龙门机床横梁导轨加工

动梁龙门机床横梁导轨加工

目录

一、概述

二、横梁有限元分析

一）横梁结构特点及工作状态分析

二）横梁静态分析

三）横梁导轨分析结果处理

三、横梁导轨加工

一）效验横梁导轨有限元分析结果

二）检测加工设备精度

三）横梁导轨加工

四、结束语

五、参考文献

一．概述

装备制造业是整个工业的基础，而机床行业更是装备制造业的基础。近几年我国加大了对装备制造业的投入，

机床行业也在这个时期得到了突飞猛进的发展。无论是从

产量上，还是产品规模上，中国机床行业都已经在世界机

床行业中占据了重要的地位。

随着装备制造业的不断发展，“先进制造技术”的概念被提出。装备制造业逐渐向精密化、极端化方向发展，因

此近几年机床行业的主要发展方向是大型重切削机床和小

型高精密机床。我国机床行业近几年也开始转变发展方向，将进一步提高机床的精度作为主要的发展方向。

动梁龙门移动式机床结构是最适合大型重切削机床，而从整个动梁龙门移动式机床的结构分析。横梁零件即直

接决定机床Y轴精度，又间接影响机床的Z轴精度。再从

横梁零件的工作状态分析，横梁即受本身自重变形影响，

又受Z轴工作时产生的力影响。因此，可以看出横梁零件

是影响机床Y轴、Z轴两个方向精度的主要零件，而其零件

本身的受力情况又比较复杂。

所以，提高横梁零件的加工精度，对提高机床精度以及横梁零件的加工工艺都具有很大的意义。

二. 横梁有限元分析

一）横梁结构特点及工作状态分析

图1，动梁龙门机床整体结构图

动梁龙门机床的主要结构如上图1所示，其运动特性是：两组床身是机床的X轴，整个龙门框架在两组床身上移动；两个立柱是机床的W轴，横梁在立柱上沿导轨上下移动；横梁是机床的Y轴，滑枕和滑板沿横梁导轨左右移动；滑枕在滑板中上下移动是机床的Z轴。

按上图1所示，横梁零件主要承受的力由两方面产生：一是横梁自身的重量。按龙门机床的结构特点分析，横梁两端支撑，中间悬空。随着机床Y轴行程的增大，横梁自身变形量也会相应的增大。二是滑板、滑枕和铣头体等零件在横梁上移动，导致横梁产生的变形。

图2 动梁龙门机床横梁零件背面示意图

图2所示是横梁背部示意图，图上8处黄色零件时用来固定横梁与立柱导轨的压板。压板为横梁提供水平方向的力，用来平衡滑枕和滑板等零件对横梁产生的翻转力矩。图中两个黑色箭头表示丝杠座为横梁提供的垂直方向支撑力。

通过对横梁三维图进行零件重心分析，横梁重心如图3所示

位置。从图上所示的位置可以看出，

横梁的支撑力与横梁重心不

图3 三维软件分析横梁重心位置

在同一直线上。因此，横梁的支撑力与横梁自重及横梁受到的翻转力矩不能相互抵消，横梁受到的力会导致横梁产生变形。

下一节需要根据横梁的受力情况对横梁零件进行有限元分析。

二）横梁静态分析

根据上一节对动梁龙门机床特性的分析，横梁的静态刚性性能特性将对整个机床特性起到关键作用。因此，本节将对动梁龙门机床横梁零件的静态刚性进行有限元分析。

图4 课题研究思路流程图

本课题根据图4所示的研究工作路线图，开展了以下具体研究工作:

(1) 创建CAD模型（SolidWorks软件）：以VMG60200WMH 动梁龙门移动式加工中心横梁零件为模型创建CAD模型。

(2) 获得横梁的有限元网格模型：根据VMG60200WMH动梁龙门移动式加工中心横梁零件结构特点，分析横梁部件的受力

大小、受力位置等情况。采取先进行结构简化，然后在ANSYS

软件中对被定义的配合接

触面加以分析处理；采取二阶实体四面体单元方法对龙门加工中心的横梁部件进行了

网格划分，最后得到横梁部件的有限元网格模型。

(3) 确定原结构的动、静态特性：我们通过测试试验的途径得到横梁各配合接触面的特征参数，再采用模态分析理论中的分量分析法，将这些特征参数用于横梁结构有限元建模中，从而获得较为精确的横梁有限元模型，再通软件建立得到的有限元模型再逐步进行模态、静力和谐响应等相关性能的进一步论证分析，最后获得横梁原始结构状态的静、动态特性。

