大型床身导轨加工工艺分析

2015-11-27蔡宇嵩

精密制造与自动化 2015年3期

蔡宇嵩

大型床身导轨加工工艺分析

蔡宇嵩

（上海机床厂有限公司上海200093）

阐述了影响床身加工精度的几个因素以及床身导轨加工工艺的优化过程。由于床身时效乃至加工过程中存在各种误差，通过反变形加工等工艺手段和措施、合理选用切削参数来减少误差，实现以铣削的方式达到导轨的最终精度。得出在大型床身导轨上精铣代磨加工方式的可行性，可供机床设计与制造人员参考。

以铣代磨导轨精度加工工艺

1 影响床身加工精度的几点因素及措施

零件的加工精度主要包括尺寸精度，形状精度和位置精度三个方面。在机械加工中，由于零件生产类型和企业的生产条件不同，获得零件加工精度的方法也不同。获得尺寸精度的方法有试切法、调整法、定尺寸刀具法和自动控制法等；获得形状精度的方法有成形运动法和非成形运动法。其中成形运动法又分为机床运动轨迹法、仿形法、成形法和展成法。获得位置精度的方法有一起装夹法、找正装夹法和夹具装夹法[1]。

无论采用何种方法进行加工，由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统在完成任何一个加工过程中，都会有许多原始误差影响零件加工精度。查找误差的来源，一部分与工艺系统本身的结构和状态有关，一部分与切削过程有关。

1.1 工艺系统的集合误差（操作对加工精度的影响）

工艺系统的几何误差包括加工方法的原理误差、机床的几何误差、调整误差、刀具和夹具的制造误差、工件的安装误差以及系统磨损所引起的误差。这些误差都是在工件的安装定位、工序的编排以及刀具的选用及参数的调整中产生的，是需要在加工操作过程中加以调整和改进。

1.2 工件受力变形及内应力所引起的误差（工件刚性对加工精度的影响）

工件的受力变形主要体现在装夹夹具工件造成的变形。在以往的加工中，还经常会遇到由于铸件毛坯厚度的不均匀，造成了冷却速度不相同，加上材质硬度的不均和加工中产生的共振，也会产生1~2 mm的变形量（不同规格造成的变形量有差异），影响了床身中导轨的直线度和表面粗糙度。为此需采用相应的工艺措施，如：轧辊磨床床身采用的材料是HT300铸铁，成形后需安排两道时效处理以消除内应力，从而提高床身的刚度，减少受力变形和切削力所引起的几何误差。同时通过合理地装夹，减小夹紧变形。

1.3 工艺系统热变形所引起的误差（环境因素对加工精度的影响）

引起工件热变形的热源大致分为两类：（1）内部热源。机床受热源的影响，各部分温度将发生变化。由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件将发生不同程度的热变形，破坏了机床原有的几何精度，从而产生了加工误差。（2）外部热源。环境温度的变化和室内各部分的温差将使工艺系统产生热变形，因此精密机床一般在恒温车间中进行安装，安装时要保证环境温度的恒定。温度变化一般控制在±1℃、精密级为±0.5℃、超精密级为±0.01℃。采用机床预热也是一种控制温度变化的方法。由热变形规律可知，热变形影响较大的是在工艺系统升温阶段。当达到热平衡后，热变形趋于稳定，加工精度就容易控制，因此对大型精密机床应采取在加工前预先开动、高速空转，直至达到热平衡后再进行加工。

磨削和铣削的加工环境各有不同，磨削通常会在加工面上添加冷却液辅助控制温度，而在铣削过程中，保证加工环境的恒温也是一种把热变形引起的误差降到最低的有效措施。

2 床身导轨的加工方式

磨床精度的可靠性很大一部分与床身导轨有关，而对于大型磨床床身来说更需要确保导轨的精度。床身导轨加工精度的好坏将直接影响整台磨床精度的好坏。

2.1 研究对象

以数控轧辊磨床床身为例，床身承重12 000 Kg、长度11.5 m、宽度1.35 m，高度0.495 m，属于平-V导轨形超长箱体类零件。工件通过工作台在其上进行低速往复运动，所以承受较大压力负荷，要求床身受力后不变形，还要有一定韧性。

