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加工中心立柱的靜力分析
閱讀：77 發(fā)布時(shí)間：2020-8-12 2加工中心立柱的靜動(dòng)態(tài)特性分析
機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能是保證機(jī)床具有一定的加工精度穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，一臺(tái)機(jī)床的基礎(chǔ)結(jié) 構(gòu)性能的好壞直接關(guān)系到其終的加工精度、加工精度穩(wěn)定性和切削效率等。為了提高 其結(jié)構(gòu)性能，除了合理配置機(jī)床的部件型式外，首先要求在設(shè)計(jì)上要保證其結(jié)構(gòu)有良好 的靜動(dòng)特性性能。當(dāng)臥式加工中心處于工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生各種變載荷，導(dǎo)致機(jī)床產(chǎn)生 振動(dòng)進(jìn)而影響機(jī)床的精度和穩(wěn)定性，這里首先對(duì)其靜動(dòng)態(tài)特性做相關(guān)分析。
立柱床身和主軸箱，處于加工中心的中間位置，對(duì)其質(zhì)量、抗振性能和剛度等 結(jié)構(gòu)性能要求較高。故本章主要以立柱為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)性能分析。對(duì)于加 工中心的其他部件如床身、主軸箱等，也可利用此節(jié)所述思路來(lái)分析和優(yōu)化，這里不再 贅述。
2.1加工中心立柱的靜力分析
該臥式加工中心的立柱釆用整體鑄造的形式，其在X方向的快速移動(dòng)速度為 36m/min，豎直之后高1900mm、長(zhǎng)890mm、寬794mm、頂板厚110mm、底板厚120mm， 左右側(cè)壁厚度為155mm，重量為1400kg。
分析立柱與其他主要部件的關(guān)系，主軸箱通過(guò)四個(gè)滑塊和直線導(dǎo)軌正掛在立柱之 上，并通過(guò)滾軸絲杠傳遞的動(dòng)力沿直線導(dǎo)軌在Y向作上下運(yùn)動(dòng)。床身上也有兩條直線導(dǎo) 軌，立柱底面通過(guò)導(dǎo)軌上的滑塊與床身連接，可沿X軸方向左右移動(dòng)。虛擬裝配圖和實(shí) 際裝配圖分別如圖2.2-a與2.2-b所示。 -
結(jié)構(gòu)的靜力分析是指作用在結(jié)構(gòu)上載荷是固定不變的，在這種情況下，進(jìn)而計(jì)算結(jié) 構(gòu)所受到的應(yīng)力和產(chǎn)生的變形。當(dāng)然，一個(gè)結(jié)構(gòu)只有在非常理想的情況下才會(huì)受到固定 不變的載荷，這里將隨時(shí)間變化很緩慢的載荷也看作是固定載荷。這樣，在進(jìn)行靜力分 析時(shí)，除了約束載荷和重力載荷外，只需施加靜力固定載荷
2.1.1加工中心的受力分析
加工中心的刀具通過(guò)對(duì)所加工的工件施加切削力進(jìn)行切削過(guò)程，然后工件會(huì)對(duì)刀具 產(chǎn)生反作用力，刀具所受到的力通過(guò)刀柄、主軸和主軸箱（包括導(dǎo)軌上的四個(gè)滑塊）傳 遞到立柱上。為了更好的模擬立柱的受力變形，工件對(duì)立柱的作用力應(yīng)該利用力的等效 原則將力傳遞到立柱導(dǎo)軌上。根據(jù)高速臥式加工中心的受力特點(diǎn)，對(duì)其在鉆孔和銑削兩 種工況時(shí)的受力情況分別進(jìn)行了分析。
對(duì)該工序加工內(nèi)容進(jìn)行分析可知，該工序主要完成缸體的銑面和鉆孔工作（圖2.3)， 銑刀和鉆刀均為硬質(zhì)合金刀具。這里利用切削力的功率估算方法對(duì)一把直徑45mm,轉(zhuǎn) 速400 r/min的銑刀進(jìn)行銑削力計(jì)算。對(duì)于電主軸來(lái)說(shuō)，其大功率為30Kw,由于沒(méi)有 齒輪傳動(dòng)功率耗散比較少，故令傳動(dòng)效率為0.98,則可得出實(shí)際切削效率為：
pc = TJPE = 0.98x30 = 29AKw(2-1)
已知刀具直徑和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而得到切向切削力也即主切削力：
分析可知，當(dāng)主軸箱位于立柱導(dǎo)軌行程的不同位置時(shí)，切削力的杠桿率也不同，會(huì) 導(dǎo)致立柱的變形量產(chǎn)生變化。這里取其在實(shí)際加工過(guò)程中（圖2.的工作位置， 即下滑塊底面距離導(dǎo)軌地面600mm。
2.1.2加工中心的靜力分析
首先利用CAD建模軟件Pro/E對(duì)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，由于模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜， 將對(duì)立柱性能分析影響較小的一些特征如小倒圓角、螺紋孔、小凸臺(tái)等省略去，這能夠 避免接下來(lái)的有限元網(wǎng)格劃分過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，且節(jié)省計(jì)算時(shí)間。
三維模型建完導(dǎo)入ANSYS分析軟件中，對(duì)立柱進(jìn)行材料屬性定義（表2.1):
表2.1各部件的主要材料屬性 Tab.2.1Material properties of the parts
| 部件 | 材料 | 彈性模量(N/m2) | 泊松比 | 質(zhì)量密度(kg/m3) |
| 立柱 | HT250 | 1.38E+11 | 0.156 | 7.28E+03 |
| 主軸箱 | HT300 | 1.57E+11 | 0.270 | 7.25E+03 |
| 主軸 | 軸承鋼 | 3.8E+11 | 0300 | 7.82E+03 |
之后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。主軸箱與立柱的接觸類型定義為bounded,對(duì)主軸施加 上小節(jié)計(jì)算出的切削力，對(duì)立柱與底座（床身）連接處的滑塊位置以及與滾珠絲杠連接 處施加約束。