摘要：加工中心是制造技术与装备技术现代化的基础装备之一，其性能、质量、精度是衡量一个国家制造业发展的重要标志。而立柱是加工中心最重要的部件之一，其结构特性对加工中心的性能影响很大。主要表现在精度，抗震性，切削效率，使用寿命等方面。本文对VMC850B机床立柱加工工艺
VMC850B机床立柱的加工工艺分析中的若干问题探讨
魏宏波
（1.宝鸡文理学院 机械工程学院, 陕西 宝鸡, 721016）
摘要： 加工中心是制造技术与装备技术现代化的基础装备之一，其性能、质量、精度是衡量一个国家制造业发展的重要标志。而立柱是加工中心最重要的部件之一，其结构特性对加工中心的性能影响很大。主要表现在精度，抗震性，切削效率，使用寿命等方面。本文对VMC850B机床立柱加工工艺分析中若干关键问题进行探讨，并以此为例说明现代设计及分析方法在产品分析中的作用，为其它产品设计提供思路。
关键词：机床；立柱；加工工艺；探讨
Discussion on Some Problems in Process Analysis of VMC850B Machine Tool Column
WEI Hong-bo
(Dept. Electromechanical eng., Baoji Univ. Arts& Sci., Baoji 721016, Shaanxi，China)
Abstract:Machining center is one of the basic equipments for the modernization of manufacturing technology and equipment technology. Its performance, quality and accuracy are the important symbols to measure the development of a country's manufacturing industry. The column is one of the most important parts of the machining center, and its structural characteristics have a great impact on the performance of the machining center which mainly manifested in the accuracy, anti-seismic, cutting efficiency, service life and so on. In this paper, some key problems in processing technology analysis of VMC850B machine tool column are discussed, and the role of modern design and analysis methods in product analysis is illustrated as an example to provide ideas for other product design.
Key words: machining tool; column; The processing technology; discussion.
1.引言
加工中心（Machining Center,简称MC）是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，已成为现代机床发展的主流方向。它能够适应一次装夹后的多工序自动加工，可以完成各种复杂的平面、曲面及孔的加工，被广泛应用于各个领域的零件的制造与加工。立柱作为加工中心中的重要支承件，起着重要的承载作用，其特性对机床性能与所加工零件的精度有重要的影响，本文主要对立柱的加工工艺分析中一些问题进行探讨，进一步说明工艺设计随着制造技术和相关技术的发展而发生的变化。
2. 加工中心概述
加工中心是一种自带刀库并能自动更换刀具从而实现对零件进行多工序加工的数控机床。它能完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工。加工中心有各种类型，虽然外形结构各异，但总体上是由以下几大部分组成。
（1）基础部件：由床身、立柱和工作台等大件组成。
（2）主轴部件:由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。
（3）数控系统：由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置及电机等部分组成。
（4）自动换刀装置（ATC）:由刀库、机械手、驱动机构等部件组成。
（5）自动托盘交换系统。
（6）辅助装置：包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动、检测系统等部分。
立柱上承载着Z轴方向的驱动系统以及主轴箱、刀库的重量，上述重量及刀削力将作用至立柱，所以对立柱需要有较大的抵抗变形的能力，即要求有良好的抗弯刚度、抗扭刚度。另外，当加工中心加工零件时一般会产生振动，立柱的承受振动的能力，对加工精度和稳定性有直接的影响[1]，因此，需要对立柱的静动态性能进行分析，为机床设计提供借鉴。
3. 加工中心立柱加工工艺设计中关键点
3.1加工工艺设计的全面性
