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伯特利數控 加工中心 鉆攻中心

前言：

機床的基礎件隨時間緩慢變形是影響國產數控機床精度保持性的重要因素，而導致基礎件變形的主要因素是殘余內應力的釋放。國外機床廠家在20世紀80年代生產的機床可以在10年內保持其定位精度^[11，而當前國內精密機床的精度保持時間仍遠低于國外上世紀80年代水平^[2]。

國內外學者己經對殘余應力的理論預測與測試方法進行了較多的研宄^[3_^5]。在機床領域，Palumbo等^[fi]建立了能夠準確模擬鑄造過程并預測鑄造殘余應力的有限元模型；胡敏等^[7]對某臥式加工中心床身的精度保持性進行了研究，認為鑄造殘余應力及其不充分消除是導致床身精度保持性差的主要因素；黃微等^[8]對機械加工后的導軌變形狀況進行了監測，獲得了導軌隨殘余應力釋放的精度衰退總體情況。但目前鮮有學者對機床因殘余應力釋放而導致的定位精度下降進行定量研究。

為從根本上提ft機床精度保持性并探究殘余應力對定位精度的影響，必須對殘余應力釋放后基礎件的變形進行定量計算。本文提出一種基于殘余應力分析的定位誤差分析方法，通過有限元法定量分析了殘余應力對定位精度的影響，并通過實驗驗證了該有限元模型的可信性。

1殘余應力的產生及其對定位精度的影響

殘余應力引起的導軌直線度誤差是使數控機床精度變差的主要原因之一。機床基礎件經鑄造、機械加工等工序后，其存有的殘余內應力會在未經*消除的情況下隨著時間的延長而不斷釋放，使導軌安裝基面發生弧面彎曲，繼而使導軌與床身的結合部發生變形，產生直線度誤差。

如圖1所示，基礎件在鑄造、機械加工、焊接等環節均會產生殘余應力，且大部分殘余應力產生自鑄造與機械加工環節。其中在機械加工環節，隨著被切削材料的去除，一方面由于原殘余應力場的重新分布使加工面產生變形，另一方面因刀具擠壓及摩擦，在己加工表面引入了新的切削殘余應力。但由于后者只分布于工件表層^[9]，故其對機床精度的影響可忽略不計。

據此，本文以國內某機匣加工中心床身為分析對象，提出依據殘余應力分析結果預測機床定位誤差的方法，具體如下：首先針對鑄造、機械加工兩個對殘余應力的產生起主導作用的工藝環節，對床身進行鑄造殘余應力仿真分析；然后基于該分析，對應力釋放后的床身變形進行預測；后計算出在螺栓預緊力下導軌的定位誤差。

2導軌安裝基面殘余應力分布及釋放分析

床身結構如圖2所不，因工作臺位于其x軸之上，故只考慮在殘余應力釋放后x方向床身-導軌安裝基面沿其長度方向的直線度誤差，利用ABAQUS 6. 13有限元分析軟件，分別對床身進行鑄造殘余應力與殘余應力釋放分析。

2. 1 鑄造殘余應力分析

為盡可能減小計算量并突出問題實質，對鑄造過程按下述假設進行簡化處理：①采用接觸單元法對鑄件砂型邊界進行簡化處理；②鑄件無初始內應力；③不考慮鑄件的澆注過程。

床身鑄造的工藝條件為：砂型鑄造，澆鑄溫度為1400 °C，72h后落砂，自然冷卻。

采用順序熱耦合的方法進行傳熱和應力場分析，主要分析過程如圖3所示，在進行傳熱分析

后，再將該分析結果作為熱載荷進行鑄造殘余應力分析。