基于弹性相互作用的大型数控机床地脚螺栓预紧顺序规划.pdf

工艺与检测 T e c h n 0 l0 g y a n d T e s t 基于弹性相互作用的大型数控机床地脚 螺栓预紧顺序规划 米 王永青 吴嘉锟 刘海波 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验 室 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 摘要针对大型数控机床的床身安装精度调整及其保持 问题 ， 分析 了地脚螺栓组件 间的弹性相互作用机 制， 建立了地脚螺栓预紧力流传递模型 ， 提 出了基于最小安装变形误差和均匀残余预紧力的地脚螺 栓预紧规划方法 ， 并利用有限元法实现了地脚螺栓的预紧模拟。以典型数控机床床身安装为例 。 量 化分析 了预紧顺序对导轨安装面几何精度、 残余预紧力的影响。结果表明， 该方法能够实现数控机 床地脚螺栓预紧顺序的合理规划。 关键词 弹性相互作用 ； 数控机床 ； 地脚螺栓 ； 预紧规划 ； 精度保持性 中图分类号 T G5 O 2 ． 6 文献标识码 A An c h o r b o l t p r e- - l o a d i n g s e q u e n c e s p l a n n i n g f o r l a r g e CNC ma c h i n e t o o l s b a s e d o n e l a s t i ci n t e r a c t i o n WANG Yo n g q i n g，WU J i a k u n，L I U Ha i b o K e y L a b o r a t o r y f o r P r e c i s i o n a n d N o nt r a d i t i o n a l Ma c h i n i n g T e c h n o l o g y o f Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n ，D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy ， D a l i a n 1 1 6 0 2 4， C HN A b s t r a c t A i mi n g a t s o l v i n g t h e a s s e mb l y a c c u r a c y r e t e n t i o n a n d a d j u s t m e n t p r o b l e ms o f l a r g e t y p e C N C ma c h i n e t o o l s，t he e l a s t i c i n t e r a c t i o n me c h a n i s m o f a nc ho r bo l t c o mp o n e n t s i s a n a l y z e d．F u r t h e r mo r e，p r el o a d i n g f o r c e t r a n s f e r mo d e l o f a n c h o r b o l t s i s b u i l t ． Ba s e d o n t he mi n i mu m a s s e mb l y d e f o r ma t i o n e r r o r a n d u n i f o r m r e s i d u a l p r el o a d i n g f o r c e ，a p r el o a d i n g p l a n n i n g me t h o d o f a n c h o r b o l t s i s p r o p o s e d ．At t h e s a me t i m e e a c h me t h o d i s s i m u l a t e d b y F i n i t e E l e me n t Me t h o d F E M ．