高精度卧式加工中心精密装配
3 课题“精密卧式加工中心设计制造关键技术”中， 所研制的卧式加工中心 m /800h 样机性能指标: 主轴高转速 12 000 r / min，直线坐标定位精度 0. 003 mm，重复定位精度 0. 0 015 mm，转台定位精度 3″，重复定位精度 1. 5″。其中，机床的精密装配技术成为必不可少的关键研究内容。m /800h 卧式加工中心的整机装配可以划分为: 移动部件装配、主轴单元部件装配、数控转台部件装配、固定结合面装配等，以下进行部分 介绍。
1 移动部件导轨装配技术
高精度卧式加工中心的移动部件导轨结合部的装 配精度对机床的定位、重复定位精度及机床加工精度
具有重要的影响。目前，国内外的通用方法仍然是通过导轨基面刮研方式，来保证导轨副的装配精度。在实践中发现，尽管导轨基面可以达到很高的刮研精度， 但导轨装配后的几何精度不一定会提高，这是由于导轨的误差、大件的结构、刚度等综合因素造成了导轨装配后的结构变形，同样，移动部件在机床上装配后，由于移动部件的重量、大件刮研时的放置方向与部件装配后工作方向的差异，也会导致整机与关键部件的结构变形，进而影响直线坐标的精度，达不到机床精度要求。为解决这一问题，在 m /800h 高精度卧式加工中心装配中，基于对装配过程的静力学仿真，得到 x、y 和 z 三组导轨每个装配步骤的静变形规律，确定导轨面各点综合变形值。对比装配前部件变形误差和整机装配后的变形误差，利用反变形原理，修正导轨安装基面，以提高直线移动部件的几何精度和运动精度［1－2］。
1. 1 导轨基面修正方法
精密卧式加工中心的 x、y 和 z 三向导轨分别安装在立柱、溜板和床身上，实际刮研调整时，立柱、溜板和床身平放在地面或垫铁上，对床身来说，调整时的重力方向和工作状态下的重力方向相同，但是，对于立柱和溜板来说，调整时的重力方向与工作状态下的重力方向不同。设移动部件在导轨上的行程为 s，将该行程均分为 n 段，则应计算的变形节点位置有 n + 1 个， 记每个装配状态下各个节点位置的导轨变形为 δi ，其
中 i = 1，2，3，…，n+1，m = 0，1，2，3，4，5，表示各装配步骤。对x、y 导轨，调整时重力作用下的变形和工作状态下的变形不同，设在实际调整状态下，导轨面的重力变形为 δ'i ，直线度设计要求为 δ，则 x、y 导轨安装面修正后的调整量应为:
δ = δ5 +δ0 －δ
ai i i
对于 z 向导轨，调整方向的重力和工作状态下的重力方向相同，δ0 = 0。
1. 2 导轨静变形仿真分析方法
使用软件 creo 2. 0 建立整机大件的三维模型，并对结构进行简化。固定结合面主要是螺栓连接结合 部，在进行等效时，选定螺栓连接处作为等效结合点， 并对两个结合点建立三向刚度关系。等效方式如图1a 所示。滑动结合面主要包括滚动直线导轨—滑块结合面，进行等效时，在导轨和滑块上对应位置设置等效结合点，对两个结合点建立两向刚度，等效方式如图1b 所示。各结合面结合点的等效刚度值，如表 1 所示。
考虑在重力作用下，精密卧式加工中心装配过程中的导轨偏差传递与积累规律［3］。该精密卧式加工中心床身采用三点支撑方式，对床身三个支撑面施加全约束，床身－立柱结合面，导轨－ 滑块结合面等均通过创建结合点施加刚度来进行等效处理。施加载荷时，全局沿－y 向施加重力载荷( 加速度为 9 800 mm / s2 ) 。在进行有限元仿真时，按 照“床身—立柱—溜板—主轴箱—工作台”的装配序列进行，如表 2 所示。
对各个装配状态进行静力学仿真，并提取导轨法向的静变形误差运用 matlab 软件进行画图，得出不同装配状态下的各向导轨静变形曲线。从而根据反变形 原理，对三向导轨的刮研面进行刮研调整。
1. 3 各向导轨刮研调整前后的误差
( 1) x 向导轨
通过静力学分析仿真，对 x 向导轨进行刮研调整。各装配状态下，调整前和调整后的直线度误差和角度误差如图 2 所示。从图中可以看出，调整前终直线度误差为 13. 16 μm，大角度误差为 0. 015 μm / mm; 按照导轨面反变形调整方法，调整后的直线度误差终减小为 4. 49 μm，大角度误差减小为 0. 008μm / mm，符合设计要求。
( 2) y 向导轨
