)銑床，用可調墊鐵，以導軌面為粗加工基準，銑背面作為導軌面粗銑加工基準面，粗銑序橫梁直線(xiàn)導軌向上，銑出導軌形狀，去除機械加工余量，提前發(fā)現毛坯缺陷等。橫梁粗加工后要進(jìn)行二次時(shí)效，去除殘余應力退火。半精銑選擇大型數控龍門(mén)鏜銑床，為避免大型橫梁吊裝、翻轉產(chǎn)生變形，大型橫梁應在此序以裝配狀態(tài)加工，以導軌面為裝置面，精銑橫梁支撐面做裝置面，除直線(xiàn)導軌、光柵尺、齒條基準面留量外，其余防護、管路及電氣元件等結合面、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(mén)五面加工中心，先以導軌面為裝置面，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側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(gè)0.1mm等厚銅皮放于墊鐵上，橫梁落下后，抽動(dòng)銅皮不動(dòng)，可以進(jìn)行加工（見(jiàn)圖4）。用直角頭精銑齒條安裝正、側面，檢測正面和側面直線(xiàn)度，通過(guò)數據曲線(xiàn)分析機床實(shí)際精度。按設計仿形曲線(xiàn)圖及機床實(shí)際精度綜合修正值編程，按程序再次加工齒條安裝正、側面驗證曲線(xiàn)，加工后檢測。檢測直線(xiàn)度與導軌設計仿形曲線(xiàn)一致后，仿形加工上下導軌大面、立面，同時(shí)精銑齒條面、光柵尺面等安裝基面，精銑時(shí)壓板松開(kāi)不夾緊。

圖4 橫梁加工示意圖

大型橫梁精加工設備采用沈陽(yáng)機床自制的龍門(mén)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(xiàn)，設備精度具備X/Y/ Z定位精度0.02/0.015/0.01mm,重復定位精度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，切削參數均為轉速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(xiàn)運動(dòng)的直線(xiàn)度：a)在YZ垂直平面內、b)在XY水平平面內允差值：0.014/1000mm；0.035/7000mm。G4項Y軸移動(dòng)的角度偏差：a)在YZ垂直平面內(俯仰)、b)在XZ垂直平面內（傾斜）、c)在XY水平面內（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(xiàn)度檢測-線(xiàn)軌裝配--安裝線(xiàn)軌后直線(xiàn)度檢測-齒條裝配-光柵尺裝配-Y軸驅動(dòng)裝配-安裝液壓管路-電氣接線(xiàn)-安裝行程開(kāi)關(guān)確定Y軸行程-Y軸總裝直線(xiàn)度檢測（加修或刮研調整）-角度偏差檢測（加修或刮研調整）-防護安裝。通常，龍門(mén)式數控機床為保證裝配后的Y軸運動(dòng)的直線(xiàn)度，工藝方法根據設計變形曲線(xiàn)圖進(jìn)行仿形加工，但因設備精度、環(huán)境溫度、材料硬度等諸多因素影響，實(shí)際銑削仿形曲線(xiàn)往往會(huì )隨之發(fā)生變化。橫梁精加工后轉部裝，為減少環(huán)境溫度偏差造成的直線(xiàn)度誤差，橫梁進(jìn)部裝在安裝直線(xiàn)導軌前、后應復檢導軌正、側向直線(xiàn)度，對于直線(xiàn)導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(xiàn)導軌大面向上，用自準直儀檢測直線(xiàn)度，根據直線(xiàn)度計算軟件得出上下導軌正、側向曲線(xiàn)值，應用于小型批量型龍門(mén)式數控鏜銑床橫梁。大型橫梁采用立放即裝配狀態(tài)，用激光校準儀檢測導軌直線(xiàn)度，檢測數值與設計曲線(xiàn)值對比，不合格轉加工車(chē)間加修，合格轉總裝掛箱檢測。

總裝掛箱后實(shí)測Y軸移動(dòng)直線(xiàn)度，滑枕處于最下端，用激光校準儀通過(guò)專(zhuān)用支板具與滑枕結合置于滑枕上，200mm步長(cháng)采數，分別得出YZ垂直平面內正向直線(xiàn)度，XY水平平面內側向直線(xiàn)度。用電子水平儀置于與滑枕連接支架具上，500mm步長(cháng)采數，移動(dòng)滑板Y軸由負向正，得ZX垂直面內角偏和YZ垂直面內角偏。用自準直儀移動(dòng)滑板Y軸由負向正，得在XY水平面內角偏。通過(guò)總裝掛箱后實(shí)測Y軸運動(dòng)直線(xiàn)度及角度偏差，分析直線(xiàn)度及角度偏差是否滿(mǎn)足幾何精度允差值，如與要求不符合裝配分析直線(xiàn)度及角偏數值及曲線(xiàn)圖形，計算實(shí)際曲線(xiàn)修正值并編制程序加修，或裝配采取刮研方法，達到整機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、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(guò)程中的變形，裝配采取刮研方法進(jìn)行精度調整。

