機(jī)床商務(wù)網(wǎng)技術(shù)文章
高精度臥式加工中心精密裝配
閱讀：237 發(fā)布時(shí)間：2020-8-113 課題“精密臥式加工中心設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)"中， 所研制的臥式加工中心 M /800H 樣機(jī)性能指標(biāo): 主軸高轉(zhuǎn)速 12 000 r / min，直線坐標(biāo)定位精度 0. 003 mm，重復(fù)定位精度 0. 0 015 mm，轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度 3″，重復(fù)定位精度 1. 5″。其中，機(jī)床的精密裝配技術(shù)成為必不可少的關(guān)鍵研究內(nèi)容。M /800H 臥式加工中心的整機(jī)裝配可以劃分為: 移動(dòng)部件裝配、主軸單元部件裝配、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)部件裝配、固定結(jié)合面裝配等，以下進(jìn)行部分 介紹。
1 移動(dòng)部件導(dǎo)軌裝配技術(shù)
高精度臥式加工中心的移動(dòng)部件導(dǎo)軌結(jié)合部的裝 配精度對(duì)機(jī)床的定位、重復(fù)定位精度及機(jī)床加工精度
具有重要的影響。目前，國內(nèi)外的通用方法仍然是通過導(dǎo)軌基面刮研方式，來保證導(dǎo)軌副的裝配精度。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，盡管導(dǎo)軌基面可以達(dá)到很高的刮研精度， 但導(dǎo)軌裝配后的幾何精度不一定會(huì)提高，這是由于導(dǎo)軌的誤差、大件的結(jié)構(gòu)、剛度等綜合因素造成了導(dǎo)軌裝配后的結(jié)構(gòu)變形，同樣，移動(dòng)部件在機(jī)床上裝配后，由于移動(dòng)部件的重量、大件刮研時(shí)的放置方向與部件裝配后工作方向的差異，也會(huì)導(dǎo)致整機(jī)與關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而影響直線坐標(biāo)的精度，達(dá)不到機(jī)床精度要求。為解決這一問題，在 M /800H 高精度臥式加工中心裝配中，基于對(duì)裝配過程的靜力學(xué)仿真，得到 X、Y 和 Z 三組導(dǎo)軌每個(gè)裝配步驟的靜變形規(guī)律，確定導(dǎo)軌面各點(diǎn)綜合變形值。對(duì)比裝配前部件變形誤差和整機(jī)裝配后的變形誤差，利用反變形原理，修正導(dǎo)軌安裝基面，以提高直線移動(dòng)部件的幾何精度和運(yùn)動(dòng)精度［1－2］。
1. 1 導(dǎo)軌基面修正方法
精密臥式加工中心的 X、Y 和 Z 三向?qū)к壏謩e安裝在立柱、溜板和床身上，實(shí)際刮研調(diào)整時(shí)，立柱、溜板和床身平放在地面或墊鐵上，對(duì)床身來說，調(diào)整時(shí)的重力方向和工作狀態(tài)下的重力方向相同，但是，對(duì)于立柱和溜板來說，調(diào)整時(shí)的重力方向與工作狀態(tài)下的重力方向不同。設(shè)移動(dòng)部件在導(dǎo)軌上的行程為 S，將該行程均分為 n 段，則應(yīng)計(jì)算的變形節(jié)點(diǎn)位置有 n + 1 個(gè)， 記每個(gè)裝配狀態(tài)下各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的導(dǎo)軌變形為 δi ，其
中 i = 1，2，3，…，n+1，m = 0，1，2，3，4，5，表示各裝配步驟。對(duì)X、Y 導(dǎo)軌，調(diào)整時(shí)重力作用下的變形和工作狀態(tài)下的變形不同，設(shè)在實(shí)際調(diào)整狀態(tài)下，導(dǎo)軌面的重力變形為 δ'i ，直線度設(shè)計(jì)要求為 δ，則 X、Y 導(dǎo)軌安裝面修正后的調(diào)整量應(yīng)為:
δ = δ5 +δ0 －δ
ai i i
對(duì)于 Z 向?qū)к?span style="position:relative;top:-1px;letter-spacing:-7px">，調(diào)整方向的重力和工作狀態(tài)下的重力方向相同，δ0 = 0。
1. 2 導(dǎo)軌靜變形仿真分析方法
使用軟件 Creo 2. 0 建立整機(jī)大件的三維模型，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。固定結(jié)合面主要是螺栓連接結(jié)合 部，在進(jìn)行等效時(shí)，選定螺栓連接處作為等效結(jié)合點(diǎn)， 并對(duì)兩個(gè)結(jié)合點(diǎn)建立三向剛度關(guān)系。等效方式如圖1a 所示。滑動(dòng)結(jié)合面主要包括滾動(dòng)直線導(dǎo)軌—滑塊結(jié)合面，進(jìn)行等效時(shí)，在導(dǎo)軌和滑塊上對(duì)應(yīng)位置設(shè)置等效結(jié)合點(diǎn)，對(duì)兩個(gè)結(jié)合點(diǎn)建立兩向剛度，等效方式如圖1b 所示。各結(jié)合面結(jié)合點(diǎn)的等效剛度值，如表 1 所示。