同理可得，y 向导轨各装配状态下，调整前和调整后的直线度误差如图 3 所示。从图中可以看出，调整前终直线度误差为 63. 1 μm，直线度误差随着装配过程逐渐增加，大角度误差为 0. 045 μm / mm; 调整后的直线度误差终减小为 5. 000 μm，角度误差减小为 0. 002 μm / mm，符合设计要求。
( 3) z 向导轨
同理可得，z 向导轨各装配状态下，调整前和调整后的直线度误差如图 4 所示。从图中可以看出，调整前终直线度误差为 6. 57 μm，直线度误差随着装配过程逐渐增加，调整后的直线度误差为 5. 000 μm，角度误差与调整前相比，略有减小，且大角度偏差为0. 01 μm / mm，符合设计要求。
1 主轴单元部件的装配技术
主轴单元部件是高精度卧式加工中心的关键部 件之一。其静动态精度是机床实现高精度的基础条 件。m / 800h 卧式加工中心采用了内装主轴驱动电动机后置式分体主轴单元，见图 5。相比传统的内装电动机主轴单元，电动机热量、振动被有效隔离。刀 具主轴轴承采用定位预紧，以保持加工端的高刚度。驱动主轴轴承采用定压预紧，以减小轴承发热。分体后，不仅要考虑分体后的刀具轴端与驱动轴端两部分的装配，还要考虑把两部分装配成一个整体，因此增 加了装配难度。为保证装配质量，主要采用了以下工艺技术措施。
( 1) 主轴箱箱体的加工，前后配合孔的同轴度公差要在 0. 008 mm 以内，要求一次性加工完成，固定端面与孔的垂直度要在 0. 01 mm 以内，必要时进行刮研处理。
( 2) 预装检测。装配前要认真检测零件的清洁度，保证零件的清洁，避免异物混入; 使用检具及工装认真检测零件的尺寸及精度，保证各零件之间相互位置及配合关系的正确性。
( 3) 热装工艺。根据转速及配合直径，按设计要求控制合适的过盈量，然后进行热装，包括电动机转子 与转子套之间的热装、驱动主轴与转子－ 转子套组件的热装、反馈环支架与反馈元件的热装、电动机定子与 冷却套之间的热装以及刀具主轴与轴承的热装。
( 4) 压装工艺。驱动主轴与前轴承的压装，刀具主轴与轴承座的压装等。
( 5) 插装工艺。刀具轴端与驱动轴端的插装、松拉刀杆前后两部分的插装。
( 6) 动平衡。包括刀具轴端的动平衡、驱动轴端的动平衡及总装完成后的动平衡。
2 数控转台部件装配技术
m /800h 卧式加工中心数控转台采用静压支撑力
矩电动机直接驱动，其结构见图 6。数控转台的装配关键: 保证静*承与回转部件之间的轴向间隙( 油膜厚度) 0. 02±0. 0 025 mm，径向间隙( 油膜厚度) 0. 02
～ 0. 025 mm，轴承配合表面的平面度 0. 005 mm，配合表面间的平行度 0. 005 mm; 回转零件之间的同轴度
≤0. 005 mm; 密封完好，内部循环液压介质不准泄露，外部异物不准进入转台内部; 夹持机构的夹紧松开对数控转台的精度影响很小或没有影响。为此，主要采 取了以下工艺技术措施。
( 1) 预装检测。装配前认真检测零件的清洁度， 保证零件的清洁，避免异物混入。使用检具及工装认 真检测零件的尺寸及精度，保证各零件之间相互位置 及配合关系的正确性。
( 2) 检测轴承内孔尺寸，配磨与轴承配合的转盘外圆表面，保证与轴承的径向配合间隙 0. 02 mm。检测轴承的轴向尺寸，刮研电动机转子支架与轴承的配合面，保证与轴承的轴向配合间隙 0. 02 ～ 0. 025 mm。
( 3) 以转台基座底孔为统一的装配基准，依次对电动机定子装配和接油盒装配、静*承安装座装配、 静*承装配进行同轴度找正定位，然后依次对电动 机定子、接油盒和静*承安装座进行装配。
( 4) 对静*承进行预装配，在静*承固定到安装座后，应检查静*承上表面的平面度≤0. 005 mm， 必要时对安装座安装面进行刮研处理。
( 5) 把静*承装入转盘与转子支架之间，并把转子固定在转子支架上，形成回转组件，通过轴承与其 安装座之间的固定连接一起装入基座上。装配完成后，进行通油检查，检查转盘及其固定件回转是否灵活，无阻滞现象，回油是否通畅，密封是否完好。
( 6) 夹持机构固定在安装座上，然后与基座装配固定后，在保证静*承通油的同时，夹持机构通油进 行夹紧，松开安装座与基座之间的固定螺栓，进行自适 应浮动找正，螺栓拧紧，通过多次调整，使转台回转径 向跳动量达到小。
结语
