大型加工中心精度变动原因分析及应对措施
进口大型精工加工中心是国 家花费巨资引进的设备，具有精 度高、性能可靠及加工范围大等 技术特点，拥有这类机床的多少 往往是一个企业精密加工能力的 象征。保证集机、电、液和气于 一体的进口大型精工加工中心的 正常使用，及时掌握机床的精度 变化范围，保持机床精度，使之 能加工出合格的高精度产品是维 修工作的重点，也是提高机床有 效利用率的前提之一。然而在实 际使用过程中，常常会出现一些 带有技术性或管理性的问题，这 些问题如果不能得到及时、正确 处理，将会影响到机床的正常使 用，甚至降低机床使用寿命，给 企业带来不可挽回的损失。2010年以来，我单位先后引 进2台德国进口海科特HEC1600 卧式加工中心、4台捷克TOS WHQ13 CNC卧式镗铣加工中 心，******轴加工行程达到3.5m， 海科特HEC160定位精度为 0.008mm, TOS WHQ13 CNC定 位精度为0.01mm,都属本企业重点精密机床。然而第一批4台机床 初期投入使用的一年多时间内， 产品质量问题频发，机床精度变 化异常，保修期内国外厂家到现 场维修周期长，给生产带来很大 压力。分析影响机床精度变化的 因素，并及时找到有效的解决方 法，迫在眉睫。按照合同要求，前期安装的 4台进口加工中心在安装验收时 都经过了严格的几何精度检测、 定位精度和重复定位精度检测及 NASA试件加工检测合格，为什 么在几个月的时间内会出现精度 下降的问题呢？研究分析认为： 机床基础沉降不均匀和环境温度 变化后机床床身变形导致机床几 何精度下降的两大因素，而除了 机床本身精度变动之外，不合理 的加工程序也可能带来产品的质 量不合格，下面逐一分析。0.机床基础制作因新建车间地块原为农田， 地质疏松，考虑到如按机床设计 厂方提供的地基图未打桩基，可 能较薄弱。为此，我们专门聘请 了江苏方建工程质量鉴定检测有 限公司对其中两台机床的地基做 了沉降监测，监测设备选择、基 准监测点标注等具体做法如下。(1)沉降监测设备（见表1)。 名称 规格型号 出厂编号 仪器编号 鉴定有效期 自动安平水准仪 DSZ2 251877 100881 2012.10.20 平板测维器 FS1 106119 100871 2012.10.20 铟钢尺 BGYC—1 — 100861 2012.10.20 (2)基准点及沉降监测点的 点位布置。按照有关规程规范技 术要求，在建筑物压力影响范围 以外布设埋置基准点，并保证其 稳定可靠和持久保存。根据实际 情况在该工程周围共埋设沉降监 测基准点1个，编号为BM1，其 中BM为起始点。该试验台基础 共布设沉降监测点9个，编号有东 南角为1号点，按顺时针编制9号点，具体点位置如图1所示。TOS卧式加工中心机床床身 为T形联接，Z轴床身与Z轴床身 在7、8及3、4点用螺拴固定联 接。在图中的布局为：A"轴床身 沿1、9点放置，Z轴床身沿5、 7、8点放置，从维修人员检测导 轨直线度的数据看出，义导轨的 直线度变化都为中间凹。為由的直 线度变化都为图中5点位置上翘， 整体也为中间凹。江苏方建工程质量鉴定检测 有限公司在2011年9月19~29日期 间，每隔2天共5次对地基9点进行 沉降量检测，9点的累计沉降量如 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 从表2数据中分析判断：监测 点的沉降和机床床身实际变化曲 线并无关联。并且，在第二批机 床的地基施工图1中我们加厚了混 凝土层，加粗加密了混凝土内钢 筋。经过观察发现：同型号的两 台海科特加工中心在经过相同一 段使用期后，几何精度变动规律 一致。经过这一系列的观察，基 本可排除地基沉降不均而引起机 床导轨弯曲、精度下降的可能。这里需要特别指出的是：精 密机床地基必须严格按照机床生 产厂提供的地基图施工，在夏季 施工养护期内多浇水，冬季施工养护期注意防寒，基础表面严禁 有二次找平层，防止表面脱壳。 在机床安装前还应对基础进行超 过机床本身重量的预压测试。1.环境温度变化因素条件所限，目前我们的大型 加工中心都安装在常温环境中使 用。有研究表明：工作过程中机 床床身上、下存在温度差，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U-〖2)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（^一?2)的 温度差存在，下表面的收缩大于 上表面，导轨呈下挠形状。