基于保证大型数控机床装配精度的方法应用*＊

王海涛 李初晔 马 岩

(中航工业北京航空制造工程研究所，北京100024)

当前，随着科技的进步和经济的发展，国内重点领域，诸如航空航天、电力、船舶、兵器等，对大型数控机床的需求呈现出逐年快速增加的趋势。由于国内外机床制造业水平的差异，要想增强我国大型数控机床的竞争实力，必须以最根本的制造精度为基础，不断提高国产大型数控机床的加工精度，以满足国内客户的加工需求。

数控机床的制造精度在很大程度上取决于装配精度，受客观条件的制约和传统主观装配因素的影响，装配精度的理论性大于实践性，也就是说，现在虽然能意识到装配精度的重要性，但在实际的实施过程中，各方面对装配工艺的执行还不到位。

综上所述，要提高数控机床的制造精度，尤其是大型数控机床，更得从根源上消除或降低不利于装配精度的各种影响因素，以先进的分析和测量工具为保障，确保数控机床的整体精度和可靠性。

1 问题的来源

数控旋压机广泛应用于军工和民用等领域的加工制造业，特别是随着航空航天事业的飞速发展，为提高我国军工技术的国际竞争力，大型数控旋压装备应运而生，其加工能力和加工精度是重要的前提和基础。因此，相应的保证大型旋压机床精度的措施也应合理和可靠。

某大型立式强力旋压机(图1)，总重量500 多吨，高度将近13 m，主机占地面积约为15 m ×12 m，总功率1 200 kW，其工作台直径Ф2 800 mm，加工直径范围范围Ф1 800～2 600 mm，横向旋压推力可达1 000 kN，并且要求回转工作台的端面跳动和径向跳动不超过0.035 mm，如此高的加工能力和加工精度，对机床整体的装配精度和装配刚性都是一项严峻的考验。因此，为提高装配的准确性和合理性，避免重复劳动，确保装配过程的顺利完成，必须借助先进仪器和分析软件，为装配工作提供切实可行的技术保障。

2 装配流程和关键点

对于大型数控机床，制定严格的装配工艺是装配实施的前提和基础。根据多年积累的装配经验，结合该机床的使用功能和结构特点，其装配流程如图2。

从图1 中我们可以看到，组成该机床的零部件体积较大，相互之间的联接通过螺栓或螺钉来实现，因此，对于螺纹联接的每一处预紧力，都需要有一个相对准确的数值，以保证联接处的刚性，进而才能保证整机的刚性要求;另外，该大型旋压机为三旋轮立式整体框架结构，三旋轮横向进给轴线夹角要求在120° ±7.5'以内，如图3a 所示。另外，还要保证三旋轮中心轴线与工作台中心轴线的最大偏差e 不超过5 mm，如图3b 所示。对于如此大型的机床，还要保证这样高的精度，一般的测量手段很难实现。因此，在进行立柱部件的装配调整时，必须借助相应精密仪器的测量才能完成。

3 技术应用

3.1 有限元分析计算

要确保该大型装备获得足够的整体刚度，必须在装配过程中对零部件的关键联接处的螺栓施加足够的预紧力，尤其是大公称直径的螺栓，螺栓施加预紧力的数值影响螺纹联接质量，其联接质量又从根本上决定了机床最终的整体性能。

通过统计，该机床部件之间联接使用的螺栓规格主要是M36 和M30 两种。通常用于紧固处承受载荷较大的零部件，拧紧时所需要的力需要结合设备的工况来进行计算，另外还要根据以往的经验和借助分析软件，辅助进行对比和校对，以找到理想的预紧力数值。因此，如果在装配联接之前，能够通过分析和计算，最大限度地了解和掌握联接用螺栓所需预紧力的大小，将其控制在一个相对合理的范围之内，这对于整机的装配精度和运行安全，都有重要的指导意义。

通过采用有限元软件分析和通过相关的计算，对螺栓预紧力进行量化，为装配工作提供科学的数据，改善螺纹联接的可靠性和准确性，以提高机床的装配精度和加工稳定性。

针对该机床的结构功能特点，首先筛选出重要的联接部位，然后对各部位的相关联接件进行建模。以立柱底座和主轴箱体的联接为例，如图4a 所示。之后借助有限元分析软件，结合机床工作时的受力情况，进行网格划分，并施加约束和载荷进行分析计算，如图4b 所示，根据数据结果，就能计算出各处螺栓预紧力的大小。

然后，通过查阅《机械设计手册》上提供的最小拉力载荷和产品保证载荷数值，计算预紧力矩;另外，还可以通过机械行业标准JB/T 5994 -92《装配通用技术要求》，直接得到相应公称直径螺栓的扭紧力矩;还可参考专业公司提供的经验数据，比较几者的结果(表1)。

表1 螺栓扭紧力矩表

最后，结合对旋压机整体受力的有限元分析结果(图5)，根据各关键部位联接处受力变形的大小，选取较为合理的预紧力矩，最终在装配过程中进行实际应用。

根据以上几种扭紧力矩的数值，结合整机受力变形分析计算的结果，确定立柱底座和主轴箱体的连接处的扭紧力矩数值为专业公司提供数值3 957 N·m的85%，即3 363 N·m，其他联接处螺栓所需拧紧扭矩可按照该流程处理。

