定粱龙门加工中心横梁导轨变形分析与优化设计　

。　．．　＿　：　ｌ曼囊　李伯基，冯智宁，梁启刚　

（广州机床厂有限公司，　广东广州　５１１４３０）　

结构合理，通过工件宽度大、刚性好、生产效率高，在大型机械铣削加工领域中得到广泛的应用。但是，龙　

轨的变形问题是这类产品的关键技术难题．针对此问题进行研究，找出从设计制造过程　

关键词：龙门加工中心；横梁；导轨；变形　

中图分类号：ＴＧ６５９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—９４９２（２０１０）１　１－０１０４—０２　

１引言　

龙门加１．中心在机械加工领域中得到广泛的应用。它　

的特点是结构合理，通过工件宽度大、刚性好、生产效率　

高．适合大型零件的铣、钻等　序加工。在重工业上得到　

广泛使用。但是龙门加工中心的结构确定了它有一个设计　

制造难点——横梁导轨的变形问题，即横梁部件靠两个立　

柱在两端支承，中间悬空，横梁除了本身自重造成变形　

外，当滑鞍和滑枕等部件安装在横梁的一个侧面上。并且　

在横梁导轨上移动，当移动到不同位置时，也会引起横梁　

不同方向不同程度的弯曲变形。另外在制造丁艺上．对横　

梁的导轨的磨削加１二、横梁的时效处理、热处理等都是防　

止横梁导轨自身不稳定产生变形的方法＿】］。　

横梁是龙门加工中心的关键零件，它是连接ｙ、Ｚ轴　

零部件的桥梁，它的设计精度，加工精度直接影响机床的　

几何精度、位置精度等。定梁龙门铣床其中横梁的导轨精　

度最重要．如何在设计上和零件加工上减少横梁导轨变形　

是机床精度保证的关键。　

下面以Ｇ—ＸＫ２４１２定梁龙门加工中心的横梁作为例　

子，分析如何减少横粱导轨变形带来的精度影响。该系列　

机床的横梁导轨副采用阶梯型分布贴螺矩形硬轨结构。　

２结构设计上分析横梁变形情况并进行对比　

优化设计　

２．１横梁受载的简化设定　

因为横梁是安装在梁立柱上，中间悬空、滑鞍滑枕压　

在横粱上。重力会造成横梁下压的导轨变形；另外滑枕滑　

收稿日期：２０１０—１０—２６　鞍等部件是前倾结构，对横梁产生一个向前的颠覆力，从　

而产生导轨变形。故我公司的横梁导轨结构是阶梯型双矩　

形硬轨结构，该结构在国内应用较少，主要是阶梯型硬轨　

的加工精度要求较高．但硬轨结构比线轨刚性更高，阶梯　

型分布也使受力更合理，是本机床的设计创新点。通过分　

析对比机床滑鞍滑枕在横粱上不同的加工位置，以及滑枕　

不同的下伸长度．对横梁产生的变形是不同的。但是由经　

验可以确定：当滑鞍处于横梁中间．并且滑枕向下伸出长　

度最长时．横梁所承受的载荷达到最大［２］。　

如图１所示．横梁导轨成阶梯结构分为上下导轨，上　

下导轨顶面受到滑鞍和滑枕的重力作用．滑鞍滑枕部件总　

重为约为ｍ＝２３４２ｋｇ。作用于导轨面面积Ｓ为滑鞍导轨长　

度Ｚ乘以上下导轨宽度（ｂ。、ｂ。）和。那作用于横梁两导轨　

顶面的压强Ｐｌ＝ｍｇ／［１（ｂｔ＋６２）］＝９．８ｘ２３４２＋［０．８５ｘ（０．０６＋　

Ｏ．０４）］＝２．７×ｌ　０５（Ｐａ）＝２７０（ｋＰａ）。　

另外作用于上导轨背面Ａ点受到了向前颠覆力产生的　

压力　，以下导轨Ｂ点为支点，滑鞍滑枕部件重心Ｃ点在　

上、下导轨向下延长线上．重心约与下导轨距离约等于上　

下导轨间距的距离设定为口．上下导轨延长线与垂直线构　

成１４．５。，根据杠杆原理与分力的计算公式，　＝ｍｇ．　

