一款新型數(shù)控臥式銑鏜床及其基于ANSYS的下滑座有限元設(shè)計(jì)

王一楠　李翊群　楊小娟　陳南南（. 沈陽機(jī)床股份有限公司，遼寧沈陽　04；.沈陽市地方稅務(wù)局第五稽查局，遼寧沈陽　0044）

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一款新型數(shù)控臥式銑鏜床及其基于ANSYS的下滑座有限元設(shè)計(jì)

王一楠1李翊群1楊小娟1陳南南2
（1. 沈陽機(jī)床股份有限公司，遼寧沈陽110142；2.沈陽市地方稅務(wù)局第五稽查局，遼寧沈陽110044）

【摘 要】本文是主要介紹了一款新型的數(shù)控銑鏜床PB100并以PB100下滑座為例，利用CAD/ CAE 集成的方法完成了下滑座的建模及有限元分析。先用SolidWorks建模，再導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件，對(duì)下滑座進(jìn)行應(yīng)力仿真分析，獲得應(yīng)力分布及薄弱環(huán)節(jié)，為鏜床設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供一定的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】銑鏜床下滑座有限單元法ANSYS

1　PB100簡(jiǎn)介

PB100數(shù)控臥式銑鏜床是我廠全新設(shè)計(jì)的一款經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑鏜床，其是在中捷牌臥式銑鏜床具有60余年設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，并結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)研發(fā)的新產(chǎn)品。該機(jī)床搭載突破底層運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的沈陽機(jī)床自主研發(fā)全新一代智能化數(shù)控系統(tǒng)——I5數(shù)控系統(tǒng)。PB100數(shù)控臥式銑鏜床是萬能性機(jī)床，是加工箱體類零件的關(guān)鍵設(shè)備。

PB100是由床身、立柱、主軸箱及上下滑座等組成的，其床身下滑座的變形承載能力如何直接關(guān)系著機(jī)床的性能。

2　基本參數(shù)與工況分析

下滑座是床身與上滑座過渡環(huán)節(jié)，是保證工件在X、Z軸方向運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其承載能力直接影響工件的加工質(zhì)量。材料性能參數(shù)：材料HT200；彈性模量 E=110GPa；泊松比μ=0.27；質(zhì)量密度ρ=7200 kg/m3；根據(jù)機(jī)床實(shí)際工況，其主要承載上導(dǎo)軌所受到的壓力，由于一般加工時(shí)，上滑座工作區(qū)域主要集中在下滑座中間位置，故本研究分析當(dāng)下滑座承載力在中央時(shí)，下滑座的變形量及應(yīng)力分布；由于機(jī)床床身在工作中變形較小，故本文只對(duì)下滑座行進(jìn)行計(jì)算。

3　有限元計(jì)算

（1）模型的建立及劃分網(wǎng)格［1］。幾何建模是下滑座有限元分析的基礎(chǔ)，相對(duì)于CAD軟件強(qiáng)大的建模功能，ANSYS就顯得繁瑣。也正因?yàn)榇?，ANSYS軟件提供了與CAD軟件數(shù)據(jù)接口，可以直接把CAD軟件中建立的模型導(dǎo)入ANSYS中。首先在SolidWorks中創(chuàng)建下滑座模型，然后通過PARA的X_T格式導(dǎo)入ANSYS中，利用ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載求解與后處理。下滑座采用8節(jié)點(diǎn)solid45實(shí)體單元，并在適當(dāng)?shù)目刂凭W(wǎng)格劃分基礎(chǔ)上采用自由劃分的方式劃分后，得到ELEMENT NUMBER=291984；MASS=1320.97。

（2）施加載荷。1）固定約束：①本文基于床身不變形的基礎(chǔ)上，在四處下導(dǎo)軌添加固定約束；②根據(jù)實(shí)際，在下滑座中間兩下導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)（此處為基面和楔鐵接觸面）添加固定約束。2）施加載荷：①添加重力場(chǎng)；②在下滑座上導(dǎo)軌中間處施加面力，載荷按滿載施加。

4　計(jì)算結(jié)果及后處理方法

通過求解計(jì)算，得出下滑座變形圖，見圖1和Von Mises應(yīng)力云圖，見圖2。

由圖1可知，下滑座的最大變形為0.0038mm，發(fā)生部位為下滑座上導(dǎo)軌外側(cè)。

由圖2可知，除去集中應(yīng)力影響，下滑座的最大折算應(yīng)力（按第四強(qiáng)度理論計(jì)算）為3.11MPa，發(fā)生部位為下滑座中間導(dǎo)軌與下滑座連接處。

計(jì)算結(jié)果：下滑座總體積：0.158m3；下滑座重量：0.8409t。

5　結(jié)語

機(jī)床樣機(jī)裝配完成后，對(duì)下滑座進(jìn)行了負(fù)載試驗(yàn)和定位精度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果證明該滑座具有很強(qiáng)的承載能力，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。該機(jī)床樣機(jī)試制完成后，被國(guó)內(nèi)某重點(diǎn)行業(yè)客戶搶購(gòu)。從客戶反饋回來的信息看，該臺(tái)機(jī)床的下滑座在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，加工精度高，承載能力大，完全能夠滿足客戶需要。

本文提供了數(shù)控臥式銑鏜床下滑座CAD與CAE結(jié)合應(yīng)用的一種具體方法。此方法適用于各種規(guī)格十字臺(tái)式鏜床設(shè)計(jì)，希望本文對(duì)讀者有一定啟發(fā)。

作者簡(jiǎn)介：王一楠（1984—），男，遼寧沈陽人，工程師，工學(xué)碩士，從事鏜床設(shè)計(jì)等技術(shù)方面工作。