機床滑座變形問題的分析與研究
2025-4-15 來源： 沈陽機床股份有限公司 作者：王（wáng）雲萍 劉東波
【摘要】: 滑座作為機床結構中的主要部件直接影響整機的幾何精度與運動精（jīng）度。分析影響機床滑座變形的（de）因素，研（yán）究相應的解決方案並進行實驗論證。從而對保證機床的加工精度，提升加工性能有著重大影響。
十字滑台式結構作為典型的機（jī）床結構形式，在立式加工中心、臥式（shì）銑鏜床、臥（wò）式加（jiā）工中心等機（jī）床型譜中被（bèi）廣泛采用。滑座是十字滑台式結構中的重要組成部件。以立式加工中心為例 : 滑座向上連接工作台，向下連接床身，且負責兩個軸的運（yùn）動，在整機結構（gòu）中起到承上啟下及傳動樞紐的作用。所以（yǐ），滑座的自身精度直接影響機床的幾何精度和運動精度。但是，由於滑座自身結構所限，在實際的生產活動中容易產生變形。本文將嚐試從結構設計、毛坯鑄造、切削（xuē）加工、裝配工藝等整個生（shēng）產鏈（liàn）條分析滑座變形的原（yuán）因，研究相應的（de）解決方案並通過實驗來印證方案效果。
1. 結構設計（jì）因素引（yǐn）起的滑座變形
滑座由於不合理的（de）結構設計導致的變形，主要是由於研發設計（jì）過程中未能充分考慮結構剛度問題，包括幾點（diǎn） : ①兩側導軌懸伸量過長 ; ②設計內部筋格布局未能兼顧重要受力位（wèi）置 ; ③滑座內部開口結構（gòu）。
前兩點問題在於（yú）研發（fā）人員設計經驗不足、考慮不周。滑座兩側導軌懸伸量過長時可以加裝副（fù）導軌或牽（qiān）拉裝置解決（jué）工件剛度（dù）不足導致變形的問題。另外，當設計（jì）內部筋格布局時不必拘泥於對稱（chēng）原則或是刻意追求質心位置。雖然質心驅動設計的（de）十字滑（huá）台結構具（jù）有較好的對稱性，能夠減輕機床在切削時的自激振（zhèn）現象，提高機床整機的固有頻率。但應優（yōu）先保證諸如導軌麵、滑塊麵、電機座麵、軸（zhóu）承座（zuò）麵等（děng）主要受力位置的結構剛度，可以結合有限元分析軟件進行拓補（bǔ）優化合理布局。
然而，許多技（jì）術人員往往忽略第三點 : 滑座內部（bù）開（kāi）口結構也是影響工（gōng）件整體剛度的重要因素。如圖（tú） 1、圖 2 所示某（mǒu）型（xíng）立式加工中心滑座 :軸承（chéng）座一側設計成閉合結構、相反電機座一側則為開口結構。經 AnsysWorkbench 靜力（lì）學分析（xī），當僅施加額定載荷時，電機座一側相較於軸承座一側變形（xíng）量大0.005mm;當施加極限（xiàn）重載及衝擊載荷時，開口結（jié）構的電機座一側變形量成倍放大。因此在設計過程中（zhōng）應盡（jìn）量避（bì）免滑座內（nèi）部的開口結構。
2.毛坯鑄造環節滑座變形分（fèn）析
毛坯鑄造（zào）環節有以下幾個誤區容（róng）易引起滑座變形 : ①毛坯尺寸公差等級過大，特別是需要機械加工麵的餘量。②一味（wèi）提高鑄件牌號，錯誤地意圖通過提高工件機械強度來提高剛性。下文將具體分析這兩點如何影響滑（huá）座變形。
圖（tú） 1 軸承座側靜力學模型圖
圖（tú） 2 電機座側靜力學模型圖
關於（yú）毛坯機械加工餘量，可根據 GB/T6414-1999《鑄件（jiàn）尺寸公差與（yǔ）機械加工餘量（liàng）》國標查詢確定。然而（ér）實（shí）際（jì）生（shēng）產活動中，鑄造廠家往往將機械加工餘量等級放至 H~K 級別（以 2000mm 內的滑座為（wéi）例（lì），加工餘量可達 6~15mm）。究其原因（yīn）無外乎以下兩點 : ①鑄件以重量結算價格，廠家追求利潤有意放大加工餘量。②鑄造缺陷大多出現在毛坯表層，放大餘（yú）量，並經過加（jiā）工（gōng）後可降低廢品率。
過大的毛坯餘量勢必增大後續切削加工環節的金屬去除量，累積更大切（qiē）削殘（cán）餘應力（lì），從而加劇滑座（zuò）變形。與此同時過多無用的毛坯餘量也會提高物料成本及機加工費用。因此必須降低毛坯餘（yú）量。經實（shí）際檢驗 : 機械加工餘量等級確定至E~G 級別較為合適，即（jí）長度在 2000mm 以內的滑座理想的加工餘量為 3~5mm。
關（guān）於（yú）鑄件牌號問題，設計時（shí）機床（chuáng）大件通常選用HT200或HT250。然而部分技術（shù）人員一味提高鑄件牌號至 HT300~HT350，將機械強度與結構剛度混為一談，單純地認為提高機（jī）械強度能夠減小工件變形，殊不知滑座變形主要（yào）是工件（jiàn）的整體彈（dàn）性變形及加工麵在切削過程中熱力耦合作用下的微觀變形，很少能（néng）到（dào）達到整體塑性變形階段。剛度是（shì）主（zhǔ）要因素，而剛度（dù）是結構性質，與材料的彈（dàn）性模量及工件的結構有關。另外由於鑄件抗拉強度與硬度存在一定的對應關係式 :