(4)根据上步的分析结果，得到横梁各导轨面的的静态刚性变形曲线值。

具体分析过程：

（1）横梁零件CAD建模。以VMG60200WMH横梁为例，该横梁长13000mm、宽1000mm、高1780mm。总重量37000Kg。导轨位置壁厚50mm，其余位置壁厚30mm，腔内筋厚30mm，部分加强筋厚50mm。

横梁与Z轴部件连接部分，采用静压式铸铁导轨和压板连接。横梁上是200mmX120mm截面的铸铁导轨。横梁与W轴连接部分也是采用静压式铸铁导轨和压板连接，不同的是压板安装在横梁上，下端采用丝母座支撑。

图5 横梁零件CAD 建模图形

图6 横梁零件剖视图形

（2）对横梁零件定义单元属性和划分单元格

需要定义的属性有：

(1)定义单元类型

(2)定义材料特性

(3)单位的选择

ANSYS 提供了 200 多种不同的单元类型，以适用于各种工程的分析。每个单元类型有一个特定的编号和一个标识单元类别

的前缀，如SOLID45，PLANE77等。单元类型决定了单元的自由度数和单元位于二维空间还是三维空间。针对不同的结构模型，需要选择不同的单元类型，ANSYS 的单元类型有：实体单元、梁/管单元、壳/膜弹元、杆/索单元、弹簧单元、接触单元、表面效应单元、质量单元、超单元等。

对于三维问题，最常用的是实体单元。有限元中，三维实体单元有两种：六面体单元和四面体单元。由于横梁结构为空间不规则几何体，故选用SOLIDl85单元。

定义材料特性：ANSYS 中的所有分析都需要输入材料属性。根据应用的不同，材料特性可以是：线性或非线性，各向同性、正交异性或非弹性，不随温度变化或随温度变化。如单示类型一样，每一组材料特性有一个参考号。在一个分析中可能有多个材料特性，ANSYS 通过参考号来识别每个材料特性。本课题中的横梁设计所使用的材料是球墨铸铁QT400-15，其参数如下：弹性模量：11E =1.69e

泊松比：u =0.269

密度：ρ=7100kg/ m3

对于ANSYS 中的单位问题，除了磁场分析外，可使用任意一种单位制，只要保证输入的所有数据都是使用同一单位制里的单位就行。

ANSYS 提供了智能划分网格功能，它考虑几何图形的曲率以及线与线的接近程度自动进行网格划分，它较适合于复杂结构

的自由网格划分，有1—10 的精度等级，默认等级为6 级。横梁结构较为复杂，可采用智能网格划分，10 级精度SOLIDl85 单元。网格划分完成后，利用程序的网格检查功能检查网格的质量。横梁单元数为13863 个，节点数为51145 个，横梁的有限元网格如图7：

图7 横梁结构的有限元分析

至此，横梁结构的有限元模型已经建立起来，接下来就可以利用此有限元模型进行横梁结构的动静态分析了。

（3）分析横梁的动静态分析

横梁的受力情况已经很清晰了，主要是横梁自身的重力和Z 轴部件的重力。

静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，它不考虑惯性和阻尼的影响，也可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化的载荷。静力分析所施加的载荷包括：

1．外部施加的作用力和压力；

2．稳态的惯性力；

3．位移载荷。

横梁自身的重力为gF=-37x105N，通过施加重力加速度(Gravitational Accelerationya =-9．8)来实现，此外还有Z轴部件施加在横梁面的重力yF =-20x105N。横梁通过丝杠与立柱相连，因此将横梁xy 面进行约束。

进入求解器Main Menu→Solution→Slove→Current LS 求解。求解完成后,进入通用后处理器观察计算结果并得到横梁结构的位移云图和应力云图。

从横梁结构的位移场分布图(图8)可以看出由于横梁受力而引起的变形在横梁头部处达到最大值，最大位移为

0.20619mm。

图8 横梁结构的位移场分布图

其中X 向最大位移为-0.20117mm，发生在横梁上部中间位置；Z 向最大位移为-0.20619mm，发生在横梁下部中间位置。

横梁在各向位移相当，刚度较好。在Z 向变形较大，这与横梁本身结构与受力特点有关，符合实际情况。横梁结构的刚性反映在整个机床加工精度上，主要是其导轨面的变形，尤其是横梁中间部分的变形，在横梁结构的位移场分布图上均表现的非常明显，这对机床的加工精度是有很大影响的。下一步将具体分析出横梁导轨的变形值。