床身导轨的水平面内直线度允差为1 000 mm测量长度上允差0.01，全长为0.03 mm；导轨在垂直平面内的直线度允差1 000 mm测量长度上允差0.01，全长为0.03 mm；V形导轨与平导轨的平行度允差为1 000 mm测量长度上允差0.01，全长为0.05 mm。

2.2 加工难点

大型床身的加工工艺流程：粗刨→时效→精刨→导轨磨，中间穿插划线、钻孔等。精刨与导轨磨，由于加工基准不同，前者采用底面为基准，后者置于2/9处，基准的不同对导轨加工精度也有影响，为了减少装夹误差，用高精度龙门式铣削中心，以精铣代磨的方式加工床身导轨，将精刨与导轨磨两工序合并。

2.3 切削过程的研究

导轨在切削形成的过程中存在3个变形区，见图1所示[2]。

图1 3个变形区示意图

在第Ⅰ变形区里，切削层的金属塑性变形而形成切削。在第Ⅱ变形区内，切削底层与前刀面发生强烈摩擦，进一步发生塑性变形。第Ⅰ变形区扩展到切削层下方的金属将成为已加工表面表层的一部分，因此，第Ⅰ变形区的塑性变形对已加工表面质量是有影响的。但是，第Ⅲ变形区与加工表面的形成关系更为密切。在第Ⅲ变形区里，后刀面施加法向力F2和摩擦力F1于工件，法向力F2使工件产生径向的塑性变形和弹性变形。摩擦力F1使加工表面产生切向的塑性变形和弹性变形。前刀面作用于切削层的法向力为F3，摩擦力F4，合力为F5。在F5的作用下，在第Ⅰ变形区外前方的金属发生弹性变形，当切削层的部分金属进入第Ⅲ变形区后便开始发生塑性变形，随着进入第Ⅲ变形区深度的增大，塑性变形也逐渐增大。发生纤维化的金属，有很小一部分要进入第Ⅲ变形区。在进入第Ⅲ变形区后仍将进一步纤维化。在第Ⅲ变形区以外的金属发生弹性变形，这些金属在离开这个弹性变形区后，对大型床身来说，由于各个部位的组织、密度不同，因此在切削过程中产生的塑性变形及弹性变形量都不相同，尤其在粗加工时，各种变形量差值更大，而弹性变形将直接影响零件表面的平面度。

1）加工参数的选择

粗铣时，刀具转速S=120 r/min，切削速度F=1000 mm/min；精铣时，刀具转速S =80r/min；切削速度F=200 mm/min；超精铣时，刀具转速S=120 r/min；切削速度F=600 mm/min。

2）加工刀具的注意事项

采用刀具直径大于导轨宽度，刀刃数为8的硬质合金盘铣刀，硬质合金刀刃不易磨损、直线度精度高，寿命比普通刀具长。在精铣时，要减少铣刀刀片，使用4片刀片且都换成新刀片，导轨表面粗糙度明显改善。

3）加工过程

在床身底面垫上垫铁，左右两侧各用3个压板和支头进行固定安装，如图2所示。

图2 工件装夹

粗铣时，对平、V导轨A面及B面各留2mm、2.5mm左右的精加工余量，对毛坯余量较多处进行多刀铣削，导轨面粗铣前先试切刀，测量确切的加工量，以保证有后续的加工余量。

精铣时，对床身的安装校正采取必要的工艺措施，即反变形加工，在导轨的长度范围内通过调整等高垫铁的高度，在其变形方向施加一定作用力，校正床身导轨在垂直平面内的直线度，使得加工完成后松开安装紧固，床身导轨能产生预期的反向变形，此反向变形将与时效处理时产生的变形想抵消。平导轨A面最终留0.5mm余量，V导轨B面留0.7mm余量，加工时要检查垫铁是否松动，用校表检测V导轨外侧小筋C面并校直，检测平、V导轨面的平行度，将数据记录后，准备对导轨面进行超精铣（代磨）。

超精铣过程中，先精铣平导轨A面（余量为0.35mm）和V导轨B面（余量为0.5 mm），在加工后通过校规和百分表测平、V导轨的等高，将数据记录后再精铣V导轨面，以缩小等高差，之后适当调整进刀量，平导轨所剩余量0.04 mm，V导轨余量0.05 mm。再通过测量进行最后光刀，加工至图纸设计要求，加工简图如图3所示。