摘 要：横梁导轨是龙门镗铣床重要的支撑部件，其直线度精度直接影响工件的加工精度。针对龙门镗铣床长时间运行后横梁导轨直线度精度降低的问题，依托有限元技术，从横梁结构和现场装配工艺两个角度提出解决方案。从横梁结构上改进来提高抗弯刚度，从工艺上调整立柱的地脚螺栓处垫铁。通过横梁导轨变形量试验，结构和工艺都改进后的横梁导轨直线度提高超过50%，说明改进方法对提高横梁导轨直线度有明显作用。
关键词：龙门铣镗床；有限元分析；直线度；结构改进；垫铁
龙门镗铣床具有高精度特性，在加工结构复杂的模具、板盘、箱体及凸轮等各类工件中发挥着重大作用。但是当其重要支撑部件横梁导轨的直线度误差超过设计精度时，就会使得零件的轮廓误差和位置误差都超差，大大降低加工工件的质量，因此需要对提高横梁导轨直线度精度的方法展开研究。从现有文献来看，韩丽娟[1]等对某型数控车床的导轨直线度及其测量过程进行了研究，并编写了直线度误差测量程序，但没有从结构和工艺角度对提高横梁直线度的方案进行讨论；宁延平[2]等对国内外高精度直线度的各种测量方案进行了详细的对比分析，但未针对龙门镗铣床的横梁导轨直线度进行研究。现有报道多见对直线度测量及数据处理的内容，未见对大型龙门铣床的横梁导轨直线度提高方法的探讨。
龙门镗铣床装配过程中容易出现工艺不当的问题，随着使用时间的增长，其主要支撑部件如横梁由于磨损、自身重力变形、撞击变形等因素会使得导轨的直线度精度降低[3]。要保证工件的加工精度就必须保证横梁导轨的直线度精度。针对长时间运行后机床横梁导轨直线度精度降低的问题，本文从横梁导轨的结构和现场装配工艺两个方面进行研究。利用有限元分析技术，分别改进横梁结构和装配工艺来提高横梁直线度精度：一在结构上提高横梁的抗弯刚度；二是调整靠近横梁导轨侧的立柱上地脚螺栓处垫铁。最后将改进结构和工艺后的横梁导轨有限元仿真结果和现场试验测试结果对比分析，提高直线度都达到了50%以上，证明改进方案是正确的。
1 有限元建模
国产的某型龙门镗铣床由床身、立柱、横梁、主轴箱、工作台等部件组成，如图1所示。由于龙门镗铣床几何结构复杂, 在建立有限元模型时, 忽略掉所有细微复杂的几何因素,只考虑起主导作用的因素来建立整机的简化模型[4-5]。采用Pro/E软件先将各部件建立三维实体模型并装配得到整机模型，导入ANSYS的Work-bench应用平台，设置机床的材料属性[6-7]。其中立柱的材料为HT250，杨氏模量为1.2×105 MPa,密度为7 210 kg/m3,泊松比0.22；横梁等其他大件用Q235A，杨氏模量为2.1×105 MPa,密度为7 860 kg/m3,泊松比0.3。在结合面处将节点自由度完全耦合[8]，将床身、立柱、横梁、连接梁和主轴箱等部件装配, 得到龙门镗铣床整机的有限元模型。进行网格划分时，采用SOLID 45 单元对实体进行网格划分, 共有338 390 个节点, 142 169 个单元，见图2。
2 改进横梁导轨结构
为提高横梁导轨直线度，需要从结构上改变。其结构可以在内部改进，考虑到现有龙门镗铣床横梁结构已经成型，因此在横梁外部进行改进。根据文献[9]可知，横梁在Y向的抗弯刚度较低。由于其刚度是连续变化的，而横梁中间没有支撑点，其柔度较大。为增加其Y轴的抗弯刚度，考虑到需要在原有横梁的基础上进行结构改进，提出一种结构改进方案如图3。为避免主轴箱的加工行程受限，将矩形结构增加在原有横梁上方来提高其在垂直面和水平面的刚度。对改进结构后的横梁装配体在重力作用下的变形进行有限元分析，得到结构改变后的主轴头沿Z向位移量见表1和图4a，沿X向位移量见表2和图4b。
表1 结构改变前后主轴头Z向位移的变化
表2 结构改变前后X向位移的变化