高精度卧式加工中心的装配质量，是保证机床整机性能质量的关键。m /800h 高精度卧式加工中心通过装配工艺技术的研究，严格控制机床的装配质量，取 得了较好的效果，达到了机床的设计要求。本文以 m /800h 高精度卧式加工中心为例，对移动部件导轨装配、主轴单元装配、数控转台的装配工艺技术进行了介 绍，对今后深入研究高精度机床的精密装配技术具有一定的借鉴作用。
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具有重要的影响。目前，国内外的通用方法仍然是通过导轨基面刮研方式，来保证导轨副的装配精度。在实践中发现，尽管导轨基面可以达到很高的刮研精度， 但导轨装配后的几何精度不一定会提高，这是由于导轨的误差、大件的结构、刚度等综合因素造成了导轨装配后的结构变形，同样，移动部件在机床上装配后，由于移动部件的重量、大件刮研时的放置方向与部件装配后工作方向的差异，也会导致整机与关键部件的结构变形，进而影响直线坐标的精度，达不到机床精度要求。为解决这一问题，在 m /800h 高精度卧式加工中心装配中，基于对装配过程的静力学仿真，得到 x、y 和 z 三组导轨每个装配步骤的静变形规律，确定导轨面各点综合变形值。对比装配前部件变形误差和整机装配后的变形误差，利用反变形原理，修正导轨安装基面，以提高直线移动部件的几何精度和运动精度［1－2］。
1. 1 导轨基面修正方法
精密卧式加工中心的 x、y 和 z 三向导轨分别安装在立柱、溜板和床身上，实际刮研调整时，立柱、溜板和床身平放在地面或垫铁上，对床身来说，调整时的重力方向和工作状态下的重力方向相同，但是，对于立柱和溜板来说，调整时的重力方向与工作状态下的重力方向不同。设移动部件在导轨上的行程为 s，将该行程均分为 n 段，则应计算的变形节点位置有 n + 1 个， 记每个装配状态下各个节点位置的导轨变形为 δi ，其
中 i = 1，2，3，…，n+1，m = 0，1，2，3，4，5，表示各装配步骤。对x、y 导轨，调整时重力作用下的变形和工作状态下的变形不同，设在实际调整状态下，导轨面的重力变形为 δ'i ，直线度设计要求为 δ，则 x、y 导轨安装面修正后的调整量应为:
δ = δ5 +δ0 －δ
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对于 z 向导轨，调整方向的重力和工作状态下的重力方向相同，δ0 = 0。
1. 2 导轨静变形仿真分析方法
使用软件 creo 2. 0 建立整机大件的三维模型，并对结构进行简化。固定结合面主要是螺栓连接结合 部，在进行等效时，选定螺栓连接处作为等效结合点， 并对两个结合点建立三向刚度关系。等效方式如图1a 所示。滑动结合面主要包括滚动直线导轨—滑块结合面，进行等效时，在导轨和滑块上对应位置设置等效结合点，对两个结合点建立两向刚度，等效方式如图1b 所示。各结合面结合点的等效刚度值，如表 1 所示。
考虑在重力作用下，精密卧式加工中心装配过程中的导轨偏差传递与积累规律［3］。该精密卧式加工中心床身采用三点支撑方式，对床身三个支撑面施加全约束，床身－立柱结合面，导轨－ 滑块结合面等均通过创建结合点施加刚度来进行等效处理。施加载荷时，全局沿－y 向施加重力载荷( 加速度为 9 800 mm / s2 ) 。在进行有限元仿真时，按 照“床身—立柱—溜板—主轴箱—工作台”的装配序列进行，如表 2 所示。
对各个装配状态进行静力学仿真，并提取导轨法向的静变形误差运用 matlab 软件进行画图，得出不同装配状态下的各向导轨静变形曲线。从而根据反变形 原理，对三向导轨的刮研面进行刮研调整。
1. 3 各向导轨刮研调整前后的误差
( 1) x 向导轨
通过静力学分析仿真，对 x 向导轨进行刮研调整。各装配状态下，调整前和调整后的直线度误差和角度误差如图 2 所示。从图中可以看出，调整前终直线度误差为 13. 16 μm，大角度误差为 0. 015 μm / mm; 按照导轨面反变形调整方法，调整后的直线度误差终减小为 4. 49 μm，大角度误差减小为 0. 008μm / mm，符合设计要求。
( 2) y 向导轨
同理可得，y 向导轨各装配状态下，调整前和调整后的直线度误差如图 3 所示。从图中可以看出，调整前终直线度误差为 63. 1 μm，直线度误差随着装配过程逐渐增加，大角度误差为 0. 045 μm / mm; 调整后的直线度误差终减小为 5. 000 μm，角度误差减小为 0. 002 μm / mm，符合设计要求。
