CXH660車銑復(fù)合加工中心立柱方案的有限元法優(yōu)化設(shè)計*

徐連江 曾晨輝 鐘 翔 胡 睿

(①云南省機械研究設(shè)計院，云南省機電一體化應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，云南昆明 650031;②昆明臺工精密機械有限公司，云南昆明 650600)

CXH660車銑及立臥轉(zhuǎn)換復(fù)合機床是針對國內(nèi)汽車、航天、軍工等行業(yè)對高檔數(shù)控機床的需求而研制開發(fā)的。該機床車、銑主軸采用大功率電主軸驅(qū)動，工件一次裝夾調(diào)整后，能進行車削、銑削和鉆削等多工序的復(fù)合加工。該機床是“產(chǎn)、學、研”合作而研發(fā)生產(chǎn)的新產(chǎn)品，體現(xiàn)了當今數(shù)控機床高效、高精和復(fù)合化的發(fā)展趨勢。

立柱是車銑復(fù)合加工中心重要支承件，對整臺機床的性能影響非常大。我們根據(jù)立柱的載荷情況及其使用要求，對立柱的截面形狀、導軌的分布形式以及筋板結(jié)構(gòu)布置等進行設(shè)計，形成了本產(chǎn)品的首個方案(A方案)，使用有限元分析方法獲得了立柱在載荷工況下的變形位移和應(yīng)力分布，并提出優(yōu)化及改型意見。根據(jù)A方案分析結(jié)果，結(jié)合用戶使用情況，對本產(chǎn)品進行了重大改型，形成了產(chǎn)品新方案(B方案)，又對B方案進行了全面CAE分析，驗證了改型后的B方案各項特性均優(yōu)于A方案。

根據(jù)B方案分析結(jié)果，在立柱的加工制造時，通過變形補償使立柱的幾何精度控制在允許的范圍之內(nèi)，從而保證了機床的加工精度。

1 方案設(shè)計

根據(jù)其他機床設(shè)計經(jīng)驗和本機床的功能要求，我們進行了方案設(shè)計并進行生產(chǎn)制造。

1.1 A 方案

1.1.1 方案的特點

方案如圖1所示:立柱和橫梁為整體形式，床身為平放布置，立柱上支承床鞍的2個導軌均布置在立柱的前側(cè)，橫梁中的加強筋為垂直和水平形式。

1.1.2 立柱的截面形狀、加強筋及導軌設(shè)計

當機床支承件受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷時，支承件的變形不但與截面面積大小有關(guān)，而且與截面形狀，即與截面慣性矩有很大關(guān)系。一般來說，方形截面的抗彎剛度比圓形的大，而抗扭剛度則比圓形小。因此，如果支承件所承受彎矩大于扭矩，則截面形狀以方形或矩形為佳［1］，其中，又以矩形截面的綜合剛性最好，考慮設(shè)計空間我們采用矩形截面，如圖2所示。

立柱的內(nèi)部加強筋是根據(jù)載荷特點，通過合理布置隔板及加強筋的形式來提高立柱的整體及局部剛度。其中立柱的兩側(cè)和底部采用比較成熟的結(jié)構(gòu)形式(此處不作重點論述)，重點是上橫梁的結(jié)構(gòu)形式，對機床的精度影響較大。方案采用橫豎加強筋交叉的框架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有良好的抵抗刀具切削力的特性，而且工藝簡單。在橫梁具體設(shè)計時，為減小橫梁的彎曲變形，在加大了橫梁截面高度的同時，中間分別增加了一條水平方向和兩條豎直方向的隔板，與橫梁兩外側(cè)墻壁一起承受下垂重力(圖2)。

設(shè)計時，橫梁的自重也是著重考慮的因素，若橫梁自重太輕，則橫梁的整體剛性無法保證;若重量設(shè)計得過重，又會加大彎曲變形，也使機床的成本增加。為了兼顧并考慮鑄造的工藝性，我們通過在橫、豎方向筋板的中部開設(shè)矩形窗口的方法來減輕橫梁的重量，并采用大圓角過渡，以避免因應(yīng)力集中而造成鑄件開裂，如圖2所示。

該機床采用直線滾動導軌，上下兩個導軌均布置在立柱的前面(圖1)。該結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，但受力情況不好，相對于橫梁來說系統(tǒng)產(chǎn)生的重力偏心較大，剛度不好，橫梁變形較大。

用此方案試制1臺后進行測試，發(fā)現(xiàn)變形很大，達不到預(yù)期的設(shè)計幾何精度，為此我們用有限元方法對其變形和應(yīng)力情況進行了理論分析。

