大型加工中心精度變動原因分析及應對措施
進口大型精工加工中心是國 家花費巨資引進的設備，具有精 度高、性能可靠及加工范圍大等 技術特點，擁有這類機床的多少 往往是一個企業精密加工能力的 象征。保證集機、電、液和氣于 一體的進口大型精工加工中心的 正常使用，及時掌握機床的精度 變化范圍，保持機床精度，使之 能加工出合格的高精度產品是維 修工作的重點，也是提高機床有 效利用率的前提之一。然而在實 際使用過程中，常常會出現一些 帶有技術性或管理性的問題，這 些問題如果不能得到及時、正確 處理，將會影響到機床的正常使 用，甚至降低機床使用壽命，給 企業帶來不可挽回的損失。2010年以來，我單位先后引 進2臺德國進口海科特HEC1600 臥式加工中心、4臺捷克TOS WHQ13 CNC臥式鏜銑加工中 心，最大軸加工行程達到3.5m， 海科特HEC160定位精度為 0.008mm, TOS WHQ13 CNC定 位精度為0.01mm,都屬本企業重點精密機床。然而第一批4臺機床 初期投入使用的一年多時間內， 產品質量問題頻發，機床精度變 化異常，保修期內國外廠家到現 場維修周期長，給生產帶來很大 壓力。分析影響機床精度變化的 因素，并及時找到有效的解決方 法，迫在眉睫。按照合同要求，前期安裝的 4臺進口加工中心在安裝驗收時 都經過了嚴格的幾何精度檢測、 定位精度和重復定位精度檢測及 NASA試件加工檢測合格，為什 么在幾個月的時間內會出現精度 下降的問題呢？研究分析認為： 機床基礎沉降不均勻和環境溫度 變化后機床床身變形導致機床幾 何精度下降的兩大因素，而除了 機床本身精度變動之外，不合理 的加工程序也可能帶來產品的質 量不合格，下面逐一分析。0.機床基礎制作因新建車間地塊原為農田， 地質疏松，考慮到如按機床設計 廠方提供的地基圖未打樁基，可 能較薄弱。為此，我們專門聘請 了江蘇方建工程質量鑒定檢測有 限公司對其中兩臺機床的地基做 了沉降監測，監測設備選擇、基 準監測點標注等具體做法如下。(1)沉降監測設備（見表1)。 名稱 規格型號 出廠編號 儀器編號 鑒定有效期 自動安平水準儀 DSZ2 251877 100881 2012.10.20 平板測維器 FS1 106119 100871 2012.10.20 銦鋼尺 BGYC—1 — 100861 2012.10.20 (2)基準點及沉降監測點的 點位布置。按照有關規程規范技 術要求，在建筑物壓力影響范圍 以外布設埋置基準點，并保證其 穩定可靠和持久保存。根據實際 情況在該工程周圍共埋設沉降監 測基準點1個，編號為BM1，其 中BM為起始點。該試驗臺基礎 共布設沉降監測點9個，編號有東 南角為1號點，按順時針編制9號點，具體點位置如圖1所示。TOS臥式加工中心機床床身 為T形聯接，Z軸床身與Z軸床身 在7、8及3、4點用螺拴固定聯 接。在圖中的布局為：A"軸床身 沿1、9點放置，Z軸床身沿5、 7、8點放置，從維修人員檢測導 軌直線度的數據看出，義導軌的 直線度變化都為中間凹。為由的直 線度變化都為圖中5點位置上翹， 整體也為中間凹。江蘇方建工程質量鑒定檢測 有限公司在2011年9月19~29日期 間，每隔2天共5次對地基9點進行 沉降量檢測，9點的累計沉降量如 表2所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0.26 0.03 0.26 0.05 -0.27 0.03 0.18 0.15 -0.02 從表2數據中分析判斷：監測 點的沉降和機床床身實際變化曲 線并無關聯。并且，在第二批機 床的地基施工圖1中我們加厚了混 凝土層，加粗加密了混凝土內鋼 筋。經過觀察發現：同型號的兩 臺海科特加工中心在經過相同一 段使用期后，幾何精度變動規律 一致。