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前言：

機(jī)床的基礎(chǔ)件隨時(shí)間緩慢變形是影響國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性的重要因素，而導(dǎo)致基礎(chǔ)件變形的主要因素是殘余內(nèi)應(yīng)力的釋放。國(guó)外機(jī)床廠(chǎng)家在20世紀(jì)80年代生產(chǎn)的高端機(jī)床可以在10年內(nèi)保持其定位精度^[11，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)精密機(jī)床的精度保持時(shí)間仍遠(yuǎn)低于國(guó)外上世紀(jì)80年代水平^[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者己經(jīng)對(duì)殘余應(yīng)力的理論預(yù)測(cè)與測(cè)試方法進(jìn)行了較多的研宄^[3_^5]。在機(jī)床領(lǐng)域，Palumbo等^[fi]建立了能夠準(zhǔn)確模擬鑄造過(guò)程并預(yù)測(cè)鑄造殘余應(yīng)力的有限元模型；胡敏等^[7]對(duì)某臥式加工中心床身的精度保持性進(jìn)行了研究，認(rèn)為鑄造殘余應(yīng)力及其不充分消除是導(dǎo)致床身精度保持性差的主要因素；黃微等^[8]對(duì)機(jī)械加工后的導(dǎo)軌變形狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，獲得了導(dǎo)軌隨殘余應(yīng)力釋放的精度衰退總體情況。但目前鮮有學(xué)者對(duì)機(jī)床因殘余應(yīng)力釋放而導(dǎo)致的定位精度下降進(jìn)行定量研究。

為從根本上提ft機(jī)床精度保持性并探究殘余應(yīng)力對(duì)定位精度的影響，必須對(duì)殘余應(yīng)力釋放后基礎(chǔ)件的變形進(jìn)行定量計(jì)算。本文提出一種基于殘余應(yīng)力分析的定位誤差分析方法，通過(guò)有限元法定量分析了殘余應(yīng)力對(duì)定位精度的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該有限元模型的可信性。

1殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及其對(duì)定位精度的影響

殘余應(yīng)力引起的導(dǎo)軌直線(xiàn)度誤差是使數(shù)控機(jī)床精度變差的主要原因之一。機(jī)床基礎(chǔ)件經(jīng)鑄造、機(jī)械加工等工序后，其存有的殘余內(nèi)應(yīng)力會(huì)在未經(jīng)完全消除的情況下隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷釋放，使導(dǎo)軌安裝基面發(fā)生弧面彎曲，繼而使導(dǎo)軌與床身的結(jié)合部發(fā)生變形，產(chǎn)生直線(xiàn)度誤差。

如圖1所示，基礎(chǔ)件在鑄造、機(jī)械加工、焊接等環(huán)節(jié)均會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，且大部分殘余應(yīng)力產(chǎn)生自鑄造與機(jī)械加工環(huán)節(jié)。其中在機(jī)械加工環(huán)節(jié)，隨著被切削材料的去除，一方面由于原殘余應(yīng)力場(chǎng)的重新分布使加工面產(chǎn)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(yīng)力。但由于后者只分布于工件表層^[9]，故其對(duì)機(jī)床精度的影響可忽略不計(jì)。

據(jù)此，本文以國(guó)內(nèi)某機(jī)匣加工中心床身為分析對(duì)象，提出依據(jù)殘余應(yīng)力分析結(jié)果預(yù)測(cè)機(jī)床定位誤差的方法，具體如下：首先針對(duì)鑄造、機(jī)械加工兩個(gè)對(duì)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生起主導(dǎo)作用的工藝環(huán)節(jié)，對(duì)床身進(jìn)行鑄造殘余應(yīng)力仿真分析；然后基于該分析，對(duì)應(yīng)力釋放后的床身變形進(jìn)行預(yù)測(cè)；最后計(jì)算出在螺栓預(yù)緊力下導(dǎo)軌的定位誤差。

2導(dǎo)軌安裝基面殘余應(yīng)力分布及釋放分析

床身結(jié)構(gòu)如圖2所不，因工作臺(tái)位于其x軸之上，故只考慮在殘余應(yīng)力釋放后x方向床身-導(dǎo)軌安裝基面沿其長(zhǎng)度方向的直線(xiàn)度誤差，利用ABAQUS 6. 13有限元分析軟件，分別對(duì)床身進(jìn)行鑄造殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)力釋放分析。

2. 1 鑄造殘余應(yīng)力分析

為盡可能減小計(jì)算量并突出問(wèn)題實(shí)質(zhì)，對(duì)鑄造過(guò)程按下述假設(shè)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：①采用接觸單元法對(duì)鑄件砂型邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化處理；②鑄件無(wú)初始內(nèi)應(yīng)力；③不考慮鑄件的澆注過(guò)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(jìn)行傳熱和應(yīng)力場(chǎng)分析，主要分析過(guò)程如圖3所示，在進(jìn)行傳熱分析

后，再將該分析結(jié)果作為熱載荷進(jìn)行鑄造殘余應(yīng)力分析。

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結(jié)束語(yǔ)：

(1) 采用有限元分析法模擬了國(guó)內(nèi)某加工中心床身在鑄造及機(jī)械加工環(huán)節(jié)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布情況，認(rèn)為床身的殘余應(yīng)力主要由鑄造環(huán)節(jié)產(chǎn)生，并在機(jī)械加工環(huán)節(jié)隨著應(yīng)力的釋放而發(fā)生變形，且變形撓度隨著材料去除率的增大而增大。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了有限元模型的可信性。

(2) x軸導(dǎo)軌由內(nèi)應(yīng)力釋放所引起的定位誤差為雖尚處于誤差范圍要求的6 之內(nèi)，但考慮到仍存在重復(fù)定位誤差與反向間隙以及機(jī)床運(yùn)行后精度退化等因素，宜進(jìn)一步研宄時(shí)效規(guī)范和導(dǎo)軌加工工藝以提高機(jī)床的精度保持性。

(3) 對(duì)于小型機(jī)床或精度要求較低的機(jī)床，殘余應(yīng)力對(duì)加工精度產(chǎn)生的影響較??；對(duì)于大型機(jī)床與高精度的加工中心，若要進(jìn)一步提高加工精度及其精度保持性，則必須考慮基礎(chǔ)件殘余應(yīng)力釋放對(duì)定位誤差產(chǎn)生的影響。

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