为了能具体确切的说明过程，使工件能按照零件图的技术要求加工出来，就需要制定机械加工工艺规程来作为生产的指导性技术文件，而正确制定工艺文件需要注意以下几点：（1）仔细了解立柱零件结构，认真分析其零件图，了解零件的公差要求；（2）在制订工艺规程、确定加工余量、工艺尺寸计算、定位误差分析等工艺方案设计的各个阶段，必须与工厂实际的机床及生产条件相适应。（3）在设计过程中，还必须考虑工件的安装和夹紧。安装的正确与否直接影响工件加工精度,安装是否方便和迅速，又会影响辅助时间的长短,从而影响生产率。当通用夹具不能满足要求时还需要设计专用夹具，因此，夹具是整个设计的重点也是一个难点。（4）同一个零件，可采用几种不同的工艺方案进行加工。虽然这些方案都可以加工出来合格的零件，但从生产效率和经济效益来看，需要选择比较合理且切实可行方案。因此，必须根据零件的具体要求和可能的加工条件等，拟订较为合理的工艺过程。
3.2加工中心立柱的结构及工艺设计特点
VMC850B加工中心立柱从整体形状来看类似长方体。根据要求主要是加工导轨、钻孔和铣各个平面。具体特点和技术要求如下：
机床立柱加工要求主要体现在其导轨面的精度及硬度，检验标准与机床床身导轨面相当，一般不超过3道，导轨硬度根据材质不同，淬火完成后分别HT300----HRC46—50 ，HT300----HRC48—52 ，淬火深度2.5-3mm。在工艺设计中要注意以下几个关键点的设计。
（1）毛坯材料、结构及热处理方面的权衡
根据工作条件及承载状况并结合材料特性及经济性来选择毛坯。由于在该加工中心承受中等载荷，综合考虑选择灰铸铁（HT300）。在热处理方面，灰铸铁（HT300）中的碳全部或大部分以片状石墨方式存在铸铁中，由于片状石墨对基体的割裂作用大，引起应力集中也大；因此，需要通过必要的热处理来改善其性能。可以通过石墨化退火来达到细化石墨片和改善分布的目的，从而提高铸铁的性能，以便于切削加工。在毛坯的结构形状方面，要考虑毛坯在制造过程中的铸 造要求及加工时的夹具、刀具等因素。虽然毛坯的形状尺寸与零件接近，可以减少加工余量，提高材料的利用率，降低加工成本，但这样可能导致毛坯制造困难，需要采用昂贵的毛坯制造设备，增加毛坯的制造成本[2]。因此，毛坯的种类形状及尺寸的确定一定要考虑零件成本的问题但要保证零件的使用性能。在毛坯的种类、形状及尺寸确定后，必要时可据此绘出毛坯图，如图1所示。
图1 立柱毛坯图
（2）工艺设计的灵活性与复杂性
在工艺设计过程中需要选择加工方法、划分加工阶段、进行工序组合、选择基面、制定工艺路线及选择或设计相关夹具等[3-5]。按照传统的方法加工方法要考虑经济性、精度、生产类型以及企业设备条件与工人水平。加工阶段一般按照粗加工、半精加工、精加工及光整并穿插热处理来进行。工艺的组合根据生产类型及结构特点有工序分散、工序集中两种原则。基面的选择包括粗基准和精基准的选择，这些基准的选择原则已经以经验的方式给定，需要根据具体零件结构及精度要求等选择。工艺路线是指零件从毛坯到成品的整个加工过程，这个过程非常灵活，不同的人有不同的方案，需要综合评价。现在随着科技的不断进步，新的制造方法在不断地冲击传统工艺，特别是增材制造的不断普及以及精度的不断提高，使得工艺设计更加灵活复杂，甚至有可能颠覆原来的一些评介标准，所以工艺设计也是一个与时俱进的过程，需要不断学习。
（3）充分利用基于CAD/CAM/CAE的设计方法
随着计算机技术的不断发展与完善，使计算机在产品的设计与结构分析等方面发挥了重要作用。特别是UG、PRO/E、CAXA、Solidworks等众多三维绘图软件的出现与普及，避免了人们之前设计过程中的手绘工作量以及不够形象的缺点，达到所见即所得的效果。而且这些软件除了有建模模块外，还有加工模块，使得利用这些软件可以直接生成数控加工程序，并且能够看到仿真加工轨迹，大大降低了编程的工作量。如图2所示为用Solidworks软件完成的立柱的导轨面加工及钻孔夹具。
图2立柱夹具图
从上图能够很形象地看到零件的装夹定位方式以及定位元件的结构，形状，尺寸及布置方式等，而且利用软件的仿真功能能够判断零部件的干涉情况，使设计过程形象化。利用CAE可以使设计过程更加深入，它可以对产品的物理、力学性能进行分析、模拟和预测、评价及优化，把生产的各个环节有机地组织起来。目前CAE软件较多，CAE软件的主体有限元分析软件，其基本思想是将结构离散化，用有限个单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接。通过施加载荷及约束条件，可以了解产品的静动态特性，为产品优化设计提供依据。如图3、图4所示可以通过结果看到立柱的最大应力、最大变形值及其部位。同样，在夹具设计过程中也可以通过CAE进行分析，可以很清楚地看到不同的夹紧部位和夹紧力对零件的影响，而不仅仅是通过经验公式去算。
图3 第一主应力云图
图4 位移变形图
4. 结束语
加工工艺是一个产品及一个企业生产的关键，传统的工艺设计方法及设计经验为产品的加工制造做出了很大的贡献。目前，随着现代制造技术及计算机技术的飞速发展，许多现代设计方法在产品的设计过程中起到了非常重要的作用，如何很好地将现代设计方法运用产品的设计中是我们需要思考的问题。本文以VMC850B机床立柱的加工工艺设计为例，探讨了设计中的关键点及现代设计与分析方法的运用，以期为其它产品的设计制造提供思路。
参考文献
[1] 罗富方. HT-3龙门立式加工中心底座和立柱的特性分析及优化设计[D],兰州理工大学，2016
[2]崇凯.机械制造技术基础课程设计指南[M].北京：化学工业出版社，2006.12。
[3] 周宏普.机械制造技术基础[M].北京：高等教育出版社，2004.3。
[4] 陈勇. 机械制造技术[M].北京：冶金工业出版社，2008。
[5] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].第8版.北京：高等教育出版社，2006.5。
基金项目：陕西省教育厅项目编号16JK1051
来源：交通科技