一种立式数控机床的立柱及其制造方法与流程

发明涉及数控机床领域，特别涉及一种基于铸焊复合工艺的高精度立式数控机床的管板结构立柱及其制造方法。

背景技术

数控机床是高端装备制造业的“工作母机”和基础装备，在航空航天、汽车、战略新兴产业及国防军工领域具有广泛的应用。数控机床的技术水平和保有量，已经成为一个国家制造业水平、工业现代化程度和国家综合竞争力的重要指标。我国的中高端数控机床产业的自给率严重偏低，机床业在设计研发、材料工艺、零部件等诸多方面与世界先进国家仍存在较大差距，存在精度保持性差、可靠性低、功能不完善、核心零部件与高档数控系统依赖进口等问题。与此同时，床身、立柱等结构件(以下简称床身)作为机床的关键零部件，其结构设计与制造方法比较单一，材料冶金、力学性能、应力变形、减震性能、尺寸精度等因素对机床加工精度及其精度保持性的影响规律研究较少，已经成为制约我国高档数控机床发展的瓶颈。从世界范围看，材料成形机床及大型金切机床均已普遍采用焊接结构床身，美、日、德等工业发达国家机床焊接件占装备总重量的比重已经达到了70％-80％，对于高档数控机床(立式加工中心、龙门铣床)，其加工精度和精度保持性要求较高，为加快研制周期、减低制造成本和适应个性化订制的市场需求，国外也开始采用焊接结构床身，并获得成功应用。国内对机床床身焊接结构的研发与应用的发展较为滞后，因此，急需开展面向金切机床的焊接结构床身数值仿真分析和先进焊接技术与装备等研究，以提高焊接结构床身精度，实现在数控立式加工中心、龙门铣床等典型机床的成功推广和成熟应用，满足市场需求。

目前数控机床立柱主要采用铸铁件，铸造工艺较为复杂、开发制造周期长、成本偏高，很难满足数控机床对交货期的需求；采用产能利用率高、环境污染率相对较小焊接工艺进行床身设计制造成为发展趋势。

技术实现要素：

本发明提供了一种立式机床的立柱，所述立柱由前壁、第一侧壁、后壁和第二侧壁共同包围构成，所述前壁上设有导轨座，所述导轨座的外表面上设有相互平行的两条导轨，所述导轨座与所述前壁一体铸造加工成型。

进一步的，本发明提供的立式机床的立柱还包括三角加强筋，所述三角加强筋设置于所述导轨座与所述导轨之间。

进一步的，本发明提供的立式机床的立柱还包括上盖板、下盖板和侧壁肋板，所述上盖板和下盖板分别设置于所述立柱的顶端和底端，所述侧壁肋板设置于所述下盖板与所述第一侧壁之间和所述下盖板与所述第二侧壁之间。

进一步的，本发明提供的立式机床的立柱还包括支撑管，所述支撑管的一端与所述导轨座的内表面焊接连接，另一端与所述后壁的内表面焊接连接。

进一步的，所述支撑管具有中空结构，形状为圆柱体。

进一步的，所述支撑管分为相互平行的两列，位于第一列的支撑管沿第一导轨延伸的方向设置，位于第二列的支撑管沿第二导轨延伸的方向设置，位于第一列的支撑管和位于第二列的支撑管数量相等，位置相互对应。

进一步的，本发明提供的立式机床的立柱还包括设置于所述立柱的内腔中的纵向隔板，所述纵向隔板的外周缘分别与所述前壁、第一侧壁、后壁和第二侧壁焊接连接。

进一步的，所述纵向隔板具有矩形框架结构，所述纵向隔板相互垂直的相邻两边之间设有三角形的加强结构。

本发明还提供了一种立式数控机床的立柱的制造方法，包括以下步骤：

s1将支撑管焊接到与前壁一体铸造加工成型的导轨座的内表面的预留孔之中，所述支撑管与所述导轨座保持垂直；

s2将第一侧壁和第二侧壁焊接到所述前壁的两端，所述第一侧壁和第二侧壁相互平行，并分别与所述前壁保持垂直；

s3将纵向隔板分别与所述前壁、第一侧壁和第二侧壁通过焊接连接，当所述纵向隔板的数量超过一个，所述纵向隔板的焊接顺序为，以所述前壁的中部为起点，分别向所述前壁的上下两端依次进行所述纵向隔板是焊接；

s4将后壁与所述支撑管、纵向隔板、第一侧壁和第二侧壁进行焊接。

进一步的，本发明提供的一种立式数控机床的立柱的制造方法，还包括以下步骤：

s5将上盖板和下盖板分别焊接于所述立柱的上下两端；

s6将侧壁肋板焊接于所述第一侧壁与所述下盖板之间，和/或焊接于所述第二侧壁与所述下盖板之间。

具体来说，本发明具有以下优点：

本发明克服了目前立式机床立柱结构，及其铸造制造工艺中的缺陷，充分发挥了铸造和焊接工艺各自的优势，采用以焊为主，铸焊结合的制造工艺，通过导轨座与前壁的一体铸造加工，提高了其局部刚度，并通过铸焊结合保证了导轨的精度。

