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大型数控机床验收的几个问题

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对集机、电、液、气于一体的进口大型数控机床(含加工中心)的验收，无论是预验收、还是最终验收，都是十分重要的。它是对机床设计、制造、安装调试的质量，特别是对机床精度的总体检验。它直接关系到机床的功能、可靠性、加工精度和综合加工能力。
    然而在实际验收中，常常会出现一些带有技术性或管理性的问题。如果不能得到及时的正确处理，将会影响到机床的验收质量。
1 定位精度的检测
    检测机床的定位精度，常用标准有两种：
    ·德国VDI/DGQ3441标准(机床运行精度和定位精度的统计方法)。
    ·美国AMT标准(美国机械制造技术协会制定)。
    用两个标准，测量数据的整理均采用数理统计方法。即沿平行于坐标轴的某一测量轴线选取任意几个定位点(一般为5～15个)，然后对每个定位点重复进行多次定位(一般为5～13次)。可单向趋近定位点，也可以从两个方向分别趋近，然后对测量数据进行统计处理，求出算术平均值。进而求出平均值偏差、标准差、分散度。分散度代表重复定位精度，它和平均值偏差一起构成定位精度，两者之和是在任意两点间定位时可能达到的最大定位偏差。
    由于被测坐标轴长度不尽相同，因而其定位精度的线性允差的给定方式不应是单一的，而应有所区别。国标GB10931-89数字控制机床位置精度的评定方法中规定，轴线定位精度线性允差的给定方式主要有以下几种：
    ·在全行程上规定允差；
    ·根据被测对象长度分段规定允差；
    ·用局部公差方式规定允差；
    既规定局部公差，同时也规定全行程允差。
    东方汽轮机厂从德国科堡(COBURG)公司进口工作台5m×17m的数控龙门铣床(下称龙门铣)，共有X、Y、Z、W四个坐标轴。只有Z轴长度小于2m、最长的X轴全行程为17.70m；从意大利贝拉尔蒂(BRERADI)公司进口的镗杆直径250mm的落地式数控镗铣床，X轴(立柱移动)长23m，Y轴(镗头升降)长7m。这些坐标的轴线定位精度的线性允差值均按全行程允差给定。龙门铣X轴全行程允差为P=14+L/250(µm) (1)
    式中L——测量行程全长，mm
    P——定位允许偏差，µm
    X轴实际测量行程L=17210mm。共测11点，点间距为1721mm。按公式(1)计算，其最大允差值为
    P=14+17210/250=82.84µm=0.093(mm) (2)
    因为给定的是全行程允差，只要其任意长度上的允差等于或小于P值，定位精度都是合格的。
    上例说明，对于龙门铣、落地镗铣床、重型转子数控车床，X轴这样长的坐标轴，仅仅在全行程上规定允差是不够的。而应按线性允差给定方式d规定允差：既规定局部公差，同时也规定全行程允差。由于有了任意长度上的定位允差，如任意2000mm，不仅可满足常用工作长度上的定位精度，也有利于提高全行程的定位精度。
    由此可知，订购机床时知道坐标轴定位精度的线性允差的给定方式，根据工艺需要提出所购机床线性允差的给定方式，并列入合同条款是非常重要的。
2 关于负荷运转试验
    负荷试验是检验机床是否达到设计规定的承载能力，及其在负荷状态下各机构工作是否正常，其工作的平稳性、准确性、可靠性是否达到规定要求的重要手段。有人担心负荷试验会损坏机床，降低甚至破坏机床精度。
    根据标准规定，负荷试验前后均应检验机床的几何精度。工作精度试验亦放在负荷试验后进行。其目的均是对机床的进一步检验。
    如前述龙门铣、负荷试验是在极限状态下进行的。滑枕伸出1m(技术规范规定，滑枕伸出1m可传递额定功率)，功率达120kW(额定功率95kW)。试验后测试滑枕两个方向的垂直度，其误差值比静态时还小了。从美国莫林(MOLINE)公司进口的MF195型数控多头钻床，按规定装上10只Ø38mm钻头做加工100只孔的负荷试验。完成后用10只Ø25mm钻头，做连续钻削500只孔的钻削精度试验。精度要求(Ø25+0.125-0.05)mm，实测为(Ø25+0.020)mm。实践证明，负荷试验不会损坏机床，不会降低机床精度。
    对于预验收时已做过负荷试验，对整体发运到用户的小型机床或加工中心，最终验收时可考虑免做。而对于解体发运到用户的大型机床，最终验收时负荷试验不可免做。因为重新安装、调试、试车和预验收时的环境等条件已不相同。预验收合格，不能等同于最终验收合格。
3 关于几何精度的检验器具
    数控机床几何精度基本上都要比普通机床高，普通机床用的检具、量具，往往因自身精度低，满足不了检测要求。
    如龙门铣，检测附件铣头HS350C主轴在0°、90°、180°、270°相对于滑枕的垂直度时，允差0.02mm/500mm。用科堡机床公司带的长1050mm、Ø105mm的检验棒，其各向母线直线度误差均小于0.005mm。从罗马尼亚阿莫斯(ARMUS)机床公司进口的数控5m立车，铣刀架滑枕需检测同样精度。自制一检验棒，母线直线度误差大于0.03mm，超出检测精度值，无法使用。
    在检测龙门铣铣头相对工作台的垂直度，如检测意大利贝拉尔蒂镗床立柱移动相对于工作台的垂直度时，需用1.5m×2m、直线度误差≤0.01mm、角度误差为2″的直角尺。
    针对这一普遍存在的问题，解决办法有两个：
    ·在机床订货时提出哪些量检具由制造厂提供，列入合同条款。
    ·用切削加工替代精度检验。对于那些必须检而又无替代量检具的精度项目，如图1 HSD350C精检项目，可采用切削加工方法替代。将试件放在坐标测量仪上，测量其相关平面的垂直度。