經過這一系列的觀察，基 本可排除地基沉降不均而引起機 床導軌彎曲、精度下降的可能。這里需要特別指出的是：精 密機床地基必須嚴格按照機床生 產廠提供的地基圖施工，在夏季 施工養護期內多澆水，冬季施工養護期注意防寒，基礎表面嚴禁 有二次找平層，防止表面脫殼。 在機床安裝前還應對基礎進行超 過機床本身重量的預壓測試。1.環境溫度變化因素條件所限，目前我們的大型 加工中心都安裝在常溫環境中使 用。有研究表明：工作過程中機 床床身上、下存在溫度差，形成 自上而下的溫度梯度，夏季導軌 上表面溫度高，下表面溫度低。 溫度差U-〖2)使上表面伸長大 于下表面，呈上拱形狀。而到冬 季，剛好相反。由于（^一?2)的 溫度差存在，下表面的收縮大于 上表面，導軌呈下撓形狀。這一 現象給精密機床的精度穩定性帶 來不利影響，以其中一臺海科特 機床的維修實踐說明：在2012年 我們的維修人員分別在氣溫變化 達10'C以上的4、5月和10月、11 月檢測發現，機床導軌直線度變 動明顯，其中A軸在3m的移動范 圍內水平變化最高可達0.06mm, 而安裝時的調試水平精度要求僅 為 0.003mm。海科特機床廠家在關于機床 最高加工精度的最好工作條件的 聲明中提到：機床應該安裝在空 調車間和非常合格的地基上，地 基在施工前需要檢查當地的土壤 條件，并需要由專業的工程公司 施工。對照下面的這張我公司所在 城市的年平均溫度變化圖與2015 年的機床調整記錄表發現：其中 一臺固資編號604699002的捷克 WHQ13CNC (TOS)在溫度變化 大的3月、4月、5月和10月精度發 生的變化情況如圖2、表3所示 序號 日期 固資編號 設備型號（主要參數） 溫度/'C 是否調整 1 2012.1.31 604602015 捷克WHQ13CNC (TOS) 10 否 2 2012.2.24 604602015 捷克WHQ13CNC (TOS) 10 是 5 2012.4.25 604602015 捷克WHQ13CNC (TOS) 25 是 7 2012.7.11 604602015 捷克WHQ13CNC (TOS) 28 否 9 2012.8.4 604602015 捷克WHQ13CNC (TOS) 28 是 10 2012.9.24 604602015 捷克WHQ13CNC (TOS) 25 是 11 2012.2.24 604699002 捷克WHQ13CNC (TOS) 10 否 14 2012.3.16 604699002 捷克WHQ13CNC (TOS) 10 是 16 2012.4.25 604699002 捷克WHQ13CNC (TOS) 25 是 18 2012.5.11 604699002 捷克WHQ13CNC (TOS) 25 是 20 2012.7.13 604699002 捷克WHQ13CNC (TOS) 29 是 21 2012.10.10 604699002 捷克WHQ13CNC (TOS) 20 是 22 2012.11.13 604699002 捷克WHQ13CNC (TOS) 13 是 24 2012.2.21 604699003 捷克WHQ13CNC (TOS) 11 是 25 2012.4.28 604699003 捷克WHQ14CNC (TOS) 26 是 26 2012.9.28 604699003 捷克WHQ14CNC (TOS) 28 是 27 2012.2.13 604699004 捷克WHQ13CNC (TOS) 11 是 28 2012.4.27 604699004 捷克WHQ13CNC (TOS) 25 是 29 2012.10.30 604699004 捷克WHQ13CNC (TOS) 15 是 2.