分析加工中心的定位精度保持性
伯特利数控 加工中心 钻攻中心
前言：
机床的基础件随时间缓慢变形是影响国产数控机床精度保持性的重要因素，而导致基础件变形的主要因素是残余内应力的释放。国外机床厂家在20世纪80年代生产的机床可以在10年内保持其定位精度[11，而当前国内精密机床的精度保持时间仍远低于国外上世纪80年代水平[2]。
国内外学者己经对残余应力的理论预测与测试方法进行了较多的研宄[3_5]。在机床领域，palumbo等[fi]建立了能够准确模拟铸造过程并预测铸造残余应力的有限元模型；胡敏等[7]对某卧式加工中心床身的精度保持性进行了研究，认为铸造残余应力及其不充分消除是导致床身精度保持性差的主要因素；黄微等[8]对机械加工后的导轨变形状况进行了监测，获得了导轨随残余应力释放的精度衰退总体情况。但目前鲜有学者对机床因残余应力释放而导致的定位精度下降进行定量研究。
为从根本上提ft机床精度保持性并探究残余应力对定位精度的影响，必须对残余应力释放后基础件的变形进行定量计算。本文提出一种基于残余应力分析的定位误差分析方法，通过有限元法定量分析了残余应力对定位精度的影响，并通过实验验证了该有限元模型的可信性。
1残余应力的产生及其对定位精度的影响
残余应力引起的导轨直线度误差是使数控机床精度变差的主要原因之一。机床基础件经铸造、机械加工等工序后，其存有的残余内应力会在未经*消除的情况下随着时间的延长而不断释放，使导轨安装基面发生弧面弯曲，继而使导轨与床身的结合部发生变形，产生直线度误差。
如图1所示，基础件在铸造、机械加工、焊接等环节均会产生残余应力，且大部分残余应力产生自铸造与机械加工环节。其中在机械加工环节，随着被切削材料的去除，一方面由于原残余应力场的重新分布使加工面产生变形，另一方面因刀具挤压及摩擦，在己加工表面引入了新的切削残余应力。但由于后者只分布于工件表层[9]，故其对机床精度的影响可忽略不计。
据此，本文以国内某机匣加工中心床身为分析对象，提出依据残余应力分析结果预测机床定位误差的方法，具体如下：首先针对铸造、机械加工两个对残余应力的产生起主导作用的工艺环节，对床身进行铸造残余应力仿真分析；然后基于该分析，对应力释放后的床身变形进行预测；后计算出在螺栓预紧力下导轨的定位误差。
2导轨安装基面残余应力分布及释放分析
床身结构如图2所不，因工作台位于其x轴之上，故只考虑在残余应力释放后x方向床身-导轨安装基面沿其长度方向的直线度误差，利用abaqus 6. 13有限元分析软件，分别对床身进行铸造残余应力与残余应力释放分析。
2. 1 铸造残余应力分析
为尽可能减小计算量并突出问题实质，对铸造过程按下述假设进行简化处理：①采用接触单元法对铸件砂型边界进行简化处理；②铸件无初始内应力；③不考虑铸件的浇注过程。
床身铸造的工艺条件为：砂型铸造，浇铸温度为1400 °c，72h后落砂，自然冷却。
采用顺序热耦合的方法进行传热和应力场分析，主要分析过程如图3所示，在进行传热分析
后，再将该分析结果作为热载荷进行铸造残余应力分析。
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机床的基础件随时间缓慢变形是影响国产数控机床精度保持性的重要因素，而导致基础件变形的主要因素是残余内应力的释放。国外机床厂家在20世纪80年代生产的机床可以在10年内保持其定位精度[11，而当前国内精密机床的精度保持时间仍远低于国外上世纪80年代水平[2]。
国内外学者己经对残余应力的理论预测与测试方法进行了较多的研宄[3_5]。在机床领域，palumbo等[fi]建立了能够准确模拟铸造过程并预测铸造残余应力的有限元模型；胡敏等[7]对某卧式加工中心床身的精度保持性进行了研究，认为铸造残余应力及其不充分消除是导致床身精度保持性差的主要因素；黄微等[8]对机械加工后的导轨变形状况进行了监测，获得了导轨随残余应力释放的精度衰退总体情况。但目前鲜有学者对机床因残余应力释放而导致的定位精度下降进行定量研究。
为从根本上提ft机床精度保持性并探究残余应力对定位精度的影响，必须对残余应力释放后基础件的变形进行定量计算。本文提出一种基于残余应力分析的定位误差分析方法，通过有限元法定量分析了残余应力对定位精度的影响，并通过实验验证了该有限元模型的可信性。
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残余应力引起的导轨直线度误差是使数控机床精度变差的主要原因之一。机床基础件经铸造、机械加工等工序后，其存有的残余内应力会在未经*消除的情况下随着时间的延长而不断释放，使导轨安装基面发生弧面弯曲，继而使导轨与床身的结合部发生变形，产生直线度误差。
如图1所示，基础件在铸造、机械加工、焊接等环节均会产生残余应力，且大部分残余应力产生自铸造与机械加工环节。其中在机械加工环节，随着被切削材料的去除，一方面由于原残余应力场的重新分布使加工面产生变形，另一方面因刀具挤压及摩擦，在己加工表面引入了新的切削残余应力。但由于后者只分布于工件表层[9]，故其对机床精度的影响可忽略不计。
据此，本文以国内某机匣加工中心床身为分析对象，提出依据残余应力分析结果预测机床定位误差的方法，具体如下：首先针对铸造、机械加工两个对残余应力的产生起主导作用的工艺环节，对床身进行铸造残余应力仿真分析；然后基于该分析，对应力释放后的床身变形进行预测；后计算出在螺栓预紧力下导轨的定位误差。
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床身结构如图2所不，因工作台位于其x轴之上，故只考虑在残余应力释放后x方向床身-导轨安装基面沿其长度方向的直线度误差，利用abaqus 6. 13有限元分析软件，分别对床身进行铸造残余应力与残余应力释放分析。
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床身铸造的工艺条件为：砂型铸造，浇铸温度为1400 °c，72h后落砂，自然冷却。
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