機(jī)床商務(wù)網(wǎng)技術(shù)文章
基于ANSYS的加工中心立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析
閱讀：91 發(fā)布時(shí)間：2020-8-12〇引言
立柱是加工中心的重要部件之_，其結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng) 態(tài)特性對(duì)機(jī)床的整體性能起著舉足輕重的作用，其強(qiáng) 度、剛度及穩(wěn)定性將直接影響到機(jī)床的加工精度、加工 效率、抗振性及壽命[1 ]。通過大量實(shí)踐探索和實(shí)驗(yàn)?zāi)?擬，本文以4種不同立柱內(nèi)部筋板形式為研究對(duì)象，利 用ANSYS軟件對(duì)立柱進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析， 研究對(duì)比4種筋板對(duì)立柱的靜、動(dòng)態(tài)性能的影響，后通 過數(shù)據(jù)比照給出了內(nèi)部筋板的結(jié)構(gòu)形式[2-3]。
1立柱的有限元模型 1.1 建立三維CAD模型
通過UG NX8. 0建立的某五軸聯(lián)動(dòng)加工中心立 柱模型如圖1所示。模型的外形為方形，長946 mm， 寬850 mm,高2 235 mm,壁厚15 mm。為增加立柱的 剛性，在立柱內(nèi)部布滿了筋板，筋板厚度為30mm，4 種不同形式的筋板結(jié)構(gòu)如圖2所示。立柱內(nèi)部筋板排 列不一樣，會(huì)造成其性能存在一定的偏差，重量、制造 成本及鑄造難度也不一樣。對(duì)此設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮 各種情況，確定實(shí)際可行并且有利于運(yùn)輸及成本低 的結(jié)構(gòu)方案。
1.2模型的簡化
本文對(duì)立柱進(jìn)行靜力和模態(tài)分析，以得到其剛度、 強(qiáng)度和固有頻率的變化趨勢(shì)。有限元模型的好壞將直 接影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確度和計(jì)算效率，由于立柱是 _個(gè)鑄造件，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大的特點(diǎn)，要對(duì)它 建立精確的有限元模型是很不容易的，因此為減少計(jì) 算的工作量，應(yīng)對(duì)立柱模型進(jìn)行必要的簡化。根據(jù)圣
維南原理，對(duì)模型中的倒角、退刀槽、凸臺(tái)、螺紋孔等進(jìn) 行刪除或簡化[4]，其目的是為了避免在位置狹小的局 部生成大量的網(wǎng)格單元，防止計(jì)算量過大和解算時(shí)間 過長，以影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和拖慢有限元分析的 效率。
1.3材料定義與網(wǎng)格劃分
給模型賦予材料屬性是有限元分析的第_個(gè)步 驟。不同的部件其材料不一樣，承受載荷大小也不_ 樣，故材料屬性就不一樣。因灰鑄鐵HT250各向同 性、金相組織分布均勻、抗拉強(qiáng)度高，因此很適合作為 加工中心立柱的材料使用。灰鑄鐵HT250的彈性模 量為1. 1X10uPa，泊松比為0. 28,密度為7 200 kg/m3。立柱的整體構(gòu)造比較復(fù)雜，利用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分 方法對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]，如圖3所示。4種立柱結(jié)構(gòu) 有限元模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)和單元總數(shù)見表1。
表1 4種立柱筋板形式有限元模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)和單元總數(shù)
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筋板形式 |
節(jié)點(diǎn)總數(shù) |
單元總數(shù) |
|
A |
54 055 |
29 191 |
|
B |
47 569 |
25 602 |
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C |
56 581 |
32 124 |
|
D |
45 796 |
23 055 |
1.4施加載荷及約束
立柱底部安裝滑塊與床身上的導(dǎo)軌接觸，因此對(duì) 立柱與床身接觸部位施加固定約束，固定住其6個(gè)自 由度。工作時(shí)立柱承受復(fù)雜的空間載荷，主要包括其 自重、主軸箱、拖板及銑頭等配置的重量以及切削力對(duì) 立柱的作用，將立柱所受的各載荷轉(zhuǎn)換成集中載荷施 加在立柱上表面。
2靜力結(jié)構(gòu)分析
靜力結(jié)構(gòu)分析是指對(duì)其強(qiáng)度和剛度的分析，即對(duì) 應(yīng)力和位移變形的分析。通過靜力結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)人 員可以根據(jù)立柱在受力過程中的變形趨勢(shì)，為立柱的 后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要理論依據(jù)[6]。