T a k i n g t y p i c a l l a r g e C N C m a c h i n e t o o l b e d i n s t a l l a t i o n a s e x a mp l e，t h e i n flu e n c e o f pr el o a d i n g s e q ue n c e s o n g e o me t r i c p r e c i s i o n o f g ui de wa y mo u n t i n g s u r f a c e a n d r e s i d u a l p r el o a d i n g f o r c e o f a n c h o r b o l t s a r e q ua l i t a t i v e l y a n a l y z e d． T he r e s u l t s s h o w t h a t a r e a s o n a b l e p r e l o a d i n g s e q u e n c e p l a n o f a n c h o r b o l t s c o u l d b e a c h i e v e d t h r o u g h t h i s me t h o d ． Ke y wo r d se l a s t i ci n t e r a c t i o n； CNC ma c h i n e t o o l s； a n c h o r b o l t ； p r el o a d i ng p l a n； a c c u r a c y r e t e n t i o n 国产高档数控机床在服役过程 中普遍暴露出精度 保持性差的问题 ， 已成为制约其竞争力的瓶颈 。床身 是数控机床的基础部件， 其安装后的结构尺寸稳定性是 影响机床整体性能和服役精度的关键 。大型／ 重型数 控机床床身的安装大都采用地脚螺栓预紧方式， 即床身 通过地脚螺栓强力固定到地基上。由于床身、 调整垫铁 与地基间具有弹性相互作用 ， 地脚螺栓预紧载荷大小及 施加顺序将直接影响床身与地基间的连接刚度、 螺栓疲 劳强度及床身应力分布状态等 ， 进而影响机床精度保持 性 J 。因此 ， 研究床身地脚螺栓预紧工艺是提高大型数 控机床精度保持性的重要途径之一。 国内外学者对螺栓 组件的预紧工艺做 了大量研 究 。B i b e l G等 研究指出由于弹性相互作用， 法兰螺 栓预紧时预紧力会逐步丧失 ， 并设计 了一种 螺栓预紧 力补偿算法。A b a s o l o M等 以风力发电机法兰为 研究对象 ， 建立了螺栓组件弹性作用模型， 并进一步优 化了螺 栓组 件 预 紧顺 序 与 载荷 施 加 次数。A b i d M 等“ 针对法兰螺栓预紧过程 中螺栓弯 曲、 松 动问题 ， 分析 比较了不同预紧顺序 中螺栓组件 、 法兰应力变化 规律 。陈成军等 研究了螺栓组件预 紧顺序、 载荷水 “ 高档数控机床与基础制造装备” 科技重大专项课题 2 O 1 4 z x o 4 0 1 4 O 2 1 ； 辽宁省科技创新重大专项课题 2 0 1 3 0 1 0 0 2一 O 1 8 2 u1 0 o M 平对连接面的影响规律 ， 并建立了预紧力与结合面压 力间的关 联模型。马跃等 研究 了螺栓加载次数 对 残余预紧力与结合 面接触应力的影 响， 并优化 了某型 发动机盘式螺栓组件预紧工艺。上述研究大都 以法兰 为对象 ， 通过控制螺栓组件施力均匀性、 连接处 的贴合 紧密程度 ， 以保证法兰密封性。然而 ， 数控机床床身地 脚螺栓预紧顺序规划仍缺乏针对性研究。 本文以大型数控机床为对象 ， 研究基于弹性相互 作用分析的地脚螺栓预紧顺序规划方法 ， 优化预紧工 艺 ， 指导床身安装。 1 地脚螺栓预紧弹性相互作用分析 床身安装几何关 系模型如图 1所示 ， 其基本安装 过程为 将床身放置到已成型的地基上 ， 通过床身与地 基间的调整垫铁调节安装基面 如导轨安 装面 的直 线度、 平行度等几何精度， 进而对地脚螺栓施以预紧， 完成床身安装 ， 为后续装配奠定精度基础。 图1数控机床可靠性评估一般流程 圈2地■栓孔单元的 。 弹 卜 节点。模基 床身法 兰地脚 螺栓 孔 单元被 简 化 为 “ 弹簧 一节 点” 模型 ， 其弹性相互作用 模型如图 2所示。m 为第 i 地 脚 螺栓 孔 单 元 的上 节 点 ， 位于床身法 兰上表面的 地脚螺栓孔 圆心。m 为第 i 地脚 螺 栓 孔单 元 的下节 点 ， 位于床身法兰下表面的 ； ； z u 1 0 平 帚O 朋 井 1 辟 『 1 r k 1 6 , 图3 单节点弹性相互作用关系 T e c h n 0 10 g y a n d T e S l 工艺与检测 地脚螺栓孔 圆心。