（4）分析横梁导轨面的变形值

根据上一步的分析，先将横梁受力点反应到横梁导轨上。分析出横梁导轨的受力变形情况。

1）受力点的换算：

横梁导轨的安装情况图9所示。

图9 横梁导轨面的安装状态

将上图简化为导轨面的受力情况，如图10所示。

图10 横梁导轨受力简图

根据图10的分析情况，由于横梁在此状态下静止。根据动力守恒定律得，

F1X810=FgX（290-60）=>F1=10.5X105N;

F2=-F1=-10.5X105N;

F3=Fg=37X105N;

以上为横梁自重导轨分力。

F4X1400=-FzX（293-60）=>F4=-3.3X105N;

F5=-F4=3.3X105N;

F6=Fz=20X105N;

以上为Z轴部件重力转换到横梁导轨的分力。

其中F1和F4的合力表示横梁上导轨面的受力情况；

F2和F5的合力表示横梁下导轨平面的受力情况；

F3和F6的合力表示横梁下导轨立面的受力情况。

按上面计算的受力情况，通过软件分析得到3条导轨曲线。

图11 横梁导轨有限元逐点分析图

图12 导轨变形量分析结果简图

如图12所示横梁的导轨变形量的分析结果，图上表1中的

数据是分析Z轴部件重力对横梁导轨面产生的形变。即将F4、F5、F6三个力作用在横梁导轨上得到的横梁导轨变形曲线。表2是将表1中两端的2点调0后的校正曲线。表3是将横梁自重对导轨面产生的变形的计算结果。即将F1、F2、F3三个力与F4、F5、F6三个力叠加后作用在横梁导轨上得到的横梁导轨变形曲线。

图12中右侧的曲线中，蓝色曲线是横梁下导轨立面的变形曲线值；紫色曲线是横梁下导轨平面的变形曲线值；黄色曲线是横梁上导轨平面的变形曲线值。

计算出这三条曲线后就可以进行横梁导轨的加工了。

三、横梁导轨加工

一）效验横梁导轨有限元分析结果

效验方法：将半精铣加工完成的横梁零件，按横梁装配状

态自由放置24小时后。检测横梁上导轨平面、下导轨平面、下

导轨立面三处横梁导轨的直线度值。比较实际检测的直线度值与横梁自重对横梁导轨面产生的变形值曲线，如果两个数值的差值满足要求，即证明有限元分析的导轨变形曲线是符合实际情况的。

具体操作过程：

1、将横梁按装配状态自由放置24小时，如图13所示。仅支持横梁下端丝母座安装位置附近。为了保证安全，允许横梁背面有沿X向的辅助固定点。

图13 横梁按装配状态自由放置

2、24小时后用自准直仪检测3处导轨的直线度值。具体检测结果如下：

下导轨立面直线度值；

下导轨平面直线度值；

左下是上导轨平面直线度值。

下导轨立面理论变化量：302-197=105(um)

下导轨立面实际变化量：36-(-106)=142(um)

下导轨平面理论变化量：178-15=163(um)

下导轨平面实际变化量：146-(-33)=179(um)

上导轨平面理论变化量：322-129=193(um)

上导轨平面实际变化量：157-(-36)=193(um)

上面三条导轨的理论数据与实际数据之间的差值均在要求的范围内，因此横梁可以按分析的变形曲线值进行加工。

二）检测加工设备精度

在加工之前还需要对横梁的加工设备精度进行检测。因为

根据前面的分析得出，横梁导轨的变形曲线是以200mm为一段，每段的变形值约为0.01mm左右。所以加工时必须将加工设备X 轴的精度值按200mm一段测量出来，并补充到加工程序中。

使用激光干涉仪对X轴的正、侧向直线度精度每200mm检测一个数据。并将数据记录为下一步加工做准备。

三）横梁导轨加工

1）横梁装夹

要求以横梁背面压板安装面支撑，共支撑4点。横梁中部

不允许有辅助支撑点，横梁两端悬伸处导轨下面允许有辅助支撑。但要求导轨面不允许有变形。见图14。

图14 横梁加工装夹状态

2）横梁切削

横梁导轨均采用Ф260mm面铣刀加工，加工参数为S=120r/min；F=600mm/min。刀具加工状态如图15所示。

图15加工平面的刀具

加工后临床检验，保证加工导轨面的精度与理论精度误差不大于0.06mm 。如果检验结果不合格，则将检验结果与加工程序的差值比较，重新修复加工程序再加工。

图16 加工后精度检验

直到加工结果满足要求为止，加工结束。

-250-200

-150

-100

-50

050

μm Position