立柱靜剛度是衡量機(jī)床整體性能好壞的一個(gè)重要 指標(biāo)，它因立柱的材料、尺寸大小、筋板的布置形式等 因素而不同。為使加工中心在加工零件時(shí)因切削力而 引起的機(jī)床變形以及因立柱的抗振性而引起的刀具變 形達(dá)到小值，就要求立柱的靜態(tài)剛度足夠高m。通 過靜態(tài)分析得出的4種立柱筋板結(jié)構(gòu)的位移量、合應(yīng) 力及質(zhì)量對(duì)比如表2所示。
表2 4種立柱筋板結(jié)構(gòu)位移量、合應(yīng)力及質(zhì)量對(duì)比
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筋板形式 |
位移量（pm) |
合應(yīng)力（MPa) |
質(zhì)量（kg) |
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A |
10. 036 |
1. 116 7 |
2 137.4 |
|
B |
11. 235 |
1. 214 |
1 962.7 |
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C |
18. 258 |
2. 566 |
2 544. 9 |
|
D |
15.154 |
1. 657 |
2 391 8 |
單從靜態(tài)分析所表現(xiàn)出的數(shù)據(jù)上可以看出蜂窩形 的筋板形式（結(jié)構(gòu)A)是這4種結(jié)構(gòu)中的：其大 位移量只有10.036 ^m，主要發(fā)生在立柱頂部區(qū)域，其 大應(yīng)力為1. 116 7 MPa，主要發(fā)生在導(dǎo)軌頂部區(qū)域， 這些區(qū)域較其他區(qū)域容易鐵的許用應(yīng)力240 MPa。具有蜂窩形筋析的立柱的位 移云圖和應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。
3模態(tài)分析
通過模態(tài)分析能夠知道結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型， 這可以對(duì)結(jié)構(gòu)提供優(yōu)化指導(dǎo)以便提高加工質(zhì)量和效 率。_般來說，固有頻率有無限多個(gè)模態(tài)，但真正有實(shí) 際意義的只有低階模態(tài)，而高階模態(tài)在振動(dòng)中起的作 用很小[8]。在對(duì)立柱進(jìn)行模態(tài)分析之前要對(duì)模型進(jìn)行 網(wǎng)格劃分，劃分方法與靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析是_樣的。不加 載荷時(shí)4種筋板結(jié)構(gòu)的立柱在自由狀態(tài)下的前6階頻 率及振型見表3。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：具有蜂窩形筋板的立柱 的動(dòng)態(tài)性能，其1階頻率只有36. 309 Hz，是4種 筋板結(jié)構(gòu)中1階頻率小的，說明蜂窩型筋板結(jié)構(gòu) 適合此立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。具有蜂窩形筋析的立柱的前6 階振型圖如圖6所示。
表3 4種立柱結(jié)構(gòu)的前6階頻率及振型 Hz
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階數(shù) |
筋板形式 |
振型描述 | |||
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結(jié)構(gòu)A |
結(jié)構(gòu)B |
結(jié)構(gòu)C |
結(jié)構(gòu)D | ||
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1 |
36. 309 |
85.267 |
52.312 |
75.243 |
繞Z軸扭彎 |
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2 |
107.85 |
149. 32 |
109. 25 |
124. 35 |
繞Y軸扭彎 |
(1) 應(yīng)用ANSYS Workbench對(duì)具有4種不同形 狀筋板的立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，得到其 相對(duì)應(yīng)的位移、應(yīng)力以及前6階固有頻率。
(2) 立柱的大位移主要發(fā)生在其頂部區(qū)域； 大應(yīng)力主要發(fā)生在導(dǎo)軌頂部區(qū)域，4種立柱的大應(yīng) 力都遠(yuǎn)小于灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度240 MPa，設(shè)計(jì)*要求。
(3) A結(jié)構(gòu)的剛度，B結(jié)構(gòu)其次；A結(jié)構(gòu)的低 階模態(tài)頻率低，C結(jié)構(gòu)其次。
(4) 綜合考慮立柱筋板的鑄造成本、復(fù)雜程度以綜合考慮立柱筋板的鑄造成本、復(fù)雜程度以 =2>所示。
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