應對措施(1)購置必要的檢測工具： 如00級的大理石直尺、方尺、精 密電子水平儀（0.001)和球桿儀等。(2)縮短機床精度檢測周 期，在加工零件精度要求高時提 前檢測機床，發現精度走失時及 時恢復。如2012年，維修人員共 計對6臺大型加工中心進行了 50余 次檢測。(3)立足自身維修力量，培 養一支高技能的維修隊伍。(4)掌握電子水平儀、球桿 儀等精密量儀測量技術。經過培 訓，熟練地利用球桿儀可在1h內 檢測出機床幾何精度是否降低。 三四個人能在2天時間內恢復一臺 海科特機床安裝水平。對海科特機床做精度調整時 需注意：海科特機床帶自身冷卻 液空調，操作工應經常根據環境 溫度變化設定冷卻水溫度，減小 導軌上下溫差，從而保證機床的 高精度加工。維修人員在調整機 床幾何精度時，一定要事先打開 冷卻水開關開機預熱，保證調整 好的精度和加工時一致。3.加工程序的合理性以圖3所示零件為例說明： 此零件需要精鏜3組6個均布的 0147H6的銷孔與0530r6mm軸承 擋和4420mm外圓兩擋的公共軸線之間有較高的位置度要求，工 藝要求為0.05 mm。(1 )原加工路徑（見圖1)，刀具快速定位到三組銷孔擬 合圓的圓心1，然后快速移動到A 孔，加工完A孔快速定位到B孔， 加工完B孔后又快速移動到C孔， 此方案路線沒有考慮消除反向間 隙對孔位置加工的影響。(2 ) 0530mm的外圓鏜刀重量約為13kg，刀具長度 約325mm，0147mm內孔鏜刀 重量約為4kg，刀具長度約為 220mm，鏜桿伸出主軸長度為 30mm。所以因刀具自重而產生 的力矩不相等，會導致鏜桿下垂 程度不等，從而影響三銷銷孔的 位置度。4.改進措施通過對加工路線、加工過程 及試驗數據等進行分析，作出以 下改進。(1)程序優化：最佳加工路線如圖5所示。機床精度及刀具系統：改 變鏜桿伸出長度，消除鏜桿因自 重產生的下垂不一致的不良現 象，0530mm外圓鏜刀鏜桿伸出 長度縮短30mm為0, 0147mm鏜 刀鏜桿伸出長度加長120mm至 150mm，這樣兩把刀的重力所 產生的力矩相同；另外使加工時 兩把刀所用機床導軌部分縮小在 100mm范圍內，消除了部分機床 精度原因所產生的加工誤差。(2)加工過程細節改進：① 仔細清潔主軸刀具定位面，消除 因碎鐵屑等雜物造成的兩把刀具 定位不同。②粗加工后松開工件 的加緊裝置，消除粗加工應力和 夾緊變形。③選擇鋒利的刀片， 以免因刀片磨損嚴重導致孔、內 圓產生形狀誤差。④加工過程連 續完成，減小溫差的影響。(3)優化改善前后的試驗檢 測數據對比：對同一工件利用兩 種不同的加工工藝方法加工，并 通過雷尼紹探頭在線測量得出檢 測數據，如表4、表5所示。表4改善前工件銷孔中心位置監測結果 A孔 B孔 C孔 M30 (半徑) /mm 430.022 429.975 430.013 120 (。） 120.002 5 120.001 119.996 5 表5改善后工件銷孔中心位置監測結果 A孔 B孔 C孔 詔30 (半徑） /mm 430.006 3 430.001 429.996 120 (。） 120.000 6 120.0 119.999 4 上例說明：零件加工精度不 僅和機床本身制造與安裝精度相 關，更與合理設計加工工藝路線 關系密切。5.結語大型精密加工中心類機床在 常溫條件下使用，受季節溫度變 化影響，機床精度保持期較短。 嚴格按地基圖正確施工，保證地 基質量滿足機床安裝要求，這是 決定機床能否正常使用的前提。 立足于自身，培養一支精干的維 修隊伍，準備必要的精密檢測器具，加強監測，縮短對機床精度 的檢測周期，定期恢復機床安裝 精度，這些措施是生產能否正常 開展的保證。生產工藝人員優化 加工工藝路線，操作者精益求 精，以保證進口機床發揮最大的 作用。