1.1.3 A方案立柱結(jié)構(gòu)的有限元分析

利用Slidworks三維軟件建立橫梁的實體模型，同時略去一些不影響橫梁剛度的細微結(jié)構(gòu)，如小孔、小倒角、小圓弧等，利用MSC－Patran軟件進行前、后置處理，其中各載荷采用MPC(多點約束)方法施加，即將分析物體外的載荷剛性地施加到分析物體上，避免了大量的簡化和手工運算工作，用MSC－Nastran進行分析計算。為了獲得較好的計算精度，本文采用八節(jié)點四面體實體單元。

橫梁材料采用鑄鐵HT300，材料參數(shù)為:彈性模量E=1.26×1011Pa，泊松比 μ=0.27，密度 γ=7.3×103kg/m3。

本文僅對橫梁進行靜態(tài)分析。

(1)立柱工況分析

據(jù)橫梁的變形特點，當載荷在橫梁正中間位置時，橫梁的總體變形最大。為此，我們選取主軸系統(tǒng)在橫梁中間位置時的工況進行分析，根據(jù)工況具體載荷值為橫梁自重:在前置處理中直接加入“重力加速度9.8 m/s2”;滑枕—主軸系統(tǒng)重力:45 200 N(大小和重心位置可由Solidworks三維軟件直接得出)。

分析結(jié)果如圖3、圖4所示。

(2)分析結(jié)論

立柱上橫梁變形位移(圖3)，變形量從0到0.085 mm依次增大，最大變形量為0.085 mm，出現(xiàn)在上橫梁中間位置，機床檢驗精度為0.02 mm，顯然是由于橫梁的大變形影響了整臺機床的幾何精度。

應(yīng)力分布圖如圖4所示，最大應(yīng)力為36.4 MPa，遠小于HT300的抗拉強度200 MPa，說明其有足夠的強度，該局部應(yīng)力不會對機構(gòu)產(chǎn)生影響。

由以上分析看出問題出在立柱上橫梁部分，必須對立柱上橫梁進行改進。為此，我們設(shè)計了B方案。

1.2 B 方案

1.2.1 方案的特點

針對A方案不足，我們對其進行了重大改進，立柱和橫梁依然為整體形式，但將床身設(shè)計為45°擺放位置，支承床鞍的兩個導軌一個布置在立柱的前上側(cè)，另一個導軌布置在床身上(圖5)，橫梁中的加強筋也做了重大改進。

1.2.2 立柱的截面形狀、加強筋及導軌設(shè)計

該方案中內(nèi)部加強筋與A方案基本相同，但有一個重大改進，就是在原來的基礎(chǔ)上在水平面加1個“橋拱形”加強筋，在垂直面上加3個平行“橋拱形”加強筋，這是根據(jù)“橋”的原理來設(shè)計的(圖6)。

導軌的布置和A方案有重大不同，上導軌和A方案相同，但另一條導軌不是在立柱前側(cè)，而是在床身上，如圖5所示，這樣大部分重力間接加在了床身上，由床鞍來承受，而不是全部由橫梁來承受，減小了橫梁的受力，從而間接提高了橫梁的剛度。

在B方案生產(chǎn)制造前我們進行了有限元分析，并和A方案進行了對比。

1.2.3 B方案立柱結(jié)構(gòu)的有限元分析

B方案除對橫梁進行系統(tǒng)重力下的變形、應(yīng)力分析外，還對其在切削力作用下的變形、應(yīng)力進行分析。

(1)B方案工況分析

分析過程同A方案。根據(jù)工況，兩種方案受力情況基本相同，具體載荷值如下:

橫梁自重:在前置處理中直接加入“重力加速度9.8 m/s2”;滑枕—主軸系統(tǒng)重力:45 200 N(大小和重心位置可由Solidworks三維軟件直接得出)。

切削力:由于切削力是在機床調(diào)試平衡后進行的，所以切削力工況需單獨分析。銑削工作可以在X、Z方向進行，而兩個方向的受力是不同的，故兩種情況都進行分析。而車削狀況受力無論在大小和方向都和Z向銑削狀況［2］相同，因此無需對車削狀況進行分析。

①X向銑削:由于立柱的對稱性，切削力沿X軸正和負向產(chǎn)生的變形大小相同，方向相反，所以只取一個方向進行分析，在此取沿X負向銑削工況，根據(jù)切削參數(shù)得出受力情況為:X向+1 200 N，Y向+700 N，Z向+2 800 N(坐標方向見圖5)。

②Z向銑削:取Z正向銑削，原因同上，Z向受力情況為:X向+2 800 N，Y向+700 N，Z向－1 200 N(坐標方向見圖5)。

B方案分析結(jié)果見圖7～12。

(2)B方案分析結(jié)論

在系統(tǒng)重力下立柱上橫梁變形位移如圖7所示，變形量從0到0.027 9 mm依次增大，最大變形量僅為0.027 9 mm，出現(xiàn)在上橫梁中間位置，機床檢驗精度為0.02 mm，雖然沒有達到機床的幾何精度，但比較接近，通過變形補償可以達到要求。

