大型鑄件工作臺底座的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊奇彪， 李寅林， 游達(dá)章

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

長機(jī)科技生產(chǎn)的YK31350型插齒機(jī)工作臺底座是一大型金屬鑄件(材料為鑄鐵)，在常溫下機(jī)床不斷使用過程中，由于應(yīng)力分布不均，易出現(xiàn)鑄件過早斷裂等問題．

ANSYS軟件由于其強(qiáng)大的仿真計(jì)算功能被各行各業(yè)廣泛采用．文獻(xiàn)[1]通過ANSYS-workbench對DVG850高速立式加工中心工作臺進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明改進(jìn)后的工作臺保持了原結(jié)構(gòu)的剛度，質(zhì)量卻減少了近10%；文獻(xiàn)[2]通過ANSYS對加工工作臺組件、文獻(xiàn)[3]對鉆床工作臺、文獻(xiàn)[4]對立式加工工作臺均得出了類似的結(jié)論．因此采用ANSYS動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析，此次分析過程分為兩個(gè)部分：一是計(jì)算工作臺靜態(tài)下的應(yīng)力分布：二是計(jì)算機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)過程中工作臺的應(yīng)力分布．

1 應(yīng)力分析基礎(chǔ)理論

生產(chǎn)過程中，機(jī)床工作臺底座的應(yīng)力主要有來自于工作臺各種裝配零件的自重、電機(jī)帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的扭矩以及緊固地面的螺釘緊固力和中床身接觸面的緊固力，這里只需分析清楚各個(gè)力的大小，作用面積即可，并且只需考慮正應(yīng)力，而不必考慮其他復(fù)雜應(yīng)力．應(yīng)力

(1)

(2)

2 建模

先將工作臺底座模型直接導(dǎo)入ANSYS-workbench有限元軟件，工作臺內(nèi)部有工作臺主軸(8 636.815 kg)、主軸墊片(124.004 kg)、渦輪軸套(2 459.101 kg)、雙渦輪蝸桿(481.675 kg，483.819 kg)、主軸軸套(706.023 kg)、軸套結(jié)合套(692.488 kg)、渦輪墊環(huán)(2 234.952 kg)、渦輪墊片(1 490.488 kg)、液壓底片(223.830 kg )，另外插齒機(jī)工作載荷在2～6 t(在應(yīng)力分析時(shí)會(huì)采用6 t的應(yīng)力進(jìn)行分析)．

由于是雙渦輪蝸桿傳動(dòng)，工作臺主軸上套有套筒以及雙渦輪蝸桿的軸套結(jié)合套．由于有液壓墊片，即渦輪蝸桿下面存在液壓，并非完全由工作臺底座承受中午靜壓的．由于計(jì)算應(yīng)力時(shí)主要關(guān)心施加載荷，因此可忽略工作臺底座內(nèi)部的裝配關(guān)系，工作臺底座的模型如圖1所示．

將工作臺底座模型導(dǎo)入ANSYS-workbench后，首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分．網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，劃分后的工作臺底座如圖2所示．

圖 1 工作臺底座三維模型

圖 2 網(wǎng)格劃分后的工作臺底座

基于模型的復(fù)雜程度，在實(shí)際分析過程中對模型進(jìn)行一定的簡化，去掉了一些螺紋孔以及一些不影響整體結(jié)構(gòu)受力的小孔等，這樣在進(jìn)行應(yīng)力分析的時(shí)候更簡便，施加載荷和約束也更簡便．

由于工作臺底座與地面被地腳螺釘鎖死，并與中床身接觸面鎖緊，因此一個(gè)約束施加在途中模型下面的一圈孔和底面，另一個(gè)與中床身的接觸面是施加固定面的約束，與緊固螺釘約束施加在側(cè)面．

經(jīng)過多方面的考慮，為便于簡化分析，本文去掉了電機(jī)等小應(yīng)力對底座的影響，僅考慮對底座的壓力垂直分布在底座內(nèi)部環(huán)形結(jié)構(gòu)周圍．

圖2中深色位置周圍施加載荷，計(jì)算來源于零件配重相加環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)徑1 250 mm和外徑1 450 mm，以及外圈渦輪蝸桿的載荷面外圈1 650 mm和2 250 mm，通過式(2)計(jì)算可得：σ1=0.1 MPa，σ2=0.09 MPa．施加完載荷后，直接進(jìn)行分析得到應(yīng)力分布圖(圖3)．

圖 3 施加載荷后的工作臺底座應(yīng)力分布

考慮到工作臺底座仍然存在較大應(yīng)力以及變形，因此需要對該模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)．由于應(yīng)力主要集中在底，且應(yīng)力較大，因此可將底座的加強(qiáng)筋進(jìn)行加厚，修改后的工作臺底座模型如圖4所示．

圖 4 模型修改后的工作臺底座

重復(fù)以上步驟進(jìn)行分析，得到模型修改后的工作臺底座的應(yīng)力分布(圖5)，相比較圖2而言，工作臺底座的整體應(yīng)力減小了許多．

圖 5 模型修改后的工作臺底座應(yīng)力分布

3 結(jié)論

本文通過應(yīng)用ANSYS軟件，分析大型鑄件插齒機(jī)工作臺底座在生產(chǎn)過程中應(yīng)力對鑄件結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算結(jié)果表明：出現(xiàn)最大應(yīng)力部位和容易出現(xiàn)裂紋部位吻合．

[參考文獻(xiàn)]

[1] 高東強(qiáng)，毛志云，張功學(xué)，等. 基于ANSYS Workbench的DVG850工作臺拓?fù)鋬?yōu)化[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(02):62-63.

[2] 胡春陽. 基于ANSYS的加工中心工作臺組件的有限元分析及優(yōu)化[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)圖書館，2012.

[3] 劉光浩，黃 偉，陳超山，等. 基于ANSYS的ZK5150型鉆床工作臺有限元靜動(dòng)態(tài)分析與尺寸優(yōu)化[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010(09)：89-95.

[4] 馮成國，曹巨江，張 磊.基于ANSYS Workbench的立式加工中心工作臺動(dòng)特性研究[J]. 2013, 41(07): 175-177.