3.2 激光跟踪仪的应用

一般的数控机床设备，在精度检验时需要检测相关要素的几何精度，对于通常的结构形状，可以比较容易地借助检测仪器，使用传统的方法进行测量。然而，对于特殊、复杂、大型结构的专用装备，尤其是针对大尺寸、多特征、局部空间有限的相关要素之间的几何精度检测，即使制作了专用的工装和检具，使用传统的检验方法也难以实现。这就面临两个层次的问题:一是选择何种测量仪器。二是如何实现检测。

目前，激光跟踪仪由于其测量范围大、精度高、操作简单，越来越广泛地应用于航空航天、船舶、机械制造业等领域数控设备的装配过程和精度检验中。因此，结合该大型数控强力旋压机的结构特点，对于三旋轮水平夹角和偏移的装配调整，为确保整机的装配精度，选择借助激光跟踪仪的测量来配合完成，实施过程如图6 所示。

经过测量，结果显示:三旋轮横向进给轴线夹角在120° ±2.5'以内，三旋轮横向进给轴线与工作台中心轴线的最大偏差都小于2 mm，这一方面说明装配时，严格执行工艺文件的要求，精度得到了保证;另一方面，通过测量结果，验证了实际的装配精度高于设计指标要求。

3.3 激光干涉仪的应用

设备完成总装后，功能调整过程中，对纵、横两个坐标方向的位置精度使用激光干涉仪进行测量，主要目的是:检验机床运动轴的误差，根据测量的结果，调整机床机械结构，并通过电气、液压伺服控制调整，对误差进行补偿，以最终保证整机的装配精度、加工精度和运行稳定性。

激光干涉仪是一种以波长作为标准对被测长度进行测量的仪器。随着激光干涉仪测量技术的不断提高，测量软件的不断开发其测量范围越来越广泛，特别是在测量数控机床位置精度方面用途最为广泛。其测量流程如图7 所示。

以纵向坐标为例说明测量和调整的过程。首先，检验纵向运动时的误差，记录整个行程上的数值。其次，根据误差的大小情况，比如直线度、偏摆误差、俯仰角度误差等，对相应的机械部件进行适当的调整。最后，再次检测纵向坐标轴的线性误差，根据激光干涉仪软件分析出的检测结果，进行补偿，需反复多次测量，才能确保设备的最终位置精度。

4 验证分析

在该大型数控机床的装配过程中，以提高整体的装配精度为目标，灵活采用了多种方式方法，并且按照装配工艺规程的具体工序内容，严格进行每一步的操作步骤，最终顺利完成了机床装配工作。

根据制造合同中对该机床精度的相关要求，在机床机电液联调和试运行工作完成后，质检人员认真检测了机床的几何精度和位置精度，主要测量结果如表1。

表1 机床主要精度指标实测值一览表

以上结果表明:所有精度指标全部合格，而且有些指标远远高于最初的合同设计要求，对于如此大型的设备，能达到如此的精度，与装配时所进行的相关工作是分不开的，也正是这些先进可靠的检测、分析等方法手段的实施，为保证机床的精度奠定了坚实的基础。

5 结语

由以上大型数控机床装配工作中相关方式方法的实施过程，结合机床结构和生产制造的实际情况，总结出以下几点心得供大家参考:

(1)国内外数控机床生产制造的实践证明，保证装配精度是提升数控机床可靠性、稳定性的重要途径之一。把握好装配各环节的质量，加之装配过程的精细化，规避不利因素，可从根本上大幅度提高设备的加工精度。

(2)数控机床的装配工作是一个系统工程，由零件到部件直到整机，以及整机的试运行和调试工作，过程中的每一个环节都非常重要，因此，采用合理、可靠、实用、简便的手段和方法，对装配精度的保证和提高至关重要。

(3)大型数控机床，尤其是精度较高的设备，其装配方法一般无可借鉴的经验，但是，经过详细论证，大胆探索一些行之有效的辅助装配的措施和手段，可以起到事半功倍的作用。

(4)大型数控机床的装配是一个实践性很强，而且较为灵活的技术，通过装配过程的实际操作和经验总结，可以培养提高技术和技能人员的自身业务水平，为大型同类或其他设备的装配奠定基础，并增强制造企业的社会竞争力。

［1］王海涛，李初晔.螺栓预紧力分析计算在提高机床装配精度上的研究应用［J］.制造技术与机床，2013(1):128 -131.

［2］王海涛，李初晔，丁立欣.基于提高大型精密零件刮削精度的有限元法应用［J］.制造技术与机床，2011(12):49 -51.

［3］王海涛，李初晔，马岩.结构优化技术在产品设计创新中的应用［J］.航空制造技术，2010(22):69 -71.

［4］现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册:上册［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［5］《机床设计手册》编写组.机床设计手册:第三册［M］.北京:机械工业出版社，1986.

［6］王启义.中国机械设计大典［M］.南昌:江西科学技术出版社，2002.