0 前言
国内数控机床的需求日益增长，高档数控机床向个性化、定制化、单件小批量方向发展。但是，铸造床身的铸造工艺复杂、制造周期长、成本高，难以满足数控机床对交货期的需求;另外，面对持续恶劣的雾霾环境，机床铸造企业常受为期数月的冬季停产或错峰停产政策限制。因此，加快焊接床身的研究与应用，采用产能利用率高、环境污染率相对较小的焊接工艺进行床身的加工制造逐渐成为发展趋势，焊接床身具有刚度好、重量轻、生产周期短、制造成本低、结构设计灵活、柔性高等优点，容易实现个性化、定制化、单件小批量和绿色制造，尽管焊接床身具有诸多优点，但在生产制造过程中，结构设计、焊接工艺、应力变形和时效处理等方面存在较多难题，突出的问题是应力变形大、精度稳定性很差等［1］。
德国格劳博机床集团(Grobgroup)已大量采用焊接结构床身，制造技术已经成熟，英国600集团设计制造的M300型焊接床身，已经销售300台以上，国内焊接床身的应力和变形是制约其生产制造、推广应用的技术 瓶颈［2］。研究测试了国内外不同结构的焊接机床件包括床身、滑鞍和立柱的残余应力，对比分析其应力水平和结构特征，为突破焊接机床制造过程中的技术难题、研究其结构设计、应力变形和时效处理技术提供依据。
1 焊接机床件的结构分析
测试研究的焊接结构机床件主要有床身、滑鞍和立柱，均由 Q235钢板焊接组成。床身外形尺寸为1 710 mm×2 780 mm×580 mm，主平板厚25 mm、侧壁板厚20 mm、底板厚20 mm、内部筋板厚15 mm，采用三根钢管作为筋板支撑，如图1所示;滑鞍外形尺寸为620 mm×2 700 mm×252 mm，内部设置交叉筋板，中间布置三根钢管作为支撑，横筋厚10 mm，中间纵筋厚15 mm，导轨底部的纵筋厚20 mm，如图2所示。立柱外形尺寸为1 110 mm×2 060 mm×782 mm，前壁板厚25 mm，侧壁版厚20 mm，后壁板厚15 mm，内部筋板厚15 mm，如图3所示。
图1 测试用焊接床身
图2 测试用焊接滑鞍
图3 测试用焊接立柱
此外，选用了一件国外某滑鞍作为对比测试对象，并对滑鞍进行解剖分析，图4是该滑鞍及其断面结构图。由图4可见，该滑鞍结构设计优良，筋板较少，板厚较薄，焊缝较少。
图4 国外某焊接滑鞍及其断面结构图
2 残余应力测试方法及原理
研究采用盲孔法测试残余应力，即在被测材料表面粘贴应变片，在应变片中心钻孔，钻孔直径1.5 mm、深2 mm，根据钻孔后测试的释放应变计算出残余应力［3］。测试设备采用郑州机械研究所有限公司研制的高精度盲孔法残余应力测试装置，包括ZDL－Ⅱ型残余应力钻孔装置、YC－Ⅲ型应力仪和残余应力专用应变片，图5是测试残余应力用0°，45°和90°应变片示意图。测试原理为假设一个各向同性材料上某一区域内存在一般状态的残余应力场，其最大、最小主应力分别为σ1和σ2，将专用应变片粘贴在该区域被测材料上，在应变片中心打一小孔，引起孔边应力释放，从而在应变片丝删区域内产生释放应变，应变片随着被测定材料的应变一起收缩，这样应变片里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短，很多金属在机械伸长或缩短时，其电阻会随之变化，应变片通过测试电阻的变化而对应变进行测定，根据应变片测试的释放应变就可以计算出残余应力［4－7］，计算公式如下式(1) ～(3):
图 5 0°，45°和 90°应变片
式中:ε1，ε2，ε3为三个方向释放应变;σ1，σ2是最大、最小主应力;θ是σ1与1号片参考轴的夹角;E是材料弹性模量，此处Q235钢的弹性模量取200 GPa;A，B是释放系数，其中A，B系数与钻孔的孔径、应变片尺寸、孔深有关［8－9］。图6为床身测试位置标记图、图7为立柱测试位置标记图、图8为焊接床身、滑鞍和立柱测试位置标记示意图。图9为国外某焊接滑鞍的残余应力测试位置标记。
图6 床身测试位置标记
图7 立柱测试位置标记
图8 滑鞍测试位置标记
图9 国外某滑鞍残余应力测试位置标记示意图
3 测试结果与分析
3.1 焊接床身、滑鞍和立柱的残余应力
表1～3是焊接床身、滑鞍和立柱的残余应力测试结果。①床身的筋板数量较多，底板和导轨处的焊缝较多，其最大残余应力为274.4 MPa;由表1可知，床身应力和变形最大的位置在四根导轨的内侧和外部导轨的外端部;由测试结果可见:四根导轨处的残余应力整体较大、在115.6～274 MPa之间。②滑鞍的结构尺寸较长，内部筋板数量大，焊缝较长，其最大残余应力为300.6 MPa，所测位置除3，5点外，残余应力均在210MPa以上。③立柱的内部结构相对床身和滑鞍较为简单，筋板和焊缝数量均相对较少，其最大残余应力为154.9 MPa，明显低于床身和滑鞍。
表1 焊接床身残余应力测试结果
测试点 测量应变 残余应力σ Δε ε1 ε2 ε夹角 θ/(°)3/MPa σ1 σ2 σx，z σy 1－5 －64 －3 46.1 －34.8 6.3 4.9 －44.5 2 0 37 44 －13.0 －48.9 －16.1 －45.8 17.1 3 15 －82 －265 274.4 77.1 81.4 270.1 81.5 4 47 －183 －262 267.0 35.3 47.0 255.2 103.0 5 135 42 －282 263.9 －57.2 －37.1 243.8 75.5 6 87 －135 －99 115.6 －98.7 －54.2 71.1 117.1 7 156 103 －152 121.3 －126.9 －106.6 100.9 73.4 8 96 －69 －189 162.6 －31.8 －30.6 161.4 94.5 9 147 －40 －167 121.7 －93.6 －91.7 119.8 95.4
