重型机床基础部件制造工艺可靠性设计方法

第1章　重型机床基础部件加工与装配工艺技术 　　1.1　重型机床零部件高效切削技术 　　1.1.1　重型机床零部件切削动力学特性 　　以重型零部件高效切削加工为主要特点的重型机床，如重型数控落地镗铣床和数控重型龙门车铣加工中心，其组成机床的零部件具有尺寸大、重量大、结构复杂、翻转困难等特点，且一般为非标准件，其较大的设计尺寸、较高的加工精度与表面质量要求对此类零部件高效切削加工提出了严格的要求（图1-1、图1-2）。 　　利用高效切削技术加工机床零部件关键结合面时，主要采用硬质合金可转位刀具进行大进给、大余量切削，受切削过程中的断续、交变载荷影响，机床及刀具的动力学稳定性难以保证，其后果是刀具振动明显、磨损迅速、表面加工精度及粗糙度难以达到要求。 　　图1-1　XK2130数控龙门镗铣床 　　图1-2　TK6920数控龙门镗铣床 　　机床零部件高效切削过程中，机床和刀具的振动可分为自激振动、低幅值随机振动和强迫振动。已有研究表明，机床零部件切削过程中零部件几何结构刚性不足使得刀具产生自激振动，该振动属高频强烈振动，通常又称为切削颤振；当零部件切削过程受随机因素干扰会引起不规则或不确定性的低幅值随机振动；机床传动机构存在误差（如机床主轴箱中齿轮的制造或装配误差、滚珠丝杠间隙误差等）、断续切削以及切削过程遭受不平衡离心惯性力等因素导致机床零部件切削过程中，工件和刀具存在强迫振动。重型机床零部件高效切削过程中的自激振动、随机振动和强迫振动与加工系统自身关系密切，且对零部件加工表面质量、加工效率和刀具磨损、使用寿命影响较大，防振、消振较为困难。图1-3为重型机床高效铣刀结构动力失稳所导致的剧烈磨损。 　　图1-3　高效铣刀结构动力失稳的后果 　　实际加工中若减小切削参数，能有效降低零部件加工过程中的切削力波动，以及铣刀-工件之间的冲击强度，从而达到抑制强迫振动的目的，但上述手段同时会导致零部件加工效率下降。已有相关企业采用不等齿距分布的铣刀对切削能量进行有效分散，从而达到抑制强迫振动的目的，但未能解决铣刀整体振动对局部刀齿磨损不均匀性与加工表面形貌不一致的影响问题。该方法还会引起铣刀结构动力失稳，轻则影响加工效果，重则导致生产事故。故现有研究成果难以支持面向生产现场和大型零部件高效切削工艺平台的振动识别与控制，且难以有效解决机床、工件、工装、刀具、切削参数变化引起切削动力学特性改变，对大型机床零部件高效切削加工质量一致性和工艺可靠性的影响问题，有必要在此方面进行深入研究。 　　1.1.2　重型机床零部件切削刀具技术 　　在重型机床零部件切削加工中，盘铣刀因具有良好的抗变形和抗振特性，以及较高的加工效率而被广泛用于床身、横梁、立柱等重要结合面的粗加工和半精加工之中；面铣刀有着较强的抗变形能力和较高的切削稳定性，常用于重型机床的立柱、机床导轨面、工作台面的精加工之中，且能采用较大的进给量，同时多刀齿参与切削，工作平稳性较好。图1-4所示为重型机床零部件切削加工刀具。 　　采用上述类型的高效铣刀对重型机床零部件结合表面进行切削时，由于切削载荷多变，刀具与工件振动程度明显，刀片几何角度、切削深度、进给速度及主轴转速等对振动影响较大的因素不合理匹配，导致铣刀在切削过程中表现出由低频振动和高频振动相结合的振动特性。其中，铣刀产生的高频振动使得铣刀的微动磨损急剧增加，而来自铣刀振动的微动磨损将使铣刀与被加工件接触界面在周期性交变应力作用下产生疲劳裂纹，进而引发更大的微动磨损。同时，低频振动通过较大振幅使刀具与工件之间具有较高的冲击能量和较大的接触应力，导致铣刀冲击磨损程度显著增大。低频和高频振动的交互影响使得铣刀由初期磨损阶段迅速转入正常磨损阶段，明显缩短正常磨损阶段并进入急剧磨损阶段，从而使铣刀的使用寿命减短，势必也会严重影响加工表面质量。图1-5所示为高效铣刀因受迫振动导致的磨损及破损。 　　图1-4　重型机床零部件切削加工刀具 　　图1-5　刀具因受迫振动导致的磨损及破损 　　在切削力载荷和离心力载荷作用下，高效铣刀的动力学特性处于不稳定状态，在上述背景下，铣刀时变振动特性使得各个刀齿每个时刻的位置和姿态均不相同，进而引起铣刀多齿切削行为不一致，由此导致刀具磨损不均匀和加工表面形貌的一致性降低。刀具多个刀齿磨损不均匀和加工表面形貌的不一致是高效铣刀结构动力失稳的外在表现，其实质是高效铣刀结构稳定性失稳，导致铣刀每个刀齿切削层参数的变化。因此，如何识别高效铣刀结构动力学特性的影响因素，揭示高效铣刀结构动力学特性与多齿切削行为、刀具磨损行为、加工表面形貌的联系，以实现多齿切削行为一致、刀具磨损均匀、加工表面形貌一致为目标的高效铣刀结构动力稳定性控制方法，是高效铣刀结构动力学研究亟待解决的问题。 　　依据安全系统工程理论，高效铣刀安全性是指高转速条件下铣刀保持其“完整”与“稳定”状态的能力。