重型卧式车床床身导轨几何精度对轴类加工的影响

李 凯 王加祥

（1.德州德隆（集团）机床有限责任公司，德州 253000；2.山东省机械设计研究院，济南 250031；3.山东省高档数控机床技术创新中心，济南 250031）

床身是重型卧式车床的重要基础部件，床身导轨的几何精度是保证重型卧式车床加工精度的重要因素。重型卧式车床加工的零件一般重量重且回转直径大。为保证零件的加工质量，机床中心较高。一般刀尖距床身的高度为800 ～1 800 mm，甚至更高，一定程度上放大了床体几何精度误差造成的车削工件误差。下面将详细论述床身导轨的几何精度与轴类零件加工精度的关系。

1 重型卧式车床床身导轨及各运动部件的结构和作用

图1是重型卧式车床的床身导轨截面图，拖板2安装在床身导轨1 上，并以床身导轨1 为导向进行纵向进给运动，即Z向进给运动（垂直于纸面的运动方向），作用是为车削轴类零件5 的外圆提供动力[1]。刀架3 安装在拖板2 上，并以拖板2 为导向进行横向进给运动，即X向运动（垂直于Z向的水平运动方向），作用是为车削轴类零件5 的端面提供动力。切削用刀具4 安装在刀架3 上，对工件进行切削加工。

床身导轨1 的几何精度误差会直接影响刀具4。当拖板2 在床身导轨1 上做纵向进给运动即车削轴类工件5 外圆时，由于床身导轨1 几何精度误差的影响，刀具4 的运动曲线并不是一条直线，而是一条三维曲线，会使车削加工的轴类零件5 的外圆直径与理论值存在误差，从而影响轴类零件5 的加工精度。

2 重型卧式车床床身导轨几何精度的组成

如图2 所示，机床的轴线运动分为纵向进给运动（即Z向进给运动），横向进给运动（即X向进给运动），以及垂直于X向和Z向的Y向运动，以下分别简称为X向、Z向和Y向[2]。

图2 机床各轴线运动坐标图

2.1 床身导轨在ZY 垂直平面内的直线度

床身导轨在ZY垂直平面内的直线度俗称“凸起”，是指床身导轨在沿床身Z向垂直平面，即ZY正交平面上的直线度[3]。如图3 所示，一般用水平桥和水平仪检测，在床身导轨1 上沿Z向放置一水平桥2，水平桥2 上沿Z向放水平检测仪3，以床身导轨1 导向移动水平桥2，每隔500 mm 记录一次读数，检验导轨全长并绘制误差曲线，同时每条导轨均需要检验。每条导轨误差曲线上各点对其两端点连线间坐标值的最大差值，即为床身导轨在（ZY）垂直平面内的直线度。局部误差是任意相邻两点对其相应曲线的两端点连线间坐标值的最大差值。要求允差内只许中凸，精度标准如表1 所示，其中局部公差要求任意500 mm 测量长度上为0.020 mm。

表1 ZY 垂直平面内床身导轨直线度公差允值表单位：mm

图3 ZY 垂直平面内床身导轨直线度检测方法

如图4 所示，本项精度主要影响沿床身纵向移动时刀尖2 高度的变化。假定床身导轨凸起量为0.1 mm，工件1 直径为1 600 mm，则由勾股定理8002+0.12=R2，可得R为800.000 006 25 mm。R为因床身导轨凸起导致刀尖高度发生变化后实际的车削直径，所以半径变化量仅为0.000 006 25 mm。可见，对于大直径轴类工件外圆的车削，床身导轨0.1 mm的误差对零件直径尺寸变化影响极小，可以忽略不计。

图4 理论加工和实际加工示意图1

2.2 床身导轨在XY 垂直平面内的角度偏差

床身导轨在XY垂直平面内的角度偏差俗称“扭曲或俯仰”，是指床身导轨平面与床身Z向不同位置的横向垂直截面（XY截面）各交线的平行度。如图5 所示，用平尺2 和水平仪3 检测[4]，在床身导轨1 上放一平尺2，平尺2 上放水平检测仪3，沿床身导轨1 纵向移动平尺2 和水平检测仪3，每隔500 mm 记录一次数值，在导轨全长上检验，水平仪最大和最小读数的差值即为床身导轨在垂直平面内的角度偏差，精度标准如表2 所示。

表2 XY 垂直平面内床身导轨角度偏差公差允值表单位：mm

图5 XY 垂直平面内床身导轨角度偏差检测方法

本项精度对实际车削加工的影响有两个方面，即刀尖沿床身纵向移动时高度的变化和工件径向位置的变化。刀尖高度变化对零件直径尺寸变化的影响极小，可忽略不计。但是，刀尖径向位置的变化对零件的直径尺寸影响很大。

假定床身导轨的扭曲误差值为0.040 mm/1 000 mm，机床刀尖和床身导轨平面的距离即中心高为900 mm，床身宽度为1 650 mm，扭曲的旋转中心为O点，位置尺寸见图6。

图6 理论加工和实际加工示意图2

计算刀尖径向位置的变化量时，扭曲的误差值（水平仪的读数）为0.040 mm/1 000 mm，即在1 000 mm 长度上，起点和终点的高度相差0.040 mm，床身旋转的点位于床身中心O点，所以O点到床身边缘的高度差B为0.033 mm。

若这项精度误差值沿床身导轨Z向上下差反复变化，那么车削的轴类外圆直径尺寸会忽大忽小、粗细不匀，严重影响加工零件的尺寸公差和形状公差。

2.3 床身导轨在ZY 水平面内的直线度

床身导轨在ZY水平面内的直线度俗称“直线”，一般适用于拼接床身的机床，是指床身导轨纵向导向面即ZY水平面与水平面交线的直线度，多采用光学平直仪或钢丝、显微镜测量。如图7 所示，在床身导轨1 的两端沿纵向拉紧一根钢丝2，床身导轨1 上放专用检具5，检具5 上固定显微镜6，调整钢丝2，使显微镜6 读数的钢丝2 两端相等，移动检具5，每隔500 mm 记录一次读数，在床身导轨1 全长上检验，显微镜6 最大读数与最小读数的差值即为床身导轨在水平面内的直线度，局部误差以任意相邻两点读数的最大差值计，精度标准如表3 所示，其中局部公差要求任意500 mm 测量长度上为0.015 mm。

图7 ZY 水平面内床身导轨直线度检测方法

本项精度体现的是床身导轨纵向运动在水平面上的弯曲程度。当车削轴类零件时，刀尖位置运行轨迹的曲线与床身导轨纵向运动弯曲程度曲线一致，此时零件的直径变化尺寸是导轨直线度误差的2 倍。当床身是一节时，本项精度取决于床身加工母机的加工精度；当床身是多节拼接而成时，相比于“先精加工床身后拼接”的方式，采用“先拼接后精加工床身”的方式可以更好地保证并保持床身加工的精度。

3 结语

新机床应先按以上3 项精度使用调整垫铁和地脚螺栓一顶一压的方式调整机床水平，再进行车削加工。当长期使用的旧机床可能存在床身导轨磨损的情况时，可以实际加工工件的直径为参照，在直径超差的位置同时调整床身导轨在（XY）垂直平面内的角度和床身导轨在（ZY）水平面内的直线度，可临时性在一定范围内减小轴类零件的直径变化，最好的解决办法是将导轨重新磨削加工，恢复精度。综上所述，在实际使用过程中，3 项精度会同时对零件加工产生影响。为了减小轴类零件的圆柱度误差，可以根据实际零件的公差要求合理控制床体精度，做到有的放矢。