数控机床几何精度保持性分析及应力措施

发布时间:2020-02-17  发布者:禹创重工机械
根据GB18400.1-2010中几何精度的检测项目,除去与主轴精度相关的项目,几何精度主要是与运动轴线相关的精度。运动轴线几何精度保持性取决于基础件精度保持性。基础件在设计阶段的主要任务是完成结构方案,校核刚度和强度,确定导轨安装基准面等的公差;在制造阶段的主要任务是合理地基础件内应力以及装配后的几何精度。国产数控机床在设计时根据设计手册选择零件的经济精度,当装配精度达不到要求时,利用试凑或者采用不恰当的拧紧等措施使基础件局部变形过大来几何精度,造成较大的装配应力。内应力往往根据经验,缺乏规范的工艺措施。如果设计时不能充分考虑装配时和使用时力、热等造成的基础件精度变化,就会导致精度设计不合理,进而可能造成装配时产生较大的装配应力,使用时装配应力释放导致导轨滑块安装基准变化,加剧导轨滑块磨损。如果制造阶段内应力释放不,服役时,内应力释放也将导致导轨滑块的安装基准发生变化,造成导轨滑块的非正常磨损,精度保持性下降。
因此,造成导轨滑块非正常磨损的主要因素为:内应力释放变形和装配应力蠕变变形等。
1、内应力工艺
机床基础件大部分为铸件,少量为焊接件,在铸造或焊接过程中会产生的内应力。为了使内应力充分释放,往往采用自然失效的方式处理基础件。自然失效周期较长,不能满足生产时,采用热时效的方式。热时效耗能大,基础件大小受限于时效炉的尺寸。目前较为流行的是振动时效。床身的各阶振型,作为振动时效工艺参数选择的依据,但是没有定量给出铸造残余应力振动时效后应力变化的大小。低频振动时效时零件变形量大,甚至出现破坏,为了防止出现这种现象,提出了超过1kHz的高频振动工艺方案,在两块焊接的钢板上进行了试验验证,高频振动更能均化焊接件的残余应力的结论。焊接件一般质量较小,但是对于大型铸件,高频振动受激振能量限制,不太合适。某型号卧式加工中心床身结构,利用模态分析选择了振动时效的激振频率、支撑点、激振点和拾振点,根据工件质量选择了激振时间,根据较大动应力和激振力的关系选择了激振力大小,并且与原有振动工艺应力的效果进行了对比。目前,对振动时效的定量研究较少,大部分工厂是按照经验对大型基础件进行振动时效处理。
因此,为了减小内应力释放变形造成的轴线基准变形以及基准变形造成的导轨滑块非正常磨损,需要规范基础件制造时的内应力工艺,定量控制内应力的大小。
2、减小装配应力的措施
设计时如果没有考虑移动部件重力在全行程内造成的基础件精度变化,造成装配后的轴线几何精度达不到设计要求,现场采用不恰当的拧紧等措施使基础件局部变形过大来导轨的直线度、平行度等精度,就会产生较大的装配应力。机床使用时,地脚螺栓中受力较大的螺栓蠕变较快,导轨安装基准变化;同时,导轨的基准变化将加剧导轨滑块的磨损,轴线几何精度丧失。
在设计阶段,根据卧式加工中心移动部件在行程内质心位置变化造成的导轨安装基准面变形,利用ANSYS的APDI二语言优化了地脚螺栓布局,使导轨安装面直线度由11.6μm减小到了8.6μm。减小了为机床精度造成的部分地脚螺栓应力,使地脚螺栓的布局设计更加合理。在大型非球面超机床上设计了卸荷浮板结构,减小了导轨负荷(导轨及其上移动部件的质量)。当卸荷量达到12kN时,主导轨直线度为0.375μm/600mm。大型数控龙门铣床横梁重力变形问题,在辅助梁上设置了3个出力可控的液压千斤顶,利用遗传算法实现了自演机制,减小了重力变形造成的误差。上述两种方法利用改变横梁结构,增大横梁刚度,减小了重力变形对导轨直线度的影响,间接地提高了机床的精度保持性。但是受机床结构影响,有些机床不能通过改变结构来增大横梁刚度,只能通过制造阶段的工艺措施来合理地精度。
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