考慮在重力作用下，精密臥式加工中心裝配過程中的導(dǎo)軌偏差傳遞與積累規(guī)律［3］。該精密臥式加工中心床身采用三點(diǎn)支撐方式，對(duì)床身三個(gè)支撐面施加全約束，床身－立柱結(jié)合面，導(dǎo)軌－ 滑塊結(jié)合面等均通過創(chuàng)建結(jié)合點(diǎn)施加剛度來進(jìn)行等效處理。施加載荷時(shí)，全局沿－Y 向施加重力載荷( 加速度為 9 800 mm / s2 ) 。在進(jìn)行有限元仿真時(shí)，按 照“床身—立柱—溜板—主軸箱—工作臺(tái)"的裝配序列進(jìn)行，如表 2 所示。
對(duì)各個(gè)裝配狀態(tài)進(jìn)行靜力學(xué)仿真，并提取導(dǎo)軌法向的靜變形誤差運(yùn)用 Matlab 軟件進(jìn)行畫圖，得出不同裝配狀態(tài)下的各向?qū)к夓o變形曲線。從而根據(jù)反變形 原理，對(duì)三向?qū)к壍墓窝忻孢M(jìn)行刮研調(diào)整。
1. 3 各向?qū)к壒窝姓{(diào)整前后的誤差
( 1) X 向?qū)к?/p>
通過靜力學(xué)分析仿真，對(duì) X 向?qū)к夁M(jìn)行刮研調(diào)整。各裝配狀態(tài)下，調(diào)整前和調(diào)整后的直線度誤差和角度誤差如圖 2 所示。從圖中可以看出，調(diào)整前終直線度誤差為 13. 16 μm，大角度誤差為 0. 015 μm / mm; 按照導(dǎo)軌面反變形調(diào)整方法，調(diào)整后的直線度誤差終減小為 4. 49 μm，大角度誤差減小為 0. 008μm / mm，符合設(shè)計(jì)要求。
( 2) Y 向?qū)к?/p>
同理可得，Y 向?qū)к壐餮b配狀態(tài)下，調(diào)整前和調(diào)整后的直線度誤差如圖 3 所示。從圖中可以看出，調(diào)整前終直線度誤差為 63. 1 μm，直線度誤差隨著裝配過程逐漸增加，大角度誤差為 0. 045 μm / mm; 調(diào)整后的直線度誤差終減小為 5. 000 μm，角度誤差減小為 0. 002 μm / mm，符合設(shè)計(jì)要求。
( 3) Z 向?qū)к?/span>
同理可得，Z 向?qū)к壐餮b配狀態(tài)下，調(diào)整前和調(diào)整后的直線度誤差如圖 4 所示。從圖中可以看出，調(diào)整前終直線度誤差為 6. 57 μm，直線度誤差隨著裝配過程逐漸增加，調(diào)整后的直線度誤差為 5. 000 μm，角度誤差與調(diào)整前相比，略有減小，且大角度偏差為0. 01 μm / mm，符合設(shè)計(jì)要求。
1 主軸單元部件的裝配技術(shù)
主軸單元部件是高精度臥式加工中心的關(guān)鍵部 件之一。其靜動(dòng)態(tài)精度是機(jī)床實(shí)現(xiàn)高精度的基礎(chǔ)條 件。M / 800H 臥式加工中心采用了內(nèi)裝主軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)后置式分體主軸單元，見圖 5。相比傳統(tǒng)的內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸單元，電動(dòng)機(jī)熱量、振動(dòng)被有效隔離。刀 具主軸軸承采用定位預(yù)緊，以保持加工端的高剛度。驅(qū)動(dòng)主軸軸承采用定壓預(yù)緊，以減小軸承發(fā)熱。分體后，不僅要考慮分體后的刀具軸端與驅(qū)動(dòng)軸端兩部分的裝配，還要考慮把兩部分裝配成一個(gè)整體，因此增 加了裝配難度。為保證裝配質(zhì)量，主要采用了以下工藝技術(shù)措施。
( 1) 主軸箱箱體的加工，前后配合孔的同軸度公差要在 0. 008 mm 以內(nèi)，要求一次性加工完成，固定端面與孔的垂直度要在 0. 01 mm 以內(nèi)，必要時(shí)進(jìn)行刮研處理。
( 2) 預(yù)裝檢測。裝配前要認(rèn)真檢測零件的清潔度，保證零件的清潔，避免異物混入; 使用檢具及工裝認(rèn)真檢測零件的尺寸及精度，保證各零件之間相互位置及配合關(guān)系的正確性。
( 3) 熱裝工藝。根據(jù)轉(zhuǎn)速及配合直徑，按設(shè)計(jì)要求控制合適的過盈量，然后進(jìn)行熱裝，包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子 與轉(zhuǎn)子套之間的熱裝、驅(qū)動(dòng)主軸與轉(zhuǎn)子－ 轉(zhuǎn)子套組件的熱裝、反饋環(huán)支架與反饋元件的熱裝、電動(dòng)機(jī)定子與 冷卻套之間的熱裝以及刀具主軸與軸承的熱裝。