表2 焊接滑鞍残余应力测试结果
测量应变 残余应力σ测试点Δε ε1 ε2 ε夹角 θ/(°)3/MPa σ1 σ2 σx，z σy 1 74 －72 －299 286.7 29.6 32.5 283.8 83.9 2 107 175 －195 241.1 －117.4 －39.9 163.6 62.3 3 212 120 －144 85.4 －181.0 －167.7 72.1 77.1 4 109 －162 －323 300.6 0.3 4.9 296.0 97.1 5 230 63 －150 72.7 －185.2 －184.2 71.8 86.5 6 139 －147 －235 210.0 －75.1 －58.5 193.5 103.9
表3 焊接立柱残余应力测试结果
测试点 测量应变 残余应力σ Δε ε1 ε2 ε夹角 θ/(°)3/MPa σ1 σ2 σx，z σy 1 139 －103 －186 154.9 －88.8 －76.4 142.5 103.0 2 221 48 －159 84.9 －172.1 －171.6 84.4 87.4 3 58 1 －153 145.0 －11.4 －4.3 137.9 77.7 4 88 －47 －105 81.9 －58.0 －53.1 77.0 100.9 5 219 －10 －150 79.4 －176.4 －172.8 75.8 96.8 6 110 14 －138 105.3 －66.0 －63.9 103.2 83.6
3.2 国外某滑鞍残余应力测试结果及分析
表4是国外某滑鞍残余应力测试结果，由表4和图9可见:该滑鞍的最大残余应力为129.8 MPa，位置在底板上;两根导轨处的残余应力为7.5～99.8 MPa，整体处于较低的水平。
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对SMA—13沥青混合料而言，由人工进行纤维材料的投放，先干拌12～17s，再添加SBS改性沥青，继续湿拌40～45s，将总拌和时间控制在55～60s范围内。对于拌和时间，应以实际情况为依据进行调整。因纤维的质量较轻，很难通过拌和达到均匀，所以在必要时应延长一定拌和时间。考虑到生产这种沥青混合料时，机械效率相对较低，所以为保证摊铺施工的连续性，需将摊铺速度限制在1.5～2.5m/min范围内，具体的碾压工艺如表1所示。
表4 国外机床焊接件滑鞍的残余应力测试结果
测量应变 残余应力σ测试点Δε ε1 ε2 ε夹角 θ/(°)3/MPa σ1 σ2 σx，z σy 96 67 －93 75.4 －79.6 －65.8 61.6 72.6 2 165 10 －88 33.2 －141.5 －139.4 31.1 96.3 3 133 23 －53 7.5 －119.9 －118.9 6.4 95.2 4 176 156 －58 19.4 －185.3 －161.8 －4.1 70.2 5 45 30 －99 99.8 －23.9 －10.5 86.5 70.8 6 109 2 －92 55.9 －79.8 －79.7 55.8 91.9 7 23 60 63 －42.8 －78.1 －47.0 －73.9 20.2 8－36 －89 －110 129.8 75.5 77.7 127.6 101.7 9 66 －53 －128 110.6 －23.4 －21.8 108.9 96.4 10 45 －89 －113 112.7 －17.1 －5.4 101.0 107.4 11 62 －25 －86 67.5 －33.7 －33.0 66.7 95.0 1 12 －18 15 32 7.8 －27.5 7.0 －26.7 8.9
综上所述，焊接机床件的初始残余应力较高，达到240～300 MPa;根据静力学分析，优化结构设计、减少筋板和焊缝数量、缩短焊缝长度均有利于减少焊接机床件的初始残余应力。此外，实施热时效、振动时效等时效处理以消除残余应力是提高焊接机床产品质量和精度必不可少的技术措施。
4 结论
(1)所测焊接床身的筋板和焊缝较多，滑鞍的结构尺寸较长，属于矮长件，焊缝较长;立柱的焊缝和筋板相对较少，结构尺寸差异较小;测得焊接床身、滑鞍和立柱的最大残余应力分别为274.4 MPa，300.6 MPa和154.9 MPa;焊接机床件的初始残余应力较高(240～300 MPa)，容易引起变形。
地面铺草具有三大好处：保湿、降温、防草。本地在山药生长时期经常遭受长期连续的高温干旱，严重影响山药的正常生长，地面全层铺草技术已成为本地夺取山药高产的一条必不可少的重要措施。方法是在山药出苗后搭一个矮架或插桩，然后在垄背上铺一层柴草，柴草就地取材，麦秸、芦苇、油菜壳等均可。铺草后在多雨季节易发生蜗牛，要注意及时防治。
(2)所测国外某滑鞍的最大残余应力是129.8 MPa，该滑鞍结构设计优良，焊缝较少;优化结构设计和焊接工艺，减少筋板和焊缝数量，缩短焊缝长度等，是降低焊接机床件初始应力、获得高精度机床产品的基础。
参考文献
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