應(yīng)力分布圖如圖8所示，最大應(yīng)力為11.6 MPa，也小于A方案的應(yīng)力，說明其有足夠的強度，該局部應(yīng)力不會對機構(gòu)產(chǎn)生影響。

在兩種切削力作用下變形位移如圖9和11所示，兩種切削方式力作用下變形位移都相對較小，其中Z向切削時變形位移相對較大，最大變形為0.015 4 mm，而機床加工精度是要求小于0.02 mm，說明加工精度可以控制在要求內(nèi)。

在兩種切削力作用下應(yīng)力分布如圖10和12所示，兩種切削方式力作用下應(yīng)力都相對較小，其中X向切削時應(yīng)力較大，為2.96 MPa，遠小于材料的抗拉強度，強度足夠。

顯然，經(jīng)過改進的B方案比A方案有了很大的提高，按此方案能夠滿足機床的要求。

經(jīng)以上分析，即使選擇變形較小的B方案，立柱上橫梁也有一定的變形，且最大變形位移出現(xiàn)在導軌中間位置，直接影響機床加工精度，應(yīng)采取相應(yīng)措施提高機床的剛度。為此我們在B方案的基礎(chǔ)上進行了加工工藝改進，即采用數(shù)控加工方法使橫梁產(chǎn)生倒影線形狀。根據(jù)B方案分析結(jié)果，我們采用“最大倒影量”為0.028 mm，實驗結(jié)果為:在Z向切削力(將產(chǎn)生較大變形位移)的作用下最大變形量僅為0.005 mm(機床檢驗精度為0.02 mm)，遠遠好于機床要求的精度，達到了預(yù)期的結(jié)果。

2 立柱的變形補償

本文采用加工工藝方法，通過變形補償來減小橫梁的變形。

補償立柱上橫梁變形的常用方法是反變形法，就是使橫梁導軌面的幾何形狀成為橫梁彈性位移的倒影線，從而補償橫梁及其導軌因受自身重力及滑鞍主軸系統(tǒng)重力產(chǎn)生的彈性變形［3］。目前使橫梁導軌獲得橫梁彈性位移倒影線形狀的方法有3種:

(1)刮研導軌或數(shù)控加工獲得所需的形狀。

(2)在進行橫梁導軌加工時，模擬其實際受力工況進行裝夾，使橫梁強制變形。加工后由于裝夾變形作用力的釋放，橫梁彈性恢復(fù)成所需的形狀。

(3)在橫梁上安裝輔助梁和加載裝置，使橫梁通過反向的彈性變形獲得所需的形狀。

對于第二種方法，由于橫梁的受力情況比較復(fù)雜，因此模擬其受力條件不容易實現(xiàn);而第三種安裝輔助梁和加載裝置可以使主軸得到較高的運動精度，但是這種方式的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。因此我們采用了數(shù)控加工變形補償?shù)姆椒ā?/p>

通過變形補償加工辦法，很好地解決了橫梁下垂以及扭轉(zhuǎn)變形的問題。實際裝配后，幾何精度都達到了0.01 mm/1 000 mm，全長范圍內(nèi)不超過0.015 mm，幾何精度達到了要求。

3 結(jié)語

目前企業(yè)已按B方案設(shè)計并生產(chǎn)了10臺產(chǎn)品，能夠很好地滿足機床幾何精度要求，證明B方案是非常成功的。

以往解決工程問題常采用“經(jīng)典方法”，只能用來解決幾何、截荷和邊界條件都相對簡單的結(jié)構(gòu)問題，而對此類機床大型結(jié)構(gòu)件的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形情況，只能將其簡化后進行近似計算，其計算結(jié)果往往與實際相差較大，只能作為定性分析的參考［4］。本文以有限元軟件MSC.Patran/MSC.Nastran作為主要計算工具，將有限元方法和理論應(yīng)用到機床的設(shè)計中，對數(shù)控銑床的關(guān)鍵部件立柱的剛度和強度進行了分析計算并成功指導了產(chǎn)品的優(yōu)化改型。對提高立柱的可靠性、精度具有重要意義，為同類零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論和技術(shù)指導［5］。

［1］王先逵.機械加工工藝手冊［M］.2版.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［2］鄧文英.金屬工藝學(下冊)［M］.3版.北京:高等教育出版社，1991.

［3］于麗菊.橋式龍門銑橫梁的靜動態(tài)特性研究及變形補償［D］.大連:大連理工大學，2007.

［4］苗狀.臥式車銑復(fù)合加工中心有限元分析［D］.長春:吉林大學，2009.

［5］楊曼云.XK2130大重型數(shù)控龍門銑床橫梁性能有限元分析與研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(1).