0 前言
　　作為制造業(yè)的加工母機(jī)，機(jī)床的加工精度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的保證至關(guān)重要。目前，我國(guó)機(jī)床行業(yè)快速發(fā)展，中低檔數(shù)控機(jī)床幾乎已全部占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)且實(shí)現(xiàn)批量出口，并為發(fā)電設(shè)備、兵器、航空、汽車(chē)等行業(yè)開(kāi)發(fā)了一批中高檔數(shù)控機(jī)床。然而，與進(jìn)水平相比，我國(guó)機(jī)床行業(yè)仍落后 5 到 10 年［1］。國(guó)產(chǎn)機(jī)床的一致性差是國(guó)內(nèi)機(jī)床和國(guó)外高檔機(jī)床的重要差距之一。
　　*，關(guān)鍵零部件加工一致性是影響終整機(jī)性能一致性的關(guān)鍵因素，工件精度一致性較差的因素很多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20% ～ 60% 的加工誤差是由工件的裝夾引起的［2－3］。對(duì)于立式加工中心零部件而言，由于自重很大，生產(chǎn)部門(mén)往往忽略了工裝的作用，或者采用簡(jiǎn)易工裝。缺乏對(duì)工裝深入的理論分析，實(shí)際加工時(shí)往往憑工人的感性經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行裝夾，沒(méi)有理論的指導(dǎo)，這是導(dǎo)致零件加工精度一致性較差，造成同一批機(jī)床制造一致性差的重要原因之一。
　　針對(duì)以上問(wèn)題，本文作者以某機(jī)床廠立式加工中心 VMC850B 的床身為研究對(duì)象，依據(jù)加工工藝相關(guān)數(shù)據(jù)，采用有限元數(shù)值仿真方法，研究加工過(guò)程中裝夾工藝參數(shù)對(duì)其加工一致性的影響規(guī)律，并對(duì)機(jī)床大件加工的裝夾工藝參數(shù)選擇提供理論支持和指導(dǎo)。
1 有限元模型的建立及數(shù)值仿真方法
1. 1 床身－夾具系統(tǒng)有限元模型
　　圖 1 是某機(jī)床廠精銑立式加工中心 VMC850B 床身導(dǎo)軌接觸面時(shí)的裝夾狀態(tài)。可以看出: 由于床身結(jié)構(gòu)尺寸大、自重大，因此工裝的裝夾方式不同于傳統(tǒng)的 3－2－ 1 定位方式，粗銑時(shí)，其裝夾方式為底面采用三點(diǎn)支撐加一點(diǎn)輔助支撐的方式，即用 3 個(gè)墊塊支撐床身，調(diào)整另一個(gè)墊塊的高低 ( 憑借操作人員經(jīng)驗(yàn)在較低處墊紙片的方法調(diào)節(jié)支撐高度) ，使 4 個(gè)墊塊和床身底面接觸并緊靠，保證在加工過(guò)程中不會(huì)發(fā)生晃動(dòng)現(xiàn)象; 精銑時(shí)，采用三點(diǎn)支撐的方式。然后在床身下方 4 個(gè)地角螺栓孔附近用壓板加緊，以保證在切削過(guò)程中，床身不會(huì)發(fā)生滑移。工藝要求，導(dǎo)軌加工面的加工精度用直線度為 10 μm。
　　為了利用數(shù)值分析方法研究裝夾參數(shù)對(duì)加工一致性的影響，本文作者建立了床身－工裝體系的有限元模型。首先采用 SolidWorks 建立床身的三維模型，在不影響有限元計(jì)算精度的條件下，為了提高運(yùn)算效率，對(duì)零部件倒角、孔等細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化; 然后導(dǎo)入到
ANSYS 中進(jìn)行仿真計(jì)算， 支撐和夾緊方式等工裝條件通過(guò) ANSYS 中的約束和加載進(jìn)行 模 擬 實(shí) 現(xiàn)。床身模型如圖 之間的接觸設(shè)置對(duì)分析結(jié)果影響很大，為了盡可能準(zhǔn) 確地模擬兩者之間的接觸。在 ANSYS 仿真建模中， 采用摩擦接觸的方式， 二者之間的摩擦因數(shù)根據(jù)
《常用材料摩擦系數(shù)表》查得，其中，床身材料為HT300，墊塊材料為結(jié)構(gòu)鋼，在夾緊力和工件自重的作用下，保證切削的過(guò)程中工件不發(fā)生滑移。
　　被加工床身工件的夾緊方式為壓板和壓緊螺栓配合壓緊，數(shù)值仿真中認(rèn)為，床身受到的夾緊力為均勻分布在壓緊面上的壓力。
　　數(shù)值仿真過(guò)程中，忽略刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，假定刀具刀齒沿著加工表面直線移動(dòng)，直至銑削出所加工面。即: 只考慮刀尖產(chǎn)生的點(diǎn)載荷對(duì)工件表面的作用，并且銑削深度不變，因此切削力大小恒定，在
ANSYS 數(shù)值仿真中，采用移動(dòng)載荷模擬整個(gè)切削過(guò)程，將銑削時(shí)銑刀與工件連續(xù)接觸的過(guò)程進(jìn)行離散， 沿加工長(zhǎng)度方向離散 25 個(gè)加載點(diǎn)。
　　車(chē)間生產(chǎn)中實(shí)測(cè)導(dǎo)軌直線度的方法是: 在加工后的表面上用水平儀測(cè)出 6 個(gè)位置點(diǎn)的相對(duì)高度值，然后采用小二乘法求得加工面的直線度。因此，在
ANSYS 仿真分析中，為了準(zhǔn)確模擬實(shí)際測(cè)量方法， 在加工面上等間距獲取六點(diǎn)的變形值，采用同樣的方 法求得數(shù)值模擬中的加工直線度。
　　由于某機(jī)床廠床身導(dǎo)軌生產(chǎn)過(guò)程中，工裝主要依據(jù)工人操作，工件裝夾狀態(tài)可認(rèn)為是隨機(jī)分布的。在加工精度一致性數(shù)值模擬中，為了模擬實(shí)際加工中裝夾狀態(tài)的不一致性，計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成 80 組不同的裝夾狀態(tài)，然后利用上述方法計(jì)算每組狀態(tài)下的直線度，再對(duì)結(jié)果做過(guò)程能力評(píng)價(jià)。