HDB-63高速臥式加工中心立柱動(dòng)靜態(tài)特性有限元分析*

沈媛媛，李全普，段周波

(大連華根機(jī)械有限公司，遼寧 大連 116620)

0 引言

高速加工中心是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中最具代表性和技術(shù)附加值的產(chǎn)品，作為關(guān)乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵制造設(shè)備，其性能、品質(zhì)和數(shù)量已成為衡量國(guó)家工業(yè)化水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志［1］。為了使加工中心在保證剛性的前提下具有良好的的靜動(dòng)態(tài)特性，在設(shè)計(jì)中采用了國(guó)際流行的Box in Box結(jié)構(gòu)型式(即箱中箱結(jié)構(gòu))。由于箱中箱結(jié)構(gòu)剛性較好，所以作為其支撐部件的立柱便成為加工中心最薄弱的環(huán)節(jié)，因此有必要對(duì)立柱的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行有限元。

本文以國(guó)家數(shù)控專(zhuān)項(xiàng)高速臥式加工中心HDBS-63立柱作為研究對(duì)象，建立了立柱基于組合體的有限元模型，并進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析，找出了立柱的薄弱環(huán)節(jié)，為立柱動(dòng)靜態(tài)特性的提高提出了改進(jìn)意見(jiàn)。

1 基于組合體的立柱有限元模型

由于立柱是高速加工中心的連接部件，如果只單獨(dú)對(duì)立柱進(jìn)行分析則無(wú)法為其施加載荷，因此建立主軸箱、滑架和立柱的組合體模型，如圖1所示。根據(jù)加工中心的設(shè)計(jì)要求，立柱采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣的結(jié)構(gòu)既減輕了立柱整體質(zhì)量，又能夠保證立柱在大負(fù)載情況下不產(chǎn)生較大的變形，而且滿(mǎn)足加工中心的加工精度要求和高速運(yùn)行下的動(dòng)態(tài)特性。立柱的整體結(jié)構(gòu)由精密鑄造加工而成，其材料是灰口鑄鐵HT300。

圖1 HDBS-63箱中箱結(jié)構(gòu)三維實(shí)體圖

2 立柱靜力分析

2.1 分析前處理

對(duì)立柱組合體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除非重要部位的倒角、圓角以及小尺寸的螺紋孔，并導(dǎo)入ANSYS Workbench環(huán)境。采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能劃分網(wǎng)格，對(duì)重要位置的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化［2］。分析銑削和鉆削工況下，立柱的變形和應(yīng)力。對(duì)于銑削工況，選取刀柄SANDVIKR245-250Q60-18H，刀片 R245-18T6M-KM，其他工況參數(shù)如表1所示。計(jì)算出的切削力如表2所示。立柱組合體的重量為1597.25Kg。

表1 銑削工況參數(shù)

表2 切削力

對(duì)于鉆削工況，選取刀柄 SANDVIK R416.9-0600-25-01，刀片WCMX 050304R-WM 3040，其他工況參數(shù)如表3所示，計(jì)算出的鉆削力扭矩為141Nm，軸向力4668N。

表3 鉆削工況參數(shù)

2.2 靜力分析

靜力分析是用來(lái)計(jì)算立柱在固定載荷下的響應(yīng)，即靜載荷引起的應(yīng)力和應(yīng)變等，所以靜力分析為立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供非常重要的參考［3-4］。

立柱通過(guò)螺栓連接固定在床身上，所以床身對(duì)立柱起支撐作用，采用固定約束方式約束立柱底部。為立柱組合體模型添加重力，并在驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置施加驅(qū)動(dòng)力。然后在刀具位置施加銑削力，得到的變形及應(yīng)力如圖2。在刀具位置施加鉆削力，得到的變形及應(yīng)力如圖3所示。

從圖2可知，銑削工況下立柱最大變形為0.054mm，最大應(yīng)力為5.4Mpa。從圖3可知，鉆削工況下立柱最大變形為0.021mm，最大應(yīng)力為3.6Mpa。由于在銑削工況下，立柱的變形和應(yīng)力均大于鉆削工況下的數(shù)值，所以在其后的分析中只分析銑削工況。

由分析結(jié)果能夠看出，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在尖角處，這是因?yàn)槟Ｐ秃?jiǎn)化造成的尖角，導(dǎo)致應(yīng)力集中，此應(yīng)力最大值會(huì)隨著鑄造圓角的產(chǎn)生而大幅減弱。

3 立柱模態(tài)分析

模態(tài)分析的目的是識(shí)別出立柱的模態(tài)參數(shù)，為立柱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)［5-8］?？紤]到立柱在受力情況下，其振動(dòng)頻率在自身應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生較大變化，因此采用預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。且考慮到由于銑削狀態(tài)下主軸的轉(zhuǎn)速變化范圍較大，分析立柱的前四階模態(tài)。立柱模態(tài)分析中邊界條件設(shè)置同靜力分析相同，但模態(tài)分析不涉及到力和力矩問(wèn)題，只在立柱底部施加固定約束，前四階固有頻率如表4所示，振型如圖4所示。

表3 立柱前四階固有頻率

圖4 立柱前四階振型圖

從圖4可以看出，立柱的一階模態(tài)為上部沿X方向振動(dòng)，二階模態(tài)為立柱上部沿Z方向振動(dòng)，三階模態(tài)為立柱上部繞Y方向扭動(dòng)，四階模態(tài)為立柱上部繞Z方向扭動(dòng)。因此立柱兩側(cè)支撐位其薄弱環(huán)節(jié)，提高該部位的剛度可以大大提高立柱的動(dòng)態(tài)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

由靜力分析可知立柱的變形主要集中在上橫梁的中部，應(yīng)適當(dāng)增加貫穿橫梁筋的數(shù)量或在機(jī)床結(jié)構(gòu)允許的條件下盡量增加上橫梁的高度。由一階振型分析可知立柱剛度最薄弱的位置為兩側(cè)的支撐，應(yīng)適當(dāng)增加貫穿上下立筋的數(shù)量或改變支撐截面的形狀。

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