                  1.检验棒 2.百分表 3.平板、工作台 4.附件铣头 5.滑枕
                            图1 HSD350C检测示意图

4 床身导轨纵向直线度的调整
    大型数控机床，如数控龙门铣床、落地式镗铣床，重型数控转子车床等，其床身较长，多由数段组成。其床身导轨在垂直平面内直线度的调整，一般都按机床精度检验标准规定调成中凸曲线。把导轨人为地调成中凸形状，其实质是一种预载。用预载产生的预应力，抵抗工作台、工件的重力及切削加工产生的垂直切削分力，使工作台或刀架拖板在切削过程中处于水平状态，进而保证工件加工面的平直度。
    大型数控机床安装在恒温环境中，如上述调成中凸形状，使用中是没有问题的。但安装在常温环境中，如环境温度为0～5℃或5～10℃时，其导轨该如何调整？由于环境温度变化，床身上、下有温度差存在，形成自上而下的温度梯度。夏季导轨上表面温度高，下表面温度低。温度差t1-t2使上表面伸长大于下表面，呈上拱形状。而到冬季，刚好相反。由于t2-t1的温度差存在，下表面的收缩大于上表面，导轨呈下挠形状。机床维修实践也证实了这一点：温度较高时(夏天)导轨上拱；温度较低时(冬天)，导轨凹心。
    1996年7月安装龙门铣床时，基准导轨在垂直面内的直线度调成中凸0.076mm。其当时导轨上表面温度为28℃，下表面为26.5℃。
    1997年11下旬复测基准导轨在垂直面内的直线度误差，导轨下挠0.31mm(图2)。此时导轨上表面温度为10℃，下面为5℃。
    为克服由于导轨上下温差所导致的导轨直线度误差，可使用数段成一体的床身，不使用其连接处用螺栓产生塑性变形，使其成为弹性的连接。环境温度变化时能伸缩自如，目的是使床身连接处成为铰交点，使每段床身成为转角不连续的简支梁。这样才能使导轨调成中凸更方便，而每段床身变形也更自如。如某龙门铣床床身全长35m，每段长7m，共5段，高度为700mm。上下表面温差Δt=5℃。床身是在自由状态下调平的，温差引起的变形为
    d=aL2·Dt/(8H)=8.7×10-6×70002×5/(8×700)=0.3806
    式中d——温差引起的变形，mm
    a——铸铁线膨胀系数，取a=8.7×10-6
    L——每段床身长度，mm
    H——床身高度，mm
    Dt——上、下表面温差，℃
    其理论计算值和复测值基本相符。当最大温差值Δt=1.5℃，导轨呈中凸。
    机床导轨下挠值太大，将影响机床的运行精度，如产生低速重载下的爬行。
    为此，将导轨调成微凸。h=0.03mm(图3)这个微凸值，在环境温度较低时(冬季)机床运行精度得到保证。而当环境温度较高时(夏季)呈中凸最大值。dmax=0.03+(dL·Dt)/(8H)=0.144mm，其对加工精度亦不构成影响，因为在重力、切削力作用下，中凸值会明显减小，从而保证了一年四季机床的运行精度。

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