从表1、2的数据和图4发现：(1)原始结构主轴头沿Z、X方向的位移变化值相对较大，其差值也相对较大,分别为：39.1-25.8=13.3 μm，14.5-5.5=9 μm；(2)改进后的结构主轴头沿Z、X方向的位移变化值相对较小，其差值也相对较小,分别为：33.5-26.1=7.4 μm，9.8-4.5=5.3 μm；(3)改进的结构能使Y轴横梁在YZ平面和XY平面内直线度变好，都提高了近50%。
3 改进装配工艺
现场装配工艺按照先部装，再总装的原则，先对横梁进行部装后，将横梁与立柱进行装配。在安装调整好之后，对装配工艺进行改进：通过调整立柱的地脚螺栓处可调垫铁(靠近横梁的导轨侧)，使其稍微调高一些，要根据有限元模型中横梁及其主轴箱的重力来确定“调高”的这个量。这种做法可以改善滑鞍、主轴箱倾覆力矩对横梁导轨直线度的影响，但主轴头的位置可能会发生相对较大的位移，这样会产生应力(主要是床身与立柱的连接螺栓处)，对机床精度保持性可能产生影响。把调整垫铁沿Z方向调高0.03 mm的位移，再根据有限元分析计算主轴头上在XY平面内沿X向的位移的变化值，得出变化值的系列值。得到表3和图5。在变化的系列值找出最大值和最小值的差值，即对直线度的影响。
表3 主轴头上某固定点沿Z向的位置变化值
从表3的数据及图5发现：(1)原始结构主轴头沿X方向的位移变化值比较小，但是其差值相对较大，其大小为：14.5-6.9=7.6 μm;(2)地脚螺栓处垫铁调整后主轴头沿X方向的位移变化值比较大，但是其差值相对较小，其大小为：51.2-47.2=4 μm;(3)调整靠近滑鞍侧地脚螺栓处垫铁能使横梁导轨直线度变好，提高了近50%。
4 试验验证
为检验结构和工艺改进后横梁导轨直线度的变化，考虑到横梁在Z向的变形量较大，因此进行了主要体现其Z向位移变化的横梁导轨变形量测量实验，测量现场如图6。横梁在X向的位移可采用自准直仪法进行测量[10]，文中不加详述。将改进方案后的有限元仿真结果与试验结果进行对比分析。通过对比改进方案前后主轴头沿Z向位移量，得到横梁导轨的直线度数值。按照实际装配情况将横梁置于立柱上，以工作台水平为基准，将千分表放置于滑枕下，以横梁右端为起始点，得到方案改变前后主轴头Z向位移变化[11]如图7。由图7发现：(1)试验测量结果和有限元仿真结果吻合度较好，有限元仿真结果的位移差值(3.8 μm)比测量结果(2.6 μm)大；(2)测量结果中原始结构主轴头沿Z方向的位移变化值相对较大，其大小为：14.5-6.5=8 (μm); (3)方案改进后主轴头沿Z方向的位移比较大，但是其差值相对较小，其大小为：51.1-48.5=2.6(μm);(3)方案改进后，有限元仿真结果和试验测量结果显示分别提高横梁导轨直线度53%和67%。
5 结语
横梁导轨直线度精度对加工件质量有着重大影响。对国产某型龙门镗铣床进行实体建模和有限元网格划分后，对横梁导轨结构和装配工艺分别进行改进后得到两组仿真结果。结合横梁导轨变形量测量试验和总体方案改进后的仿真数据，得到如下结论：
(1)单独将横梁导轨外部结构进行改进后能使横梁在XY和YZ平面内直线度都提高近50%。
(2)通过调整靠近滑鞍侧的地脚螺栓处垫铁可以改善滑鞍、主轴箱倾覆力矩对横梁导轨直线度的影响，但主轴头的位置发生了相对较大的位移。但仍能使横梁导轨直线度提高近50%。
(3)结构和工艺都改进后的方案有限元仿真结果与试验得到的数据吻合度好，对横梁导轨直线度分别提高53%和67%。说明了改进方案的正确性和有效性。
(4)在改进横梁导轨直线度的两种方法中，在保证机床整体刚度的前提下，可以优先考虑调节地脚螺栓处垫铁的方案，但是调整地脚螺栓处垫铁方法的通用性需要进一步探讨。