ｔａｎｌ４．５。０，　＝ｍｇｔａｎｌ４．５。＝２３４２ｘ９．８ｘ０．２５９＝５９４４Ｎ，那作用　

于横梁上导轨背面Ａ点的压强Ｐ２＝ＦＩ／（ｔｂ３）＝５９４４＋（０．８５ｘ　

０．０５）：１．４０ｘ１０５（Ｐａ）＝１４０（ｋＰａ）。　同理．作用于下导轨前面Ｂ点受到了向前颠覆产生的　

压力　，以上导轨Ａ点为支点，根据杠杆原理与分力的计　

算公式，ａＦ２＝２ａｔｒｔｇｔａｎｌ４．５。，　＝２ｍｇｔａｎｌ４．５。＝２ｘ２３４２ｘ９．８ｘ　

［二］　口二

　粤港会议　

０．２５９＝１１８８８Ｎ，那作用于横粱下导轨前面Ｂ点的压强只＝　

Ｆ：／（ｆ６　４）＝ｌ　１８８８＋（０．８５ｘ０．１）＝１．４０ｘ１０５（Ｐａ）＝１４０（ｋＰａ）。　如图１所示．Ａ、Ｂ两导轨受到的压强：两导轨顶面　

为２７０ｋＰａ，导轨侧面为１４０ｋＰａ。　

两个立柱的的安装面作为约束．如图ｌ小三角形所在　

的面。　

２．２有限元分析优化设计横梁内部结构　

叭　

／需　盛　ｂ３＝０．０５１　

——　

图１　横梁结构图　

这里只对横梁受滑鞍滑枕部件重力对它产生变形的单　

一进行分析，暂时忽略横梁自重产生的变形和加工切削时　

受力产生的变形。因为滑鞍滑枕部件重力对它产生变形已　

经可以通过考察横梁结构设计的合理性．从而作出优化设　计。经过对横梁内部结构进行多种方案的设计，对每种方　

案通过计算机有限元分析软件进行有限元分析变形情况，　

根据经济性、变形情况、工艺性比较出最佳方案。　

几种设计方案如表１所示。　

图２　有限元分析结果图　

２．３对比分析各种设计方案。选出最优方案　

对比分析如表２所示，以方案１作参照．以变形量改　

进百分比与重量增加百分比的比值作为参考．比值越大，　

说明增加相同的单位重量对应的的改进效果越明显。推出　

下列公式ｋ．＝ｑ．／ｐ　×１００％＝（ｍ．／ｍ。）／（８ｌ／８】）ｘｌＯ０％。　

最终各方案对比汇总如表２所示（按方案１为参考）。　

由表２数据得出，方案２和方案１比较可取。由于方　表１　几种设计方案　

序号　结构图与有限元分析结果图　分析数据　结构说明　

基本方案．由于该横粱比　

方案１　横粱重量３Ｉ９　较短，采用了斜背式框架　

吨，堆大变形晕　结构，减轻重量降低成　０．０３４ｍｍ　本，相应变形情况也不　大。　

在方案ｌ基础上．将内部　横粱重量３　５７４　导轨背面的筋延长．更增　

方案２　吨，最大变形量　强剐性，同时重量也增　０　０２９７ｍｍ　加ｔ变形量相应减少。　

在方案１基础上，将立柱　

安装位置改用方箱式，不　

方案３　●　豳　横粱重量３．７５用斜背式．而横粱中部仍　吨，最大变形　

然采用斜背式。重量增加　量０　０３１６ｒａｍ　１＿－　目　够誓鬻０　不少．变形量相应减少些　许。　

在方案ｌ基础上，将帮体　

方案４　■●　横粱重量３　８６改用方箱式，不用斜背　吨。最大变形　式

，同时重量增加比较　量０　０２７４ｍｍ。　多，变形量相戊减少。　

表２　几种方案的对比分析　

横粱重量　重量与方案　晟大变形　变形量与方案１　变形量进变百分比　方案ｎ　１对比的百　与重量增加百分比　（吨）　量磊（ｍｍ）　对比的百分比　分比　的比值ｋ　

方案ｌ　３．１９３　１　０．０３４　１　ｌ　方案２　３　５７４　Ｉ１ｌ９％　０．０２９７　８７　４％　１．０５９　方案３　３　７５　１ｌ７．４％　０．０３ｌ６　９２．９％　０　４Ｉ　方案４　３．８６　ｌ２０．９％　０．０２７４　８Ｏ．６％　０．９２８　