机床立柱的焊接部分采用管板结合的结构设计，通过支撑管和纵向隔板的设置，提高了部件的整体刚强度，立柱内部焊有的纵向隔板尤其可抑制立柱工况下的扭转变形。尤其，支撑管分两列，沿竖直方向均布在两侧导轨的对应位置上，从而支撑导轨，提高了导轨及前壁的抗弯能力，沿立柱竖直方向分布的纵向隔板提高了立柱的抗扭刚度，减小了局部变形和薄壁振动。

基于铸造工艺使得本发明的导轨座的厚度不受限制，其壁厚可增加至50mm，并通过在两条导轨相对的内侧设置三角形加强筋，增强了导轨局部刚度，进一步抵抗扭转变形。这是由于三角加强筋使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，从而使提高整个支承件承受载荷的能力。

通过将支撑管设置为圆柱形，使得支撑管与前壁或后壁之间的焊缝为环形的对称焊缝，且无应力集中的尖锐角。采用圆形截面的型材作为支撑管，同时基于同样断面形状和相同大小的面积。相比与外形尺寸小而壁厚的截面支撑管，外形尺寸大而壁薄的截面支撑管的抗弯刚度和抗扭刚度均有显著提高。

纵向隔板的设置将立柱沿纵向分成若干部分，增强了隔板之间的联系。基于焊接结构对于加强筋结构形式没有限制，可在纵向隔板4个内角处切割出三角形加强结构，增加矩形框架隔板对抗扭刚度的作用。

总的来说，立柱变形过大会直接影响到零件的加工精度,在外形及材料确定的情况下,改变立柱内部的结构形式对于提高刚度减小变形有显著影响。本发明结合焊接工艺性及焊接变形的控制，充分考虑了床身各部件的受力状态及功能特点，改进设计铸焊结合以焊为主的立柱结构，导轨座与前壁一体铸造加工避免焊接应力和变形对导轨刚度的影响，同时保证导轨支撑部的材料和性能的均匀性，立柱整体通过焊缝以小拼大把结构材料加工成特定功能的构件形体，相对铸造结构而言，具备造型设计高度灵活性、经济性和绿色性的特点。机床焊接件所用的轻型型材强度高，重量轻，材料利用率可高达90%以上。焊接结构采用各种经济断面结构合理布置加强肋，在提高结构静刚度同时，减轻结构重量，提高床身固有频率。基于铸焊复合工艺的立式加工机床管板结构，充分发挥铸件和焊接各自优势，实现合理的静动态刚度，抗振性和尺寸稳定性设计，达到提高结构性能，减轻结构重量和降低产品成本的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明实施例的立式机床第一角度的立体示意图；

图2：本发明实施例的立式机床第二角度的立体示意图；

图3：本发明实施例的立柱第一角度的立体示意图；

图4：本发明实施例的立柱第二角度的立体示意图；

图5：本发明实施例的立柱第三角度的立体示意图；

图6：本发明实施例的立柱第四角度的立体示意图；

图7：本发明实施例的立柱的俯视示意图；

图8：本发明实施例的立柱的立体剖视示意图；

图9：本发明实施例的纵向隔板的示意图；

图10：本发明实施例的支撑管的侧视图；

图11：本发明实施例的支撑管的横截面示意图。

为进一步清楚地说明本发明的结构和各部件之间的连接关系，给出了以下附图标记，并加以说明：

1-立柱，2-床身，3-滑座，4-工作台，5-动力刀头，100-内腔，101-前壁，102-第一侧壁，103-后壁，104-第二侧壁，105-导轨座，106-导轨，106a-第一导轨，106b-第二导轨，107-三角加强筋，108-支撑管，108a-第一列的支撑管，108b-第二列的支撑管，109-纵向隔板，110-加强结构，111-侧壁肋板，112-上盖板，113-下盖板。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段，达到目的与功效易于理解，下面结合具体图示对本发明的实施例进行详细说明。