k 为轴 向刚度 ， 位 于 m 与 m 间 ， 表示抵抗沿地脚螺栓孔单元轴 向弹性变形 的能力 ； k 为交互刚度 ， 表示抵抗地脚 螺栓孔单元间的弹性相互 作用而导致交互变形的能力。 由图 3所示 ， 预紧力 作用在第 i 地脚螺栓孔单 元的节点 m ， 根据静力学平衡关系得 F Ij} 6 k 2 8 一6 i 1 6 一 1 1 其中 6 为第 i 地脚螺栓孔单元 的节点 m 位移 ； 8 ⋯ 为第 i 1 地脚螺栓孔单元的节点 m 。 位移 ； 6 为 第 i 一1地脚螺栓孔单元的节点 m 一 位移。 进而， 推广到n 个地脚螺栓， 预紧力流传递基本模 型为 FK 6 2 其 中， F【 F 】 ， 6 [ 6 ， K n 2k k ， b 一k 。 不失一般性 ， 假设床身设计有 1 0个地脚螺栓安装 孔。根据床身结构特征和残余预 紧力 的可控性 ， 初步 制定了 4种预紧序列方案。定义安装孔序号及各序列 方案如图 4 、 表 1所示 。 表 1 地脚螺栓预 紧序 列 亭列一 单侧环绕预紧 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 O 序列二 384 9 7 2 6 151 O 中间向两边对称预紧 序列三 11 O 一654 7 9 2 38 两边 向中问对称预 紧 序列 四 第一 步依序 列二 对地脚 螺栓 施 以 5 0 ％ 的预 分步预紧 ， 紧力 ； 第二步依序列三对地 脚螺栓施 以 8 0 ％ 的预紧力 ； 第 三步依序列二 对地脚 螺栓施 以 或混合预紧 1 0 0 ％ 的预 紧力 。 2 地脚螺栓预 紧顺序 规划 基于 F E M， 建立数控机床床身地脚螺栓预 紧模拟 模型， 如图 5所示。 所选机床地脚螺栓 为 8 ． 8级 ， 屈服极 限 6 4 0 MP a ； 截面积 A 5 6 1 mm ； 安全 系数 K 0 ． 6 5 。预 紧 6 6 0 ． 6 0 6 ． 0 6 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 6 0 ． 6 0 6 ． 6 0 6 一 口6 6 性减小 ， 在序列一 中最大 。比较各序列 中预紧力损 失最大的螺栓。其中 ， 序列一中螺栓 1预紧力损失最 严重 ， 为 3 5 ． 9 ％。序列 四预紧力损失最严重 的为螺栓 4 ， 仅为 1 3 ． 5 ％ 。 童 鼙 馨 载荷步／ 步 一螺栓1 一螺栓2 一螺栓3 螺栓4 一螺栓5 一螺栓6 一螺栓7 一螺栓8 一螺栓9 螺栓1 0 堇 鼙 馨 b 预紧序列二 载荷步／ 步 一螺栓1 螺栓2 一螺栓3 螺栓4 *螺栓 5 螺栓6 螺栓7 一螺栓8 一螺栓9 螺栓1 0 c 预紧序列三 堇 嚣 骧 戴荷步／步 一螺栓1 一螺栓2 一螺栓3 螺栓4 *螺栓5 一螺栓6 螺栓7 一螺栓8 一螺栓9 螺栓 l 0 d 预紧序列四 图9 不同预紧序列的地脚螺栓预紧力变化曲线 各序列地脚螺栓预紧后残余预紧力平均值与标准 偏差如表 2所示 。分步两侧交替对称预紧地脚螺栓平 均残余预紧力最大， 残余预紧力偏差值最小。即预紧 后地脚螺栓组的残余预紧力分布最均匀 。 ； z U1 0 平 ■0 朋 T e c h n 0 Io g y a n d 工艺与检测 表 2 残余预 紧力平均值 与标 准偏 差 预紧序列 平均残余预紧力／ k N 标准偏差／ k N 1 9 2． 0 6 9 2 9． 5 5 l 9 7． 6 3 2 2 0． 3 5 5 1 9 4． 91 4 2 7 ． 0 3 9 2 四 21 8． 7 9 5 1 0． 3 9 9 3 结语 地脚螺栓预紧顺序规划是实现大型数控机床精确 安装与提升其服役精度 保持能力的重要关键工艺 问 题。本文结合弹性相互作用理论 ， 建立了地脚螺栓预 紧力流传递模型 ， 并在此基础上设计了 4种地脚螺栓 预紧基本方案 ， 提 出了基 于最小安装变形误差 和均匀 残余预紧力的地脚螺栓预紧规划方法， 并利用有限元 法实现 了地脚螺栓的预紧模 拟。以大型落地镗铣的床 身为对象 ， 进行 了地脚螺 栓安装预紧模拟 实验研究。 分析结果表明， 两侧交替对称分 步预 紧可有效提高导 轨安装面几何精度及地脚螺栓残余预紧力的均匀性。 因此 ， 地脚螺栓预紧顺序规划 为实现数控机床精确安 装提供技术指导 ， 亦对提升 国产高档数控机床的服役 精度保持能力具有工程价值。 