研究表明，随着转速的提高，铣刀与工件之间的冲击、碰撞加剧，导致铣刀组件变形和位移量逐渐增大，铣刀质量分布随之发生改变，动平衡精度下降，在远低于《高速机械加工用铣刀 安全要求》（ISO 15641—2001）规定的安全转速工况下，高效铣刀安全稳定状态开始恶化。在未发生铣刀完整性破坏之前，高效铣刀安全性存在一个动态衰退过程，如图1-6所示。 　　图1-6　某型号高效铣刀安全性衰退过程 　　近年来，国内各行业均程度不同地引进和应用了高效切削加工技术，仅航空工业四大主机厂就引进了数百台高效加工机床。统计显示，上述企业在《高速机械加工用铣刀安全要求》（ISO 15641—2001）和机床故障预警系统的双重保护下，高效铣刀极少产生破坏性安全问题，但铣刀尚未达到《高速机械加工用铣刀 安全要求》（ISO 15641—2001）规定的安全转速就因动平衡精度下降和刀具受迫振动而丧失部分或全部高效切削能力的现象仍然普遍存在。高效铣刀安全性衰退导致的不稳定切削成为制约高效铣削加工效率大幅度提高的因素。 　　1.1.3　高效加工机床零部件中的切削能效 　　切削能效（能量效率）是指零部件在加工阶段的切削过程中，已经发挥作用的能源量与实际能耗（消耗的能源量）的比值。所谓“提高能效”，是指用更少的能源投入提供同等的能源服务，也就是减少不必要的能耗。对于数控机床在加工过程消耗的能量，除不同电机消耗的能量外，进给系统和辅助系统也会产生相应的能耗。要完整加工一件工件需要不同系统的配合，如主轴传动系统、进给系统、辅助系统等，无论哪个系统在运行过程中都会伴随能量的传递与消耗。图1-7为数控机床能耗层次结构。 　　重型机床零部件切削加工过程中，由铣刀、工件等所组成的系统内部，如在铣刀刀齿-工件前刀面之间的接触界面、刀齿后刀面-工件已加工表面之间的接触界面，时刻伴随着能量、物质和信息的交换。上述能量传递与消耗过程受铣刀循环断续冲击载荷等作用而时刻处于非平衡态。在冲击载荷引起的铣刀和工件振动，以及铣刀刀齿逐渐磨损引起的刀齿结构改变的作用下，刀工接触界面能耗具有时变性。因此，切削能效受刀具磨损和切削过程中的振动等因素的影响较为明显，切削能效的影响因素及其影响规律还有待研究。 　　图1-7　数控机床能耗层次结构 　　1.2　重型机床装配技术 　　1.2.1　重型机床整机装配技术 　　重型机床的装配是将加工完毕的零部件采用适当的装配工艺方法，按生产图样和技术要求连接成部件或整个产品的工艺过程。整机装配的工作量占整体产品制造工作量的30%～40%。《机械工程学科发展战略报告（2011～2020）》中指出，“产品整机装配性能的保障正在由*初的设计加工环节逐渐向装配环节转移”。重型机床装配是产品制造的重要环节，在很大程度上决定了产品*终质量、运行性能、制造成本和生产周期。由于装配通常占用的劳动量大且属于产品生产工作的后端，采用先进的装配技术对于提高产品生产效率和质量具有更加重要的工程意义。同时，随着当前我国精密和超精密加工技术的快速发展，零部件加工精度和一致性显著提高，装配环节对产品性能的保证作用日益凸显。 　　目前，机床生产企业结合现场实际工艺条件，依据装配工艺的一般设计原则及已有的装配工艺规范进行重型机床装配，装配出的重型机床整机符合国标的各项检测指标的标准，现场装配工艺具有一定的合理性，但还经常需要利用刮刀、基准表面、测量工具和显示剂，以手工操作的方式，边研点边测量，才能使工件达到设计规定的尺寸、几何形状、表面粗糙度和密合性等要求，如图1-8为重型机床装配过程中的刮研现象。 　　在重型机床装配中常会涉及二次装配，国内现场装配工艺调研显示，整机在生产厂家装配完成后，由于整机的结构庞大，现场装配完成检验合格后，需要部分零部件拆卸下来，进行分别包装，然后运往使用厂商，再次进行装配。企业在使用厂商实施重复装配工艺时，仅将拆卸下来的零部件按照原有工艺重新安装在一起。但是，重复装配时装配对象已经发生改变，被拆卸零部件的结合面结构参数发生了变化，采用相同的装配工艺，会使装配精度可重复性下降。图1-9所示为重型机床的装配现场。 　　此外，在重型机床运行过程中，由于加工及装配环节的技术指标不完善，机床装配精度保持性较差，有时在初次运行调试时，就会出现装配精度超差现象，只能拆卸重新修配。因此，需对重型机床整机装配过程中的装配精度及其劣化规律，以及整机装配工艺设计方法进行系统深入的研究。 　　1.2.2　重型机床装配精度 　　重型机床装配过程中，其零部件结构变形和装配误差累积现象明显，现有重型机床在装配过程中常出现修配和刮研等现象，且经常存在二次装配。上述因素导致机床*终装配精度不达标、整机装配精度可重复性较差，如床身、立柱、导轨、横梁等重要零部件全行程配合精度较低，其后果是后期整机运行过程中，机床性能不断下降，整机运行精度难以得到保证，零部件加工精度及表面质量无法满足要求，如图1-10所示。