機床輕量化設(shè)計結(jié)構(gòu)與性能研究——臥式車床支承件結(jié)構(gòu)特征與靜態(tài)特性分析*

董惠敏，王海云，王德勝，姜懷勝，王德倫，申會鵬，孫 穎

(1.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024;2.大連機床集團有限責(zé)任公司，遼寧 大連116620)

0 引言

輕量化設(shè)計體現(xiàn)了綠色、經(jīng)濟和節(jié)能的現(xiàn)代制造技術(shù)要求。機床的輕量化主要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和新材料應(yīng)用兩條途徑來實現(xiàn)。趙玲、盧天健、宋冬冬等討論了機床輕量化設(shè)計的研究現(xiàn)狀和進展、輕質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)在機床中的應(yīng)用、實現(xiàn)輕量化設(shè)計的優(yōu)化方法和算法［1-3］;L. Kroll 等探討了輕量化設(shè)計對機床能效的影響［4］;Ling Zhao 等將結(jié)構(gòu)仿生引入了機床的輕量化設(shè)計［5］;馬超、趙二鑫、孫謙等利用有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法實現(xiàn)了加工中心立柱和車削中心床鞍的輕量化設(shè)計［6-8］。近年來研究人員對機床結(jié)構(gòu)與性能做了廣泛的探討。殊海燕等通過建立機床整機的有限元模型并對其進行性能分析，找到機床結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，用以指導(dǎo)機床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計［9］;David Te-Yen Huang 等提供了一種以整機混合建模來獲得部件剛度的方法［10］;F.P. Wardle 等以機床主軸為研究對象，研究了機床結(jié)構(gòu)的局部性能［11］。以上文獻主要以機床整機或某個部件作為研究對象，對其結(jié)構(gòu)和性能進行分析和探究。然而，機床的整體結(jié)構(gòu)是由床身、工作臺、立柱、主軸箱等支承件組成。它們作為基礎(chǔ)部件，起到承載、定位和連接的作用，其結(jié)構(gòu)特征和性能在很大程度上影響甚至決定了機床的整機性能，是機床輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

本文以構(gòu)成機床整機的各個支承件為研究對象，以某臥式數(shù)控車床為例，對其支承件結(jié)合面形式、幾何結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)特征進行分析;分析其切削工況、載荷和約束特點，并利用有限元分析軟件ANSYS 對其各支承件進行了靜態(tài)特性分析。通過對靜態(tài)位移云圖和位移曲線的觀察和分析，歸納了各支承件的靜態(tài)特性;通過分析支承件的結(jié)構(gòu)特征和靜態(tài)特性，為支承件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)，并為機床的輕量化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 車床支承件結(jié)構(gòu)特征

1.1 支承件結(jié)合面形式

按支承形式的不同，可將車床分為臥式車床和立式車床兩大類，如表1 所示。前者的主軸為水平放置而后者垂直于水平面放置。臥式車床按床身結(jié)構(gòu)又可分為平床身車床和斜床身車床兩類。前者床身導(dǎo)軌為水平布置，而后者為傾斜布置，具有較高的剛性。臥式車床由主軸箱、尾座、滑板、床鞍和床身五大支承件構(gòu)成;立式車床由床身、橫滑板、立柱、滑架和工作臺構(gòu)成。

表1 車床的布局形式

機床的各個支承件通過多種形式的結(jié)合面相互聯(lián)系在一起。臥式車床中主要的支承件結(jié)合面有8個。它們分別是:①刀塔-滑板結(jié)合面，為螺栓聯(lián)接;②滑板-床鞍結(jié)合面，為滑動導(dǎo)軌連接;③床鞍-床身結(jié)合面，為滑動導(dǎo)軌連接;④主軸-主軸箱結(jié)合面，為軸承連接;⑤主軸箱-床身結(jié)合面，為螺栓連接;⑥尾座套筒-尾座結(jié)合面，為液壓連接;⑦尾座-床身結(jié)合面，為滑動導(dǎo)軌連接，工作狀態(tài)下由螺栓緊固;⑧床身-地基結(jié)合面，為螺栓連接。其中螺栓連接面為固定結(jié)合面，導(dǎo)軌、軸承和液壓連接面屬動結(jié)合面。

