異形內(nèi)腔曲面加工裝置導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 鄭福祥 范國勇

前言

異形內(nèi)腔曲面目前很難采用普通機(jī)床和常規(guī)工藝方法加工，長期以來一直是加工中難以解決的問題[1]。以鋼鐵行業(yè)大型連鑄機(jī)的核心部件結(jié)晶器為例，采用一種全新的專用工藝方法和設(shè)備。導(dǎo)軌是整套設(shè)備的核心部件，它可承載、固定、引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件，而滑動(dòng)導(dǎo)軌具有良好的剛性、抗振性和阻尼性，且結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，是機(jī)床上廣泛應(yīng)用的部件[2]。導(dǎo)軌的剛度直接影響著加工工件的精度，導(dǎo)軌的剛度主要取決于在載荷作用下，運(yùn)動(dòng)件和承導(dǎo)件的彎曲變形和它們工作面接觸變形的大小。導(dǎo)軌的剛度與導(dǎo)軌截面的尺寸、材料等因素有關(guān)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式、變形及剛度是影響導(dǎo)向精度的主要因素之一，導(dǎo)軌的剛度是在外力作用下導(dǎo)軌本身抵抗變形的能力，主要取決于導(dǎo)軌的形式、尺寸與支撐件的連接方式及受力狀況等因素[3]。因此合理進(jìn)行導(dǎo)軌形式設(shè)計(jì)非常重要。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌選用矩形導(dǎo)軌，因矩形導(dǎo)軌具有制造簡單、承載能力大等特點(diǎn)，但簡單的矩形截面無法保證滑塊在導(dǎo)軌中高度方向的定位，在切削加工過程中可能導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)力頭脫離導(dǎo)軌，將會(huì)導(dǎo)致十分嚴(yán)重的加工事故。為了解決這一問題，將矩形截面改為工字形截面。

弧形滑動(dòng)導(dǎo)軌副由導(dǎo)軌、滑塊、壓板、間隙調(diào)整裝置等組成，圖1為導(dǎo)軌滑塊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。導(dǎo)軌1作為承載部件安裝在機(jī)床固定座上，起導(dǎo)向作用；滑塊6作為運(yùn)動(dòng)部件安裝在導(dǎo)軌1上，進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；卡板墊片7安裝在滑塊6與卡板8之間，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌與滑塊之間上下的間隙；鑲條9安裝在滑塊與導(dǎo)軌之間，通過調(diào)節(jié)螺釘3來調(diào)節(jié)左右的間隙；壓板5安裝在兩個(gè)滑塊上。壓板上安裝有伺服電機(jī)，減速器，刀架。

圖1 導(dǎo)軌滑塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

利用Solidworks構(gòu)造導(dǎo)軌的三維幾何模型，然后導(dǎo)入ANSYSWorkbench建立有限元模型，在ANSYSWorkbench中設(shè)置材料彈性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-9tonne/mm3。滑動(dòng)導(dǎo)軌采用六面體網(wǎng)格劃分，導(dǎo)軌有限元模型（如圖2所示）共有52161個(gè)節(jié)點(diǎn)，364284個(gè)單元。

2.2 施加載荷及邊界條件

導(dǎo)軌作為異形內(nèi)腔曲面加工裝置的核心部件與關(guān)鍵受力件，根據(jù)模型的三維坐標(biāo)及受力分析可知：導(dǎo)軌被看做是兩端固定的簡支梁結(jié)構(gòu)，所以在導(dǎo)軌兩端的螺釘孔處施加x、y、z方向的全約束。當(dāng)滑塊運(yùn)行至導(dǎo)軌中間時(shí)，導(dǎo)軌所發(fā)生的撓度變形最大，所以將載荷加載在導(dǎo)軌的中間位置[4]。

2.3 強(qiáng)度分析

導(dǎo)軌作為本裝置動(dòng)力裝置及刀架等的承載部件，在150N壓力的作用下，最大撓度變形為0.37248mm，導(dǎo)軌的變形圖如圖3所示；最大應(yīng)力產(chǎn)生在導(dǎo)軌和導(dǎo)軌支撐座的連接處，最大應(yīng)力為166.01MPa，導(dǎo)軌的應(yīng)力云圖如圖4所示。已知材料的屈服極限為355MPa，取安全系數(shù)為1.5，則導(dǎo)軌所承受的最大應(yīng)力為236.67MPa，所以安全裕度較大。

圖4 導(dǎo)軌應(yīng)力云圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用ANSYSWorkbench進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用線形靜力結(jié)構(gòu)分析，將導(dǎo)軌的截面尺寸（如圖5所示）及作用在導(dǎo)軌上的外部載荷作為輸入?yún)?shù)，質(zhì)量、等效應(yīng)力及整體變形作為優(yōu)化的輸出參數(shù)[5,6,7]。優(yōu)化后的結(jié)果如表1所示。

圖5 導(dǎo)軌橫截面尺寸參數(shù)

由分析結(jié)果可以看出優(yōu)化4較其他方案更具有可行性，將優(yōu)化4重新建模進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果最大應(yīng)力為127.54MPa，符合材料的強(qiáng)度要求，其應(yīng)力云圖如圖6所示：

表1 優(yōu)化后的結(jié)果

圖6 校核后的應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

4.1 根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)異形內(nèi)腔曲面加工裝置導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，經(jīng)分析可知導(dǎo)軌采用工字型結(jié)構(gòu)更加具有實(shí)用性。

4.2 利用ANSYSWorkbench對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行有限元建模，并進(jìn)行強(qiáng)度分析，得出導(dǎo)軌的最大變形與應(yīng)力云圖，最大變形為0.37248mm，最大應(yīng)力為166.01MPa，由材料的強(qiáng)度極限可知，導(dǎo)軌的安全裕度較大。

4.3 利用ANSYSWorkbench對(duì)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，采用線形靜力結(jié)構(gòu)分析，優(yōu)化后導(dǎo)軌的靜態(tài)特性有了很大的提高，經(jīng)強(qiáng)度校核后符合設(shè)計(jì)要求。

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