装夹对立式加工中心光机加工一致性的影响

0   前言
　　作为制造业的加工母机，机床的加工精度对产品质量的保证至关重要。目前，我国机床行业快速发展，中低档数控机床几乎已全部占领国内市场且实现批量出口，并为发电设备、兵器、航空、汽车等行业开发了一批中高档数控机床。然而，与国外先进水平相比，我国机床行业仍落后 5 到 10 年［1］。国产机床的一致性差是国内机床和国外高档机床的重要差距之一。
　　众所周知，关键零部件加工一致性是影响最终整机性能一致性的关键因素，工件精度一致性较差的因素很多。据统计，20% ～ 60% 的加工误差是由工件的装夹引起的［2－3］。对于立式加工中心零部件而言，由于自重很大，生产部门往往忽略了工装的作用，或者采用简易工装。缺乏对工装深入的理论分析，实际加工时往往凭工人的感性经验进行装夹，没有理论的指导，这是导致零件加工精度一致性较差，造成同一批机床制造一致性差的重要原因之一。
　　针对以上问题，本文作者以某机床厂立式加工中心 VMC850B 的床身为研究对象，依据加工工艺相关数据，采用有限元数值仿真方法，研究加工过程中装夹工艺参数对其加工一致性的影响规律，并对机床大件加工的装夹工艺参数选择提供理论支持和指导。
1   有限元模型的建立及数值仿真方法
1. 1   床身－夹具系统有限元模型
　　图 1 是某机床厂精铣立式加工中心 VMC850B 床身导轨接触面时的装夹状态。可以看出: 由于床身结构尺寸大、自重大，因此工装的装夹方式不同于传统的 3－2－ 1 定位方式，粗铣时，其装夹方式为底面采用三点支撑加一点辅助支撑的方式，即用 3 个垫块支撑床身，调整另一个垫块的高低 ( 凭借操作人员经验在较低处垫纸片的方法调节支撑高度) ，使 4 个垫块和床身底面接触并紧靠，保证在加工过程中不会发生晃动现象; 精铣时，采用三点支撑的方式。然后在床身下方 4 个地角螺栓孔附近用压板加紧，以保证在切削过程中，床身不会发生滑移。工艺要求，导轨加工面的加工精度用直线度为 10 μm。
　　为了利用数值分析方法研究装夹参数对加工一致性的影响，本文作者建立了床身－工装体系的有限元模型。首先采用 SolidWorks 建立床身的三维模型，在不影响有限元计算精度的条件下，为了提高运算效率，对零部件倒角、孔等细节进行简化; 然后导入到
ANSYS 中进行仿真计算，支撑和夹紧方式等工装条件通过 ANSYS 中的约束和加载进行模拟实现。床身模型如图之间的接触设置对分析结果影响很大，为了尽可能准确地模拟两者之间的接触。在 ANSYS 仿真建模中，采用摩擦接触的方式，二者之间的摩擦因数根据
《常用材料摩擦系数表》查得，其中，床身材料为HT300，垫块材料为结构钢，在夹紧力和工件自重的作用下，保证切削的过程中工件不发生滑移。
　　被加工床身工件的夹紧方式为压板和压紧螺栓配合压紧，数值仿真中认为，床身受到的夹紧力为均匀分布在压紧面上的压力。
　　数值仿真过程中，忽略刀具旋转运动的影响，假定刀具刀齿沿着加工表面直线移动，直至铣削出所加工面。即: 只考虑刀尖产生的点载荷对工件表面的作用，并且铣削深度不变，因此切削力大小恒定，在
ANSYS 数值仿真中，采用移动载荷模拟整个切削过程，将铣削时铣刀与工件连续接触的过程进行离散，沿加工长度方向离散 25 个加载点。
　　车间生产中实测导轨直线度的方法是: 在加工后的表面上用水平仪测出 6 个位置点的相对高度值，然后采用最小二乘法求得加工面的直线度。因此，在
ANSYS 仿真分析中，为了准确模拟实际测量方法，在加工面上等间距获取六点的变形值，采用同样的方法求得数值模拟中的加工直线度。
　　由于某机床厂床身导轨生产过程中，工装主要依据工人操作，工件装夹状态可认为是随机分布的。在加工精度一致性数值模拟中，为了模拟实际加工中装夹状态的不一致性，计算机随机生成 80 组不同的装夹状态，然后利用上述方法计算每组状态下的直线度，再对结果做过程能力评价。

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4 结论
　　分析了某机床厂立式加工中心床身在生产过程中，工装夹具对加工精度和生产一致性的影响。利用有限元数值仿真方法，首先对影响加工精度的各个工装因素进行了探究，得出了支撑位置是影响加工精度的最主要因素，不同的支撑位置下，直线度的差可达 5 μm。可见影响显著。然后从支撑位置入手，进一步采用数值模拟方法分析了支撑位置对机床床身导轨精度一致性的影响，基于分析结果提出了改善支撑位置来提升加工过程能力的相应对策。

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