需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“低”、“横向”、“纵向”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

机床立柱受到由导轨传柱体内的轴向力、切向力、力矩和扭矩载荷的综合作用。在各种变形中以扭转变形最为突出,对机床的加工精度影响最大。空心零件扭转时会出现壁的翘曲，引起截面的畸变。因此，为解决上述问题，如附图1-2所示，本发明实施例提供了一种新型的立式机床的立柱。所述立式机床包括立柱1、床身2、滑座3、工作台4和动力刀头5。所述立柱1垂直固定在所述床身2的后端部，所述动力刀头5与所述立柱1连接，并能在z向上沿着所述立柱1的导轨106进行上下移动。所述床身2上设有滑座3，所述滑座3上设有工作台4。

如附图3-6所示，本发明实施例提供的所述立柱1包括前壁101、第一侧壁102、后壁103和第二侧壁104。所述前壁101、第一侧壁102、后壁103和第二侧壁104共同包围构成形状为长方体的内腔100。对于所述前壁101、第一侧壁102、后壁103和第二侧壁104的厚度选择，本领域技术人员可根据机床的使用要求，使得所述立柱1的大尺寸即长、宽、高与铸造结构的立柱尺寸相同，并根据等截面法和各个壁的承载情况对壁厚进行设计，立柱1的前壁101和第一侧壁102和第二侧壁104是主要荷载区，其厚度较大，后壁103为非荷载区，厚度相比于前壁101和第一侧壁102和第二侧壁104相对较小。

在本发明实施例的部分实施方式中，所述立柱1还包括上盖板112和下盖板113，所述上盖板112和下盖板113分别设置于所述立柱的顶端和底端。

在本发明实施例的部分实施方式中，所述立柱1还包括侧壁肋板111，所述侧壁肋板111设置于所述下盖板113与所述第一侧壁102之间和所述下盖板113与所述第二侧壁104之间。优选的，所述侧壁肋板111的数量为多个，位于所述立柱两侧的所述侧壁肋板111的数量相等，位置相互对应。本发明实施例通过合理布置起到加强作用的侧壁肋板111，在提高结构静刚度同时，减轻结构重量，提高床身固有频率。

本发明实施例提供的所述立柱1的所述前壁101上设有导轨座105，所述导轨座105的外表面上设有相互平行的两条导轨106。导轨106的刚度是立柱1刚度的核心，只有保证了导轨106的刚度才能有效的保证主轴的切削精度。每侧导轨106的尺寸为：1460×100×170mm³，由于其长度较大，结构较复杂，机械加工较为困难，且需去除较多的材料，造成极大的浪费，所以不太适合使用机械加工生产。所述导轨座105与所述前壁101一体铸造加工成型。所述机床的立柱1的导轨座105和两条导轨106采用整体铸钢铸造，从而提高了其局部刚度，并保证了导轨精度。优选的，所述导轨座105以铸钢为材料，采用铸造生产避免焊接应力和变形对导轨刚度的影响，同时保证导轨座105的材料和性能的均匀性。所述立柱1的其他部分使用焊接连接，保证立柱1具有较高的刚度，同时避免焊接过程与焊缝对导轨106的影响，使得机床的精度得到保证。具体的采用焊接工艺连接导轨座105的壁与前壁102的难度较大，连接厚度接近80mm，因而难以完全焊透，焊缝质量无法保证，且热输入较大会引起不易修复的大变形量。故本发明将导轨座与立柱前壁一体铸造加工，保证导轨材料的均匀性，且无连接面，导轨部分本身具有较高的刚性。

本发明实施例提供的所述立柱还包括三角加强筋107，所述三角加强筋107设置于所述导轨座105与所述导轨106之间。优选的，三角加强筋107的尺寸为80×100×45°。优选的，所述三角加强筋107的数量为多个，所述三角加强筋107设置于两条相互平行的第一导轨106a和第二导轨106b相对的一侧。将所述第一导轨106a和导轨座105相互连接的三角加强筋107的数量与将所述第二导轨106b和导轨座105相互连接的三角加强筋107的数量相等，并且二者在位置上相互一一对应。由于通过铸造工艺制造的前壁101和导轨座105的厚度以及三角加强筋107的数量不受到限制，因而，在本发明实施例的部分实施方式中，可将导轨座的壁厚增加至50mm。

