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加工中心支撐大件的設(shè)計及分析
閱讀：63 發(fā)布時間：2020-8-11伯特利數(shù)控 加工中心 鉆攻中心
前言：
1 夾具箱體的設(shè)計與分析
夾具箱體是高精度加工中心重要的支撐部件，夾具箱的動態(tài)性能對加工中心加工精度的影響不亞于主軸箱。文章通過利用Pro/MECHANICA軟件的有限元分析功能，對夾具箱體的設(shè)計原型進(jìn)行模態(tài)分析，并通過對夾具箱體結(jié)構(gòu)的結(jié)果分析并對原型進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，進(jìn)而實現(xiàn)了夾具箱體設(shè)計。
1.1夾具箱體的設(shè)計與分析
設(shè)計的夾具箱體的外形尺寸、厚度尺寸等均按照設(shè)計規(guī)范以及《機(jī)械設(shè)計手冊》中的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計。為了避免夾具箱體剛度不夠，依據(jù)經(jīng)驗在薄弱區(qū)域增設(shè)加強(qiáng)筋板。在完成原型設(shè)計后，利用三維建模軟件Pro/ENGINEER建立夾具箱體的初始化模型，并利用pr0/MECHANICA進(jìn)行有限兀分析。模型如圖1所示。
1.2夬具箱體的模態(tài)分析
〔1)模態(tài)分析理論。加工中心中很多部件都需要進(jìn)行模態(tài)分析。夾具箱也需要通過模態(tài)分析來確認(rèn)設(shè)計方案的可行性。一個具有n自由度的系統(tǒng)在任一瞬間的運動的形態(tài)要用n個獨立的廣義坐標(biāo)系來描述，對于n自由度的無阻尼系統(tǒng)而言，它具有n階固有頻率。當(dāng)系統(tǒng)按任意一個固有頻率作自由振動時，系統(tǒng)的運動是一種同步運動，稱為主振型，系統(tǒng)做主振型時所具有的振動形態(tài)稱為模態(tài)。機(jī)構(gòu)的動力學(xué)問題都是以模態(tài)理論為基礎(chǔ)的。
(1) 模態(tài)分析工具。Pro/ENGINEER軟件是廣泛應(yīng)用于3D建模的軟件。其文件格式被多個有限元軟件所采用。Pro/MECHANICA是該軟件公司針對機(jī)械有限元推出了軟件，可以方便對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。可以采用Pro/ENGINEER建立了夾具箱體的三維模型，利用Pro/MECHANICA對夾具箱體的模態(tài)進(jìn)行分析，其精度符合工程要求，并且避免了有限元軟件因模型格式問題導(dǎo)致的不兼容問題。
(2) 夾具箱體模態(tài)分析過程。利用Pro/MECHANICA軟件對夾具箱體的固有頻率進(jìn)行有限元法的分析，其流程如下。
幾何模型簡化。夾具箱體外部設(shè)有倒了圓角的加強(qiáng)筋以增加剛度；為避免應(yīng)力集中夾具箱體尖角及各邊都進(jìn)行了倒角處理。在建立夾具箱體有限元模型時，對于應(yīng)力低的區(qū)域盡量去掉倒（圓）角，以避免因網(wǎng)格剖分產(chǎn)生畸形網(wǎng)格，影響計算精度。
定義材料屬性和約束。文章設(shè)計的夾具箱體材料為HT200。夾具箱體固定是通過螺栓與底座固定。在有限元模型中，通過約束螺栓與固定位置相對應(yīng)的節(jié)點各個自由度來建立模型的約束。
網(wǎng)格劃分。采用Pro/MECHANICA軟件中自帶的AUT0GEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格剖分圖如圖1所示。
夾具箱體模態(tài)分析結(jié)果。夾具箱動力學(xué)分析的重點是低階固有振型頻率。通過分析得到了*階固有頻率分別為 180Hz、213Hz、273Hz、287Hz、299Hz、331Hz、344Hz、405Hz、427Hz、447Hz,前4階固有振型圖如圖2所示。
2 床身的設(shè)計
焊接床身與鑄造床身相比具有如下優(yōu)點：①制造成本低，省去了模具費用，且避免了鑄造缺陷等問題；②提高了床身的固有頻率；③實現(xiàn)封閉的床身結(jié)構(gòu)；④可以通過增加筋板來實現(xiàn)小質(zhì)量大剛度的要求。
2.1床身的厚度的選擇
加工中心采用封閉截面式焊接床身，附以筋板提高剛度，其壁板的厚度可根據(jù)當(dāng)量尺寸C來選擇，當(dāng)量尺寸C Cm)由下式確定：
C= C2L+B+H) /3 ⑴
其中，L、B、H分別為床身的長、寬、尚（m)，當(dāng)量尺寸表1所示。查的表得到小厚度為16mm，通常情況下還要考慮受力和焊接工藝的要求適當(dāng)調(diào)整厚度。
| 表1當(dāng)量尺寸與壁厚對應(yīng)表
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2.2.床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計
斜床身具有排屑方便，避免了切屑堆積在導(dǎo)軌上f致的床身受熱而產(chǎn)生變形；在分布上方便安裝自動排肩裝置。床身設(shè)計成斜45°的封閉箱形，在設(shè)計時要具有一