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伯特利數(shù)控 加工中心 鉆攻中心

前言：

機床的基礎(chǔ)件隨時間緩慢變形是影響國產(chǎn)數(shù)控機床精度保持性的重要因素，而導(dǎo)致基礎(chǔ)件變形的主要因素是殘余內(nèi)應(yīng)力的釋放。國外機床廠家在20世紀80年代生產(chǎn)的機床可以在10年內(nèi)保持其定位精度^[11，而當(dāng)前國內(nèi)精密機床的精度保持時間仍遠低于國外上世紀80年代水平^[2]。

國內(nèi)外學(xué)者己經(jīng)對殘余應(yīng)力的理論預(yù)測與測試方法進行了較多的研宄^[3_^5]。在機床領(lǐng)域，Palumbo等^[fi]建立了能夠準確模擬鑄造過程并預(yù)測鑄造殘余應(yīng)力的有限元模型；胡敏等^[7]對某臥式加工中心床身的精度保持性進行了研究，認為鑄造殘余應(yīng)力及其不充分消除是導(dǎo)致床身精度保持性差的主要因素；黃微等^[8]對機械加工后的導(dǎo)軌變形狀況進行了監(jiān)測，獲得了導(dǎo)軌隨殘余應(yīng)力釋放的精度衰退總體情況。但目前鮮有學(xué)者對機床因殘余應(yīng)力釋放而導(dǎo)致的定位精度下降進行定量研究。

為從根本上提ft機床精度保持性并探究殘余應(yīng)力對定位精度的影響，必須對殘余應(yīng)力釋放后基礎(chǔ)件的變形進行定量計算。本文提出一種基于殘余應(yīng)力分析的定位誤差分析方法，通過有限元法定量分析了殘余應(yīng)力對定位精度的影響，并通過實驗驗證了該有限元模型的可信性。

1殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及其對定位精度的影響

殘余應(yīng)力引起的導(dǎo)軌直線度誤差是使數(shù)控機床精度變差的主要原因之一。機床基礎(chǔ)件經(jīng)鑄造、機械加工等工序后，其存有的殘余內(nèi)應(yīng)力會在未經(jīng)*消除的情況下隨著時間的延長而不斷釋放，使導(dǎo)軌安裝基面發(fā)生弧面彎曲，繼而使導(dǎo)軌與床身的結(jié)合部發(fā)生變形，產(chǎn)生直線度誤差。

如圖1所示，基礎(chǔ)件在鑄造、機械加工、焊接等環(huán)節(jié)均會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，且大部分殘余應(yīng)力產(chǎn)生自鑄造與機械加工環(huán)節(jié)。其中在機械加工環(huán)節(jié)，隨著被切削材料的去除，一方面由于原殘余應(yīng)力場的重新分布使加工面產(chǎn)生變形，另一方面因刀具擠壓及摩擦，在己加工表面引入了新的切削殘余應(yīng)力。但由于后者只分布于工件表層^[9]，故其對機床精度的影響可忽略不計。

據(jù)此，本文以國內(nèi)某機匣加工中心床身為分析對象，提出依據(jù)殘余應(yīng)力分析結(jié)果預(yù)測機床定位誤差的方法，具體如下：首先針對鑄造、機械加工兩個對殘余應(yīng)力的產(chǎn)生起主導(dǎo)作用的工藝環(huán)節(jié)，對床身進行鑄造殘余應(yīng)力仿真分析；然后基于該分析，對應(yīng)力釋放后的床身變形進行預(yù)測；后計算出在螺栓預(yù)緊力下導(dǎo)軌的定位誤差。

2導(dǎo)軌安裝基面殘余應(yīng)力分布及釋放分析

床身結(jié)構(gòu)如圖2所不，因工作臺位于其x軸之上，故只考慮在殘余應(yīng)力釋放后x方向床身-導(dǎo)軌安裝基面沿其長度方向的直線度誤差，利用ABAQUS 6. 13有限元分析軟件，分別對床身進行鑄造殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)力釋放分析。

2. 1 鑄造殘余應(yīng)力分析

為盡可能減小計算量并突出問題實質(zhì)，對鑄造過程按下述假設(shè)進行簡化處理：①采用接觸單元法對鑄件砂型邊界進行簡化處理；②鑄件無初始內(nèi)應(yīng)力；③不考慮鑄件的澆注過程。

床身鑄造的工藝條件為：砂型鑄造，澆鑄溫度為1400 °C，72h后落砂，自然冷卻。

采用順序熱耦合的方法進行傳熱和應(yīng)力場分析，主要分析過程如圖3所示，在進行傳熱分析

后，再將該分析結(jié)果作為熱載荷進行鑄造殘余應(yīng)力分析。