如附图7-8和图10-11所示，在本发明实施例的部分实施方式中，所述立柱1还包括支撑管108，所述支撑管108的一端与所述导轨座105的内表面焊接连接，另一端与所述后壁103的内表面焊接连接。所述支撑管108具有中空结构，其形状为优选为圆柱体。优选的，所述支撑管108的数量为多个，所述支撑管108分为相互平行的两列，位于第一列的支撑管108a沿第一导轨106a延伸的方向设置，位于第二列的支撑管108b沿第二导轨106b延伸的方向设置，位于第一列的支撑管108a和位于第二列的支撑管108b数量相等，位置相互对应。

在本发明实施例的部分实施方式中，所述支撑管108的数量为6个，其中包括位于所述第一导轨106a背侧的数量为3个的第一列的支撑管108a和位于所述第二导轨106b背侧的数量为3个的第二列的支撑管108b。所述支撑管108为φ122×560mm，壁厚10mm的钢管。所述支撑管108能够提高立柱在z向的抗弯强度同时对导轨进行支撑，提高导轨106及前壁101的抗弯能力。具体的，立柱1及其导轨106的部分类似于悬臂梁结构，变形自下而上增加。设置支撑圆管108，使其沿竖直方向均布在两侧导轨106的背侧，类似于增加悬臂梁的支撑点支撑导轨106，提高导,106及前壁102的抗弯能力，多次对比测量结果表明，同等条件下本方案可将导轨106变形量减少至少20%。相比于其它型材钢管，本发明实施例的所述支撑管108形成的焊缝为对称环形焊缝，可以降低焊缝对结构件的影响，且无尖锐点导致应力和应变的集中。采用圆形截面的型材作为支撑管，同时基于同样断面形状和相同大小的面积。相比与外形尺寸小而壁厚的截面支撑管，外形尺寸大而壁薄的截面支撑管的抗弯刚度和抗扭刚度均有显著提高。安装时，将立柱1的前壁101和后壁103按照钢管外径开孔后，将钢管过盈配合装入孔中进行焊接。

如附图7-9所示，在本发明实施例的部分实施方式中，所述立柱1还包括设置于所述立柱的内腔100中的纵向隔板109，所述纵向隔板109的外周缘分别与所述前壁101、第一侧壁102、后壁103和第二侧壁104焊接连接。优选的，所述纵向隔板109具有矩形框架结构，所述纵向隔板109相互垂直的相邻两边之间设有三角形的加强结构110。优选的，所述纵向隔板109的数量为多个，所述纵向隔板109与支撑管108相互间隔地设置在所述内腔100中。

在本发明实施例的部分实施方式中，所述纵向隔板109的数量为4个，所述纵向隔板109的厚度为20mm。4个所述纵向隔板109将立柱1沿z向分成5个部分，增强了各个所述纵向隔板109之间的联系。基于焊接结构对于所述纵向隔板109的加强筋结构形式没有限制，在矩形框架结构的所述纵向隔板109的四个内角处切割出夹角为45°，长度为135mm的三角形作为加强结构110，从而增加环形筋板对抗扭刚度的作用。

在本发明实施例还提供了一种立式数控机床的立柱的制造方法，其包括以下步骤：

s1将支撑管108焊接到与前壁101一体铸造加工成型的导轨座105的内表面的预留孔之中，所述支撑管108与所述导轨座105保持垂直；

s2将第一侧壁102和第二侧壁104焊接到所述前壁101的两端，所述第一侧壁102和第二侧壁104相互平行，并分别与所述前壁101保持垂直；

s3将纵向隔板109分别与所述前壁101、第一侧壁102和第二侧壁104通过焊接连接，当所述纵向隔板109的数量超过一个，所述纵向隔板109的焊接顺序为，以所述前壁101的中部为起点，分别向所述前壁101的上下两端依次进行所述纵向隔板109是焊接；

s4将后壁103与所述支撑管108、纵向隔板109、第一侧壁102和第二侧壁104进行焊接，其中，所述后壁103上设有用于焊接所述支撑管108的预留孔。

s5将上盖板112和下盖板113分别焊接于所述立柱的上下两端；

s6将侧壁肋板111焊接于所述第一侧壁102与所述下盖板113之间，和/或焊接于所述第二侧壁104与所述下盖板113之间。

在本发明实施例的立柱采用以焊为主，铸焊结合的方式，充分结合两种工艺的优点，利用管板结合的增强结构，本发明实施例提供的立柱刚度和精度均满足行业要求，并且成本合理、生产制造过程灵活高效。

显然，上述实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下对这些实施例进行的各种变化、修改、替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。