重型車床床身導軌扭曲對車削精度的影響探究

常博宇

(沈陽機床集團中捷機床有限公司，遼寧沈陽 110142)

床身是重型臥式車床的基礎部件，其精度變化嚴重影響著整機的工作性能。重型臥車為了獲得更高的剛性，床身一般采用矩形導軌，車削時床鞍沿著床身導軌移動，刀架安裝在床鞍上隨著床鞍一同移動以完成工件的車削。當滑板不動僅僅床鞍移動時，一般是車削光直長軸類零件，此時床鞍的移動軌跡直接影響工件的側母線。一般來說，對于車削，為了獲得更好的形狀公差，床身導軌的精度更關注導軌的側母線，因為就車床來說床身導軌的側母線方向是工件尺寸精度的敏感方向。不考慮其他影響因素的前提下，床身側母線方向上的精度變化作用于床鞍后其誤差將二倍放大為工件的尺寸誤差。因此無論在床身的檢測過程中還是床身的圖紙設計過程中，對床身導軌側母線的精度關注度都要高于對床身導軌上平面的精度關注度。但是在實際工作中，尤其是在大回轉直徑、大主軸中心高的大型重型臥式車床的制造過程中發現，當床身導軌上平面精度超差時對工件的影響也非常大，有時候導軌上平面的精度變化對工件尺寸精度的影響甚至要高于側母線精度對工件的影響。因此作者決定分析這種問題出現的原因。

1 加工模型的建立

以某款大回轉直徑的重型整體四導軌數控臥車為例 (機床布局見圖1)。圖中代表了該類機床的典型布局，床身由4根導軌組成，其中左側2根導軌為工件導軌，右側2根導軌為刀架導軌。床鞍安裝在右側2根刀架導軌上，帶動框式刀架對工件進行車削，當刀架床身導軌上平面因加工原因或應力釋放不徹底等原因造成左側的導軌和右側的導軌出現高低差或者扭曲時，床鞍在重力的作用下會以一側導軌為支點進行翻轉。床鞍的翻轉將帶動刀尖發生位置變化。翻轉后刀尖的變化情況模型用圖2表示。

圖1 機床布局

圖2 床鞍翻轉后刀尖的變化情況

其中:點a設為床鞍在導軌上的左支點;點b設為床鞍在導軌上的右支點;a、b之間的距離設為床鞍跨距L1;機床中心高設為L2;左支點到刀具尖點的距離設為L5;翻轉后刀具尖點在徑向方向的位移設為L3;翻轉后因刀尖中心高變化導致的工件直徑方向誤差設為L4(刀尖中心高變化導致的工件尺寸誤差微乎其微，一般可忽略不計);刀具尖點翻轉前后的直線距離設為L6;床鞍以導軌處某支點的翻轉角度設為α(這里設床鞍后傾，沿左支點a翻轉);原刀具尖點與導軌左支點a在豎直方向的夾角設為β;刀具尖點翻轉前后的直線距離L6與水平線的夾角設為γ。至此可以進行以下計算。

2 依據模型進行計算分析

床鞍跨距L1、中心高L2為定值，在加工某一具體直徑的工件時，刀具尖點位置被確定，則夾角β也為定值。則

又:一般情況下導軌兩平面的精度誤差一般在0.1 mm以下，因此其造成的床鞍翻轉角α非常小，一般在 0.1°以下，因此在此式中 cosβ近似等于cos(β+α/2)。

因此最終:L3≈2L2sinα/2

由此可見翻轉后刀具尖點在徑向方向的位移L3只與機床中心高和床鞍的翻轉角有關。

3 計算結果的實際應用

將此公式用于某大回轉直徑數控臥車計算，若床鞍跨距L1=740 mm，機床中心高L2=1 430 mm，當左右導軌在某處出現0.02 mm不平度誤差時，床鞍翻轉角度α僅為0.001 547°。但此時因此翻轉造成的刀具尖點在徑向方向的位移L3=0.039 mm。可見當中心高較高時，導軌的不平度誤差對加工誤差是有可能產生放大效應的。因此在實際的產品設計中，應盡量保證機床的中心高與導軌的跨距匹配。在系列車床產品的開發中，初始設計當床身的截面確定后，一般的后續開發首先是不斷延長床身的長度，擴展其車削長度范圍，基本不會去改動床身的截面形狀，床身寬度更是不會輕易改變。而在未來長期的產品后續開發過程中，可能會根據市場需要，擴展車床滑板的加工范圍以車削更大的軸類零件，此時一般是通過在該床身上加高主軸箱及尾座中心高的形式實現加高產品的開發。但根據上述的分析，此時必須注意機床中心高與導軌跨距的匹配，在床身寬度一定的前提下中心高的加高必須受到上述推導結論的制約。

通過對某廠各系列數控臥車的加工測試，在機床中心高不高于導軌跨距的前提下，一般可以保證較好的機床車削精度;但如中心高過高，則床鞍的偏擺效應對機床的車削精度影響相對較明顯。因此如根據市場需要，在特殊情況下必須超過這一比例繼續加高機床，則需要采取其他措施削弱機床床鞍的“偏擺效應”。

4 結論

通過對機床導軌變形情況的分析，得出機床床身導軌跨距、機床中心高對機床車削精度的影響趨勢。通過這種趨勢分析，在實際產品開發中可以對機床總體方案布局進行更合理的優化，同時在具體的圖紙設計及精度檢測過程中，可對床身基礎的部分關鍵精度進行有針對性的控制，更好地制造出高精度的產品。需要說明的是，雖然此次分析針對的是矩形導軌機床，但是針對輕型的“山－平”導軌車床，此分析結論仍然適用。

［1］陳心昭.現代實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［2］戴曙.金屬切削機床［M］.北京:機械工業出版社，1999.

［3］趙寶林.臥式車床床身導軌的直線性對加工件的影響［J］.中原工學院學報，2005(3):76 －78.