参考文献 [ 1 ] 张根保， 柳剑．提高国产数控机床可靠性的若干关键问题 [ J ] ．世 界制造技术与装备市场， 2 0 1 4 1 8 5 8 9 ． [ 2 ] 胡敏 ， 余常武 ， 张俊 ， 等．数 控机床 基础 大件精 度保 持性 研究 [ J ] ． 西安交通大学学报 ， 2 0 1 4 6 6 57 3 ． [ 3 ] D e l h o m m e F ，D e b i c k i G ．N u m e r i c a l m o d e l l i n g o f a n c h o r b o l t s u n d e r p u l l o u t a n d r e l a x a t i o n t e s t s[ J ] ．C o n s t r u c t i o n and B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 0 ， 2 4 7 1 2 3 21 2 3 8 ． [ 4 ] B i b e l G， E z e l l R ．B o l t e d fl a n g e a s s e mb l y p r e l i m i n a r y e l a s ti c i n t e r a c ti o n d a t a and i m p r o v e d b o l tu p p r o c e d u r e s[ J ] ．B u l l e t i nWe l d i n g R e s e a r c h Co u n c i l ，1 9 9 6，4 0 812 7． [ 5 ] A b a s o l o M， A g u i r r e b e i t i a J ， A v i l 6 s R， e t a1．A t e t r a p a r a me tr i e me t a mo d e l f 0 r t h e an a l y s i s a n d d e s i g n o f b o l t i n g s e q u e n c e s f o r wi n d g e n e r a t o r flan g e s [ J ] ．P r e s s u r e V e s s e l T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ，1 1 3 4 0 4 1 2 0 2 11 5 ． [ 6 ] A b a s o l o M，A gni r r e b e i t i a J ，A v i l 6 s R，e t a 1 ．Me t h o d o l o g y fo r t h e o p t i - mi z a t i o n o f b o l t i n g s e q u e n c e s fo r w i n d g e n e r a t o r fl a n g e s[ J ] ．P r e s s u r e V e s s e l T e c h n o l o g y ，2 0 1 4， 1 3 6 6 0 6 1 2 0 2 11 3 ． [ 7 ] A b i d M， H u s s a i n S ．R e l a x a t i o n b c h a v i o u r o f g a s k e t e d j o i n t s d u r i n g ass e m b l y u s i n gf i n i t e e l e me n t analy s i s[ J ] ．S a d h ana ， 2 0 1 0 ， 3 5 1 3 1 4 3 ． [ 8 ] 陈成军， 杨国庆， 常东方 ， 等． 基于有限元法的螺栓组连接弹性相互 作用研究 [ J ] ．武汉理工大学学报 ， 2 0 1 1 1 0 1 3 11 3 5 ． [ 9 ] 马跃 ， 王崴 ， 徐 浩 ， 等．基 于 A N S YS分 析 的螺 栓组 拧 紧 工艺 研 究 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 3 O 6 1 0 61 0 9 ． 编辑 李静 收 稿日 期2 0 1 4 1 0 0 8 蓦 _ _ j 誊 一 誓 囊蔓 曩 | 曩 曩 量、 ‘ 蠢 - 0 ≮ 一 ． j 釜 i 量 8 5