當σb≥196MPa時，HB=RH(100+O.438σb )（1）當σb＜196MPa時，HB=RH(44+0.724σb )（2）式中相對硬度 (RH) 值主要由原材料、熔化工藝、熱處理工藝及鑄件的冷卻速度所確定。如式中所述 : 提高鑄件強度同時勢必會增加硬度，反而增大鑄造應力及加工環節的切削阻力導致滑座變形，因此如無特殊原因不宜提高鑄件牌號。
3.切削加工過程中變形因素分析
滑座（zuò）在切削加工過程中產（chǎn）生的變形主要（yào）包括 : ①產前準（zhǔn）備期間不規（guī）範的定位、卡（kǎ）壓產生的變形。②加工過程中熱力耦（ǒu）合作用產生的導致工件微觀相變或（huò）變形。③工藝編排（pái）不合理造成應力累積變形。
機加工產前準備期間工件不合理的定位、卡壓容易導致滑座變形。首（shǒu）先（xiān）工件定位（wèi）位置與卡壓位置應盡量保持在一條線上。簡單舉例 : 如圖 3所示某型滑座底麵加工示意圖，其定位位置與（yǔ）卡（kǎ）壓（yā）位置不在一條線（xiàn）且該卡壓方式沒有在四周加側頂裝（zhuāng）置，夾緊時僅靠摩擦力限製自由度，故需較大的壓緊力。經有限元分析軟件計算，螺栓（shuān）夾緊（jǐn）力為45000N，在壓緊時受彎曲應力導致變形量為0.09mm。圖 4 所示定位位置與卡壓位置在一條線，並加裝（zhuāng）側頂裝置限製自由度，其螺栓夾緊力為 10000N，而且滑座幾乎（hū）不受彎曲應（yīng）力，變形量
幾乎為 0。
3
圖 3 （定位（wèi）位置與卡壓位置不在一（yī）條線）
4
圖 4 （定（dìng）位位（wèi）置與卡壓位置（zhì）在一條線上）
實際生產活動中，操作者往往（wǎng）錯誤地認為粗加（jiā）工時采用圖3裝夾方式不會影響後續加工精度，工件會快速恢複形狀。然而經長期實踐證（zhèng）明，工件（jiàn）經此方式長時間裝（zhuāng）夾後 7~24 小時自然（rán）時效才能基本恢複，對（duì）精加（jiā）工有著深遠影響。
金屬（shǔ）在切削加工過程中刀具對工件產生（shēng）強大的擠壓力，使切削層在高應力，高應變，高切削溫度的（de）情況下與基體產生分離，形成已加工表麵。
故此，已加工工件中存在較大的殘餘應力，也（yě）是滑座變形（xíng）的重（chóng）要因素。本文作者作為基層技（jì）術人員未在此方向上做深入研究，僅根據（jù）實際工作經驗提出應對切削（xuē）殘餘（yú）應力的若幹（gàn）措（cuò）施 :
（1）盡量減少工件總的金屬去除量即毛坯餘量。
（2）滿足設計要（yào）求條件下較低的毛坯硬度。
（3）切削參數方麵（miàn）宜采用平轉數，小吃刀量（liàng）、快進給的方式。
（4）加入人工時效處理工藝。
加工工藝是（shì）影響滑座（zuò）變形的另（lìng）一個因素，不合（hé）理的工藝規程編排（pái）容易造成應力累積導致變形。滑座作為機床機械結構（gòu）中重要部件在毛坯出廠前和粗加（jiā）工後都應進行時效處理，如去應力（lì）退火、振（zhèn）動時效等。另外，各工序間應適當進行自然時效（xiào）以充分釋放應（yīng）力。
舉例說明某型立式加工中心滑座工藝規程 :毛坯出廠退火（huǒ）→粗底麵→粗上麵→四周麵→人工時效處理→鉗序攻絲→油漆→精底麵→精上麵→磨底上麵→成品檢驗（上訴各工（gōng）序間時效 7 小時）然而實際生產（chǎn）活動中（zhōng），機加工車（chē）間由於指令計劃更改或其它因（yīn）素影響經常變更或加速排產，導致工序（xù）過度集中或時效時間不（bú）充分從而影響工件的（de）應力釋放。
4. 滑座裝配環節變形（xíng）因素分析
在滑座裝配環節中，部件或整機的裝配剛度是影響滑座變形的主要原因，而裝配剛度取決於部件的結構剛度及裝配工藝的編排，實際生產活動中應注意以下幾點 ;
（1）滑座在機加工後、裝配前應在台位（wèi）螺栓（shuān）鬆開狀態下靜置 24 小時以充分釋放鑄造及加工環節的內應力。
（2）導軌螺栓與擠塊螺栓（shuān）擰緊順序（xù）為從中央（yāng）到兩端的把緊方式，保證直線導軌與滑座導軌麵充分貼合。
（3）擠塊及壓板壓緊導軌側麵的方式壓力較大（dà），容易造成導軌基準麵擠壓變形。可酌情改為偏心螺釘方式壓緊（jǐn）。
5. 結語
綜上所述，滑座作為機床結構（gòu）中的主要（yào）部件直接影響機床整（zhěng）機精度。本文從滑座結（jié）構設計、毛坯鑄造、切削加工及整機裝（zhuāng）配幾個環（huán）節闡述和（hé）分析了其（qí）變（biàn）形的主要因素及控製（zhì）措施。對滑座的整個生產（chǎn）鏈條具有一定的借鑒意義，從而有（yǒu）效控製滑座變形問題，能夠快速提升機床產品性能和行業的競爭力。
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