高精度橋式五軸加工中心大型橫梁直線(xiàn)導軌呈對稱(chēng)式設計，依據仿形曲線(xiàn)并結合實(shí)際，裝配仿形曲線(xiàn)導軌直線(xiàn)度檢測精度在YZ垂直面內下導軌大面直線(xiàn)度為0.01-0.02mm，導軌中部凹，上導軌大面直線(xiàn)度為0.025-0.03mm，導軌中部凹。在XY水平面內上、下導軌立面直線(xiàn)度為0.1-0.13mm，導軌中部上凹下凸，上下導軌平行度0.02mm。仿形加工后，部裝安裝直線(xiàn)導軌，用電子水平儀檢測導軌直線(xiàn)度，對比理論曲線(xiàn)：│實(shí)測值-理論值│≤50μm，導軌直線(xiàn)度基本符合設計曲線(xiàn)允差范圍?？傃b掛箱并安裝五軸頭后Y軸移動(dòng)用激光校準儀檢測導軌直線(xiàn)度及用電子水平儀檢測角偏，裝配記錄檢測數值并分析。為減少橫梁反修周轉變形，裝配采用刮研橫梁上下導軌大面及立面方法，使用電動(dòng)或手動(dòng)刮刀，通過(guò)刮研導軌大面和立面，提高Y軸移動(dòng)的直線(xiàn)度及角偏精度。刮研方法，刮研前根據總裝檢測數值及圖形，先確定刮研位置及范圍、刮研量、刮研次數。按200mm一段劃線(xiàn)做好標記，導軌面刮研應邊刮研邊檢測，每次刮研嚴格控制刮研量，不許刮過(guò)量，每刮一次需用專(zhuān)用研具檢驗接觸率,當刮研直線(xiàn)導軌兩端時(shí)，假導軌面也需要刮研，保證假導軌與導軌對接處平整，不能出現臺階。刮研完成后，安裝直線(xiàn)導軌檢驗幾何精度，若不合格，再一次進(jìn)行刮研，直至合格為止。

4. 橫梁直線(xiàn)度檢測方法

導軌直線(xiàn)度現有四種檢測方法：平尺拉表法、自準直儀（平行光管）、水平儀、激光校準儀。平尺拉表法因為受平尺長(cháng)度影響，只能檢測橫梁局部的直線(xiàn)度，所以不采用。一般情況下，橫梁直線(xiàn)度檢測用自準直儀，通過(guò)專(zhuān)用橋板長(cháng)200mm置于直線(xiàn)導軌大面及立面上，檢測平數隨導軌長(cháng)度增加而增多，記錄數據后通過(guò)輸入計算機直線(xiàn)度計算程序軟件，生成圖形曲線(xiàn)?？蚴剿絻x一般用于調整橫梁水平，因檢測直線(xiàn)度效率低及讀數誤差大，現已很少使用。大型橫梁直線(xiàn)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、激光校準儀、直線(xiàn)度鏡組，并根據檢測方法設計專(zhuān)用的滑塊連接板、平行檢具、等高塊等。電子水平儀因無(wú)讀數誤差、數據可傳輸、可通過(guò)軟件計算生成曲線(xiàn)圖、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，為工藝方法廣泛推廣使用。

5. 結語(yǔ)

通過(guò)對大型橫梁仿形加工及裝配的實(shí)踐，提出橫梁設計及工藝優(yōu)化的建議。

（1） 橫梁結構直線(xiàn)導軌應采用上下導軌側基準在下導軌形狀平移式分布，不應如床身直線(xiàn)導軌形狀對稱(chēng)式分布（見(jiàn)圖5）。優(yōu)點(diǎn)在于： a ) 側基準在下可作為直線(xiàn)導軌的支撐面，通過(guò)預變形仿形加工凸形補償導軌因重力塌腰；b)平移式側基準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(chēng)式分布其中一條側基準為切入式吃刀，切削力變大，切削精度受影響；c)平移式側基準對于大型橫梁立式裝配有利。大型橫梁為避免吊裝、翻轉的變形，部裝采用裝配狀態(tài)安裝直線(xiàn)導軌、齒條、光柵尺，直線(xiàn)導軌側壓塊安裝方便且側頂力均勻。相反如果對稱(chēng)式分布其中一條側基準在上，導軌仿形為凹形，側壓塊在鎖緊固定時(shí)，需要較大的力，導致直線(xiàn)導軌側基準因受力不均而變形，影響裝配精度；d)平移式側基準對于裝配刮研有力。因側基準為平行中凸，裝配刮研只刮高點(diǎn)，操作相對容易且準確快捷。而對稱(chēng)式分布兩條側基準仿形為上凹下凸式，凹面刮研量大且困難。

圖5 橫梁直線(xiàn)導軌分布

（2）大型橫梁超重超大，因結構優(yōu)化橫梁外觀(guān)差別較大。鑄件橫梁上下導軌階梯平移式布局、焊接橫梁背板整板煨彎式設計、大型焊接橫梁回字腔整板筋加強型設計等，大型橫梁因吊裝翻轉困難且容易變形，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的統一。