( 3) z 向导轨
同理可得，z 向导轨各装配状态下，调整前和调整后的直线度误差如图 4 所示。从图中可以看出，调整前终直线度误差为 6. 57 μm，直线度误差随着装配过程逐渐增加，调整后的直线度误差为 5. 000 μm，角度误差与调整前相比，略有减小，且大角度偏差为0. 01 μm / mm，符合设计要求。
1 主轴单元部件的装配技术
主轴单元部件是高精度卧式加工中心的关键部 件之一。其静动态精度是机床实现高精度的基础条 件。m / 800h 卧式加工中心采用了内装主轴驱动电动机后置式分体主轴单元，见图 5。相比传统的内装电动机主轴单元，电动机热量、振动被有效隔离。刀 具主轴轴承采用定位预紧，以保持加工端的高刚度。驱动主轴轴承采用定压预紧，以减小轴承发热。分体后，不仅要考虑分体后的刀具轴端与驱动轴端两部分的装配，还要考虑把两部分装配成一个整体，因此增 加了装配难度。为保证装配质量，主要采用了以下工艺技术措施。
( 1) 主轴箱箱体的加工，前后配合孔的同轴度公差要在 0. 008 mm 以内，要求一次性加工完成，固定端面与孔的垂直度要在 0. 01 mm 以内，必要时进行刮研处理。
( 2) 预装检测。装配前要认真检测零件的清洁度，保证零件的清洁，避免异物混入; 使用检具及工装认真检测零件的尺寸及精度，保证各零件之间相互位置及配合关系的正确性。
( 3) 热装工艺。根据转速及配合直径，按设计要求控制合适的过盈量，然后进行热装，包括电动机转子 与转子套之间的热装、驱动主轴与转子－ 转子套组件的热装、反馈环支架与反馈元件的热装、电动机定子与 冷却套之间的热装以及刀具主轴与轴承的热装。
( 4) 压装工艺。驱动主轴与前轴承的压装，刀具主轴与轴承座的压装等。
( 5) 插装工艺。刀具轴端与驱动轴端的插装、松拉刀杆前后两部分的插装。
( 6) 动平衡。包括刀具轴端的动平衡、驱动轴端的动平衡及总装完成后的动平衡。
2 数控转台部件装配技术
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～ 0. 025 mm，轴承配合表面的平面度 0. 005 mm，配合表面间的平行度 0. 005 mm; 回转零件之间的同轴度
≤0. 005 mm; 密封完好，内部循环液压介质不准泄露，外部异物不准进入转台内部; 夹持机构的夹紧松开对数控转台的精度影响很小或没有影响。为此，主要采 取了以下工艺技术措施。
( 1) 预装检测。装配前认真检测零件的清洁度， 保证零件的清洁，避免异物混入。使用检具及工装认 真检测零件的尺寸及精度，保证各零件之间相互位置 及配合关系的正确性。
( 2) 检测轴承内孔尺寸，配磨与轴承配合的转盘外圆表面，保证与轴承的径向配合间隙 0. 02 mm。检测轴承的轴向尺寸，刮研电动机转子支架与轴承的配合面，保证与轴承的轴向配合间隙 0. 02 ～ 0. 025 mm。
( 3) 以转台基座底孔为统一的装配基准，依次对电动机定子装配和接油盒装配、静*承安装座装配、 静*承装配进行同轴度找正定位，然后依次对电动 机定子、接油盒和静*承安装座进行装配。
( 4) 对静*承进行预装配，在静*承固定到安装座后，应检查静*承上表面的平面度≤0. 005 mm， 必要时对安装座安装面进行刮研处理。
( 5) 把静*承装入转盘与转子支架之间，并把转子固定在转子支架上，形成回转组件，通过轴承与其 安装座之间的固定连接一起装入基座上。装配完成后，进行通油检查，检查转盘及其固定件回转是否灵活，无阻滞现象，回油是否通畅，密封是否完好。
( 6) 夹持机构固定在安装座上，然后与基座装配固定后，在保证静*承通油的同时，夹持机构通油进 行夹紧，松开安装座与基座之间的固定螺栓，进行自适 应浮动找正，螺栓拧紧，通过多次调整，使转台回转径 向跳动量达到小。
结语
高精度卧式加工中心的装配质量，是保证机床整机性能质量的关键。m /800h 高精度卧式加工中心通过装配工艺技术的研究，严格控制机床的装配质量，取 得了较好的效果，达到了机床的设计要求。本文以 m /800h 高精度卧式加工中心为例，对移动部件导轨装配、主轴单元装配、数控转台的装配工艺技术进行了介 绍，对今后深入研究高精度机床的精密装配技术具有一定的借鉴作用。
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