1.2 支承件幾何結(jié)構(gòu)類型

機床的各種支承件都屬于空間的板系或梁板組合結(jié)構(gòu)，可按支承件的總體幾何尺寸關(guān)系將其劃分為三大類結(jié)構(gòu)，即梁類、板類和箱體類。以車床為例，臥式和立式車床各支承件可分別劃入這三種類型，如表2 所示。

表2 車床支承件幾何結(jié)構(gòu)類型

1.3 支承件結(jié)構(gòu)特征

支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計旨在滿足支承件的剛度要求，進而保證機床的工藝系統(tǒng)剛度和加工精度。支承件結(jié)構(gòu)特征主要包括筋板結(jié)構(gòu)、截面形狀和連接部位結(jié)構(gòu)。

1.3.1 筋板結(jié)構(gòu)特征

筋板的設(shè)置旨在提高支承件的剛度，包括靜和動兩方面。按其所起作用不同，可將筋板分為主筋板和局部筋板兩類，見表3 和圖1、2。

表3 支承件筋板分類

主筋板又有橫向、縱向與斜向之分，如圖1a 所示為縱向主筋板;圖1b 兩側(cè)和中間部分所示分別為橫向和斜向主筋板。

圖1 支承件主筋板結(jié)構(gòu)示例

圖2 支承件局部筋板結(jié)構(gòu)示例

1.3.2 截面形狀特征

支承件的變形不僅與截面面積大小有關(guān)，與截面形狀也有很大關(guān)系［12］。在截面面積相等的情況下，不同截面形狀的結(jié)構(gòu)特性有明顯差異，如表4 所示。

表4 支承件截面形狀及其特性

1.3.3 結(jié)合面部位結(jié)構(gòu)特征

支承件結(jié)合面部位的結(jié)構(gòu)可分為螺栓連接部位結(jié)構(gòu)和導(dǎo)軌連接部位結(jié)構(gòu)兩類。

(1)螺栓連接部位結(jié)構(gòu):可采用不同的凸緣連接形式，其結(jié)構(gòu)如表5 所示。

表5 螺栓連接部位結(jié)構(gòu)

(2)導(dǎo)軌連接部位結(jié)構(gòu):導(dǎo)軌部位的結(jié)構(gòu)對支承件的局部剛度有很大影響。支承件主體與導(dǎo)軌連接部位的結(jié)構(gòu)一般有4 種［13］，如表6 所示。

表6 支承件主體與導(dǎo)軌連接部位結(jié)構(gòu)

(續(xù)表)

圖3 所示為臥式車床床鞍和床身的導(dǎo)軌連接部位結(jié)構(gòu)，其中圖3c 中區(qū)域7 所示為單壁連接結(jié)構(gòu);圖3a 中區(qū)域1、2 所示為單壁加筋結(jié)構(gòu);圖3b 中區(qū)域3和圖3c 中區(qū)域5、6 所示為雙臂連接結(jié)構(gòu);圖3b 中區(qū)域4 所示直接附著結(jié)構(gòu)。

圖3 支承件主體與導(dǎo)軌連接部位結(jié)構(gòu)

2 支承件靜態(tài)特性分析

以某臥式斜床身數(shù)控車床為例，分析了其切削工況、支承件的載荷和約束特點，并對各支承件進行了有限元建模和靜態(tài)特性分析。

2.1 切削工況分析

此臥式車床可對直徑400mm 以內(nèi)的軸類零件及直徑630mm 以內(nèi)的盤類零件進行各種車削加工，最大切削長度為1500mm，其工作空間是一個二維的矩形平面區(qū)域，如圖4 所示。

圖4 斜床身車床工作空間示意圖(虛線區(qū)域)

按刀具在工作空間所處位置可分為左、中、右3種切削工況;按工件類型可分為盤類零件的切削加工和軸類零件的切削加工兩種工況。本文中進行有限元靜態(tài)特性分析時選用的切削工況如表7 所示。

表7 有限元分析切削工況

2.2 載荷和約束特點

2.2.1 載荷特點

機床在工作狀態(tài)下會受到各種載荷的作用，它們直接或間接地影響機床工藝系統(tǒng)的剛度，最終影響機床的加工精度。各種載荷最終將通過結(jié)合面?zhèn)鬟f并分配到各個支承件上。本文主要關(guān)注車床的靜剛度，影響它的載荷主要是切削力(靜力部分)、重力和摩擦力。車床中三類支承件受載情況如表8 所示。