( 4) 壓裝工藝。驅(qū)動(dòng)主軸與前軸承的壓裝，刀具主軸與軸承座的壓裝等。
( 5) 插裝工藝。刀具軸端與驅(qū)動(dòng)軸端的插裝、松拉刀桿前后兩部分的插裝。
( 6) 動(dòng)平衡。包括刀具軸端的動(dòng)平衡、驅(qū)動(dòng)軸端的動(dòng)平衡及總裝完成后的動(dòng)平衡。
2 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)部件裝配技術(shù)
M /800H 臥式加工中心數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)采用靜壓支撐力
矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)見圖 6。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的裝配關(guān)鍵: 保證靜*承與回轉(zhuǎn)部件之間的軸向間隙( 油膜厚度) 0. 02±0. 0 025 mm，徑向間隙( 油膜厚度) 0. 02
～ 0. 025 mm，軸承配合表面的平面度 0. 005 mm，配合表面間的平行度 0. 005 mm; 回轉(zhuǎn)零件之間的同軸度
≤0. 005 mm; 密封完好，內(nèi)部循環(huán)液壓介質(zhì)不準(zhǔn)泄露，外部異物不準(zhǔn)進(jìn)入轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部; 夾持機(jī)構(gòu)的夾緊松開對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的精度影響很小或沒有影響。為此，主要采 取了以下工藝技術(shù)措施。
( 1) 預(yù)裝檢測。裝配前認(rèn)真檢測零件的清潔度， 保證零件的清潔，避免異物混入。使用檢具及工裝認(rèn) 真檢測零件的尺寸及精度，保證各零件之間相互位置 及配合關(guān)系的正確性。
( 2) 檢測軸承內(nèi)孔尺寸，配磨與軸承配合的轉(zhuǎn)盤外圓表面，保證與軸承的徑向配合間隙 0. 02 mm。檢測軸承的軸向尺寸，刮研電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支架與軸承的配合面，保證與軸承的軸向配合間隙 0. 02 ～ 0. 025 mm。
( 3) 以轉(zhuǎn)臺(tái)基座底孔為統(tǒng)一的裝配基準(zhǔn)，依次對(duì)電動(dòng)機(jī)定子裝配和接油盒裝配、靜*承安裝座裝配、 靜*承裝配進(jìn)行同軸度找正定位，然后依次對(duì)電動(dòng) 機(jī)定子、接油盒和靜*承安裝座進(jìn)行裝配。
( 4) 對(duì)靜*承進(jìn)行預(yù)裝配，在靜*承固定到安裝座后，應(yīng)檢查靜*承上表面的平面度≤0. 005 mm， 必要時(shí)對(duì)安裝座安裝面進(jìn)行刮研處理。
( 5) 把靜*承裝入轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)子支架之間，并把轉(zhuǎn)子固定在轉(zhuǎn)子支架上，形成回轉(zhuǎn)組件，通過軸承與其 安裝座之間的固定連接一起裝入基座上。裝配完成后，進(jìn)行通油檢查，檢查轉(zhuǎn)盤及其固定件回轉(zhuǎn)是否靈活，無阻滯現(xiàn)象，回油是否通暢，密封是否完好。
( 6) 夾持機(jī)構(gòu)固定在安裝座上，然后與基座裝配固定后，在保證靜*承通油的同時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)通油進(jìn) 行夾緊，松開安裝座與基座之間的固定螺栓，進(jìn)行自適 應(yīng)浮動(dòng)找正，螺栓擰緊，通過多次調(diào)整，使轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)徑 向跳動(dòng)量達(dá)到小。
結(jié)語
高精度臥式加工中心的裝配質(zhì)量，是保證機(jī)床整機(jī)性能質(zhì)量的關(guān)鍵。M /800H 高精度臥式加工中心通過裝配工藝技術(shù)的研究，嚴(yán)格控制機(jī)床的裝配質(zhì)量，取 得了較好的效果，達(dá)到了機(jī)床的設(shè)計(jì)要求。本文以 M /800H 高精度臥式加工中心為例，對(duì)移動(dòng)部件導(dǎo)軌裝配、主軸單元裝配、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的裝配工藝技術(shù)進(jìn)行了介 紹，對(duì)今后深入研究高精度機(jī)床的精密裝配技術(shù)具有一定的借鑒作用。