这一 现象给精密机床的精度稳定性带 来不利影响，以其中一台海科特 机床的维修实践说明：在2012年 我们的维修人员分别在气温变化 达10'C以上的4、5月和10月、11 月检测发现，机床导轨直线度变 动明显，其中A轴在3m的移动范 围内水平变化最高可达0.06mm, 而安装时的调试水平精度要求仅 为 0.003mm。海科特机床厂家在关于机床 最高加工精度的最好工作条件的 声明中提到：机床应该安装在空 调车间和非常合格的地基上，地 基在施工前需要检查当地的土壤 条件，并需要由专业的工程公司 施工。对照下面的这张我公司所在 城市的年平均温度变化图与2015 年的机床调整记录表发现：其中 一台固资编号604699002的捷克 WHQ13CNC (TOS)在温度变化 大的3月、4月、5月和10月精度发 生的变化情况如图2、表3所示 序号 日期 固资编号 设备型号（主要参数） 温度/'C 是否调整 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.应对措施(1)购置必要的检测工具： 如00级的大理石直尺、方尺、精 密电子水平仪（0.001)和球杆仪等。(2)缩短机床精度检测周 期，在加工零件精度要求高时提 前检测机床，发现精度走失时及 时恢复。如2012年，维修人员共 计对6台大型加工中心进行了 50余 次检测。(3)立足自身维修力量，培 养一支高技能的维修队伍。(4)掌握电子水平仪、球杆 仪等精密量仪测量技术。经过培 训，熟练地利用球杆仪可在1h内 检测出机床几何精度是否降低。 三四个人能在2天时间内恢复一台 海科特机床安装水平。对海科特机床做精度调整时 需注意：海科特机床带自身冷却 液空调，操作工应经常根据环境 温度变化设定冷却水温度，减小 导轨上下温差，从而保证机床的 高精度加工。维修人员在调整机 床几何精度时，一定要事先打开 冷却水开关开机预热，保证调整 好的精度和加工时一致。3.加工程序的合理性以图3所示零件为例说明： 此零件需要精镗3组6个均布的 0147H6的销孔与0530r6mm轴承 挡和4420mm外圆两挡的公共轴线之间有较高的位置度要求，工 艺要求为0.05 mm。(1 )原加工路径（见图1)，刀具快速定位到三组销孔拟 合圆的圆心1，然后快速移动到A 孔，加工完A孔快速定位到B孔， 加工完B孔后又快速移动到C孔， 此方案路线没有考虑消除反向间 隙对孔位置加工的影响。(2 ) 0530mm的外圆镗刀重量约为13kg，刀具长度 约325mm，0147mm内孔镗刀 重量约为4kg，刀具长度约为 220mm，镗杆伸出主轴长度为 30mm。所以因刀具自重而产生 的力矩不相等，会导致镗杆下垂 程度不等，从而影响三销销孔的 位置度。4.改进措施通过对加工路线、加工过程 及试验数据等进行分析，作出以 下改进。(1)程序优化：******加工路线如图5所示。机床精度及刀具系统：改 变镗杆伸出长度，消除镗杆因自 重产生的下垂不一致的不良现 象，0530mm外圆镗刀镗杆伸出 长度缩短30mm为0, 0147mm镗 刀镗杆伸出长度加长120mm至 150mm，这样两把刀的重力所 产生的力矩相同；另外使加工时 两把刀所用机床导轨部分缩小在 100mm范围内，消除了部分机床 精度原因所产生的加工误差。(2)加工过程细节改进：① 仔细清洁主轴刀具定位面，消除 因碎铁屑等杂物造成的两把刀具 定位不同。②粗加工后松开工件 的加紧装置，消除粗加工应力和 夹紧变形。③选择锋利的刀片， 以免因刀片磨损严重导致孔、内 圆产生形状误差。④加工过程连 续完成，减小温差的影响。(3)优化改善前后的试验检 测数据对比：对同一工件利用两 种不同的加工工艺方法加工，并 通过雷尼绍探头在线测量得出检 测数据，如表4、表5所示。表4改善前工件销孔中心位置监测结果 A孔 B孔 C孔 M30 (半径) /mm 430.022 429.975 430.013 120 (。） 120.002 5 120.001 119.996 5 表5改善后工件销孔中心位置监测结果 A孔 B孔 C孔 诏30 (半径） /mm 430.006 3 430.001 429.996 120 (。） 120.000 6 120.0 119.999 4 上例说明：零件加工精度不 仅和机床本身制造与安装精度相 关，更与合理设计加工工艺路线 关系密切。5.结语大型精密加工中心类机床在 常温条件下使用，受季节温度变 化影响，机床精度保持期较短。 严格按地基图正确施工，保证地 基质量满足机床安装要求，这是 决定机床能否正常使用的前提。 立足于自身，培养一支精干的维 修队伍，准备必要的精密检测器具，加强监测，缩短对机床精度 的检测周期，定期恢复机床安装 精度，这些措施是生产能否正常 开展的保证。生产工艺人员优化 加工工艺路线，操作者精益求 精，以保证进口机床发挥******的 作用。