案２的筋延长．导致铸造工艺性较差．确定了方案１为最　

终设计方案。　

３制造工艺上对横梁导轨变形产生的影响　

上面对横梁的理论分析．前提是横梁加工出来导轨是　

绝对平直的理想状态。但在实际制造过程中，生产出来的　

横梁由于工艺水平和加工设备水平。横粱导轨不可能绝对　

平直，受磨削加工设备精度、装夹和温度控制、自身铸造　

应力和加工应力释放等影响。按国家标准，图纸设计要求　

是横粱导轨加工后，直线度在０．０３ｒａｍ以内。　

３．１人工时效处理　

横梁铸件在铸造完成和粗加工完成后．积累了很多应　

力。这些自身铸造应力和加工应力随着时间不断缓慢释　

放，造成横梁尺寸不稳定，直线度也变化。故需要在横梁　

铸造完成后退火处理，消除铸造应力；粗加工后进行二次　

退火或振动时效处理，消除加工应力；稳定横梁尺寸后．　弭进行磨削导轨的精加工，保证导轨的精度稳定性。　

（下转第１１５页）　

ｒ———　———１—————Ｔ—　●——＿？］　ｌ　＿Ｊ　Ｌ　一一…　．．Ｉ

　粤港会议　

由于粗轧后板材有一定的凸度，轧辊的凸度应当适当　

减小，才能保证所需的板型，所以图３曲线应当下移　

铝材轧制的另一个重要的缺陷是边部减薄，是发生在　

轧件边部的特殊的物理现象（如图４），是轧制力和轧件　温度不均匀变化综合作用的结果。在轧制过程中．金属　

在轧制力的作用下发生流动，边部金属的流动除了纵向　

ｉ　

ｌ　边部减薄　边部减薄　

ｉ＼——／　

ｌ　Ｏ　一　

板材宽度　

网４　柄材厚摩分布　

流动外，还会发生横向流动．因为这部分的金属受侧向　

内阻力远小于中部金属的侧向内阻力，这就降低了边部　

的轧制压力．同时轧辊边部的压扁变形减小．使得板材　

发生边部减薄。另外，由于铝材的散热比钢材要快，边　

部金属的散热明显快于中部金属的散热，所以这部分金　属收缩要快。这也是铝板材轧制成品率低于钢材轧制的　

原因之一［　４结束语　

提高金属板材的板型精度是保证轧制板材质量的重要　

前提，也是轧制技术人员不断追求的目标。本文系统地分　

析了轧制力、轧制温度、轧辊辊型等对铝板材热轧后的板　

型的影响。从这些影响因素可知，轧制板型的控制不仅是　

对轧制自动化生产线的控制，而且包括板型的设计和合理　

的轧制工艺规程的制定，对于铝材可逆热轧制，只有在合　

理的轧制工艺条件的支配下才能得到良好的板型。　

参考文献：　［１］潘复生，张丁非．铝舍金及应用［Ｍ］．北京：化学工业出版　

社．２００５．　［２］阚志．四辊轧机冷轧板带材板形问题的有限元模拟［Ｄ］．昆　明：昆明理工大学．２００７．　［３］孙蓟权，周永红．板型控制技术及应用［Ｊ］．鞍钢技术，　２００６（４）：６—１０．　［４］朱从波．热轧板型控制［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２００３．　［５］赵忠诚．中厚板精轧压下量逐步逼近优化法［Ｊ］．钢铁学报，　１９８６（８）：１８－２３．　［６］郭忠锋，徐建忠，李长生，等．１７００热连轧机温度场及热凸　度研究［Ｊ］．东北大学学报，２００８（４）：５１７—５１９．　

第一作者简介：王海雄．男，１９７７年生，湖南邵阳人，硕士研究　

生。研究领域：材料成型理论与精密制造技术。　ｆ编辑：向　飞）　

（上接第１０５页）　

３．２铣削磨削加工的装夹工艺　

铣削磨削加工的装夹方法也是关键，装夹过程中．不　

能采用下压方式装夹，否则容易因装夹位置的高度不平．　

导致横梁装夹后受到扭曲，或者压紧后，温度变化也会使　

横梁扭曲变形，如图３。所以只能底面（即横梁后面）平　

放，四个侧面顶住定位，若底面高度不平，需要插入适当　

厚度的垫片垫平，再加工。切不能用压块压住侧面圆孔，　把横梁往下压　３＿３磨削加工后导轨精度受环境温度和磨量　

温度变化会对加工精度产生影响，保证装夹前后、加　工前后的温度变化较小。笔者曾经试过：采用固定下压方　

式装夹，温差会导致横梁变形，经过计算机软件分析１０℃　

的温差会造成如图３的变形，导轨面中凹约０．０６ｍｍ。实　

际磨削试验中，横梁导轨中凹，磨平后，待热平衡后，导　

轨会中凸变形约０．０６ｒａｍ。与实际情况基本吻合。为解决　

此问题，横粱从室外到磨床车间，必须待横梁冷却后达到　和室内温度相等的热平衡后，才能装夹和加工．要求冷却　

液与室温温度基本相符。　

４结论　

横梁导轨的变形控制，直接影响着龙门加工中心机床　

的几何精度和位置精度，对机床精度起着决定作用。因此　

要对横梁从设计上利用有限元分析对比进行优化，制定适　合的工艺并按规范生产制造。　图３　下压方式装夹下受温度变形的影响　

参考文献：　［１］陈斯炮，李锻能，江涛，等．大跨距龙门五面体机床横粱最　大工作载荷分析［Ｊ］．机电＿Ｙ－程技术，２００９（９）：８９—９２．　［２］罗传林，李锻能．龙Ｉ＂１式机床横梁的结构设计研究［Ｊ］．机　电工程技术，２００６（３）：４５—４７．　

第一作者简介：李伯基，男，１９６１年生，广东中山人，大学本　科，工程师。研究领域：数控机床、机械加工工艺。　（编辑：向　飞）