表8 車床支承件受載情況

(1)切削力

根據(jù)表7 給出的切削工況，選取切削用量，使用功率法可求得斜床身車床的切削力。切削力計算公式為［14］:

其中，F(xiàn)c、Fp和Ff分別為主切削力、徑向切削力和進給切削力。P 為對應(yīng)切削工況下的切削功率。

(2)結(jié)合面載荷

分別以主軸、套筒和刀塔部件以及主軸箱、尾座、床鞍和滑板部件為分析對象，建立力學(xué)模型。通過求解力學(xué)平衡方程，最終可求得機床坐標(biāo)系下各支承件結(jié)合面處的載荷分配比例、載荷方向和數(shù)值。

2.2.2 約束特點

支承件結(jié)合面在傳遞載荷的同時又構(gòu)成了對支承件的約束。支承件的約束形式取決于支承件結(jié)合面的連接形式。

臥式車床三類支承件的約束形式如表9 所示。其中螺栓連接結(jié)合面可完全約束支承件的六個自由度;滑動導(dǎo)軌連接結(jié)合面約束除滑動方向移動自由度外的其他5 個自由度。

表9 車床支承件約束形式

2.3 建立有限元模型

模型處理:將結(jié)合面因素考慮在內(nèi)，模型為裝配體，包括支承件本身和導(dǎo)軌、絲杠功能部件;在螺栓和滑動導(dǎo)軌結(jié)合面建立接觸對，分析過程中將自動實現(xiàn)載荷和約束的傳遞;螺栓結(jié)合面施加螺栓預(yù)緊力;X 向和Z 向絲杠由彈簧單元模擬。

邊界條件:有限元載荷使用由力學(xué)平衡方程求得的結(jié)合面載荷。主軸箱、尾座、滑板和床鞍約束施加于與之相連的床身導(dǎo)軌下表面;床身約束施加于地基板的下表面。

圖5 所示為ANSYS 中建立的臥式車床切削工況2 下各支承件的有限元模型。

圖5 車床支承件有限元模型

2.4 靜態(tài)特性分析

靜態(tài)特性分析結(jié)果顯示，兩個工況下各支承件的變形趨勢相似，只是數(shù)值大小有所不同。圖6 所示為支承件靜態(tài)特性分析后的總體位移云圖。

圖6 車床支承件靜態(tài)分析位移云圖

通過觀察靜態(tài)分析后三類支承件的位移云圖，可以直觀的得到它們的變形特點，見表10。

表10 臥式車床支承件變形特點

圖7 所示為提取模型節(jié)點位移(或節(jié)點平均位移)后繪制的各支承件靜態(tài)位移曲線，它們更為直觀地反映了各支承件的變形趨勢。曲線的縱軸為節(jié)點位移，橫軸為各支承件的長度，其中床身、主軸箱和尾座為機床坐標(biāo)系Z 向;滑板和床鞍橫軸為機床坐標(biāo)系X 向。

圖7 車床支承件靜態(tài)位移曲線

分析支承件靜態(tài)位移云圖和位移曲線發(fā)現(xiàn):

(1)臥式車床的床身以彎曲變形為主;滑板和床鞍呈整體的傾覆;主軸箱和尾座呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)趨勢。

(2)同種幾何類型的支承件呈現(xiàn)相同或相似的變形趨勢，如板類的滑板和床鞍、箱體類的主軸箱和尾座。

(3)支承件導(dǎo)軌呈現(xiàn)局部的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，是支承件結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

3 結(jié)論

本文針對機床輕量化設(shè)計中的支承件結(jié)構(gòu)特征和靜態(tài)特性進行了分析和研究，得到如下結(jié)論:

按總體幾何尺寸關(guān)系將機床五大支承件劃分為梁類、板類和箱體類三種類型。靜態(tài)特性分析結(jié)果表明:梁、板和箱體三類支承件的變形分別為整體的彎曲、整體的傾覆和整體的扭轉(zhuǎn);相同幾何類型的支承件呈現(xiàn)相同或相似的變形趨勢;導(dǎo)軌部位呈現(xiàn)局部的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，是支承件結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

研究結(jié)果為支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供指導(dǎo)性建議:針對各類支承件的變形特點合理設(shè)置筋板結(jié)構(gòu)和截面形狀，以此提高支承件的整體剛度;注意導(dǎo)軌等結(jié)合面部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以保證支承件的局部剛度。

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