基于有限元法的鏜孔專用機(jī)床床身分析

徐協(xié)斌，鄧建春，陳祥

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)制造工藝與裝備工程中心，湖北武漢 430074)

基于有限元法的鏜孔專用機(jī)床床身分析

徐協(xié)斌，鄧建春，陳祥

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)制造工藝與裝備工程中心，湖北武漢 430074)

機(jī)床床身是機(jī)床的核心部件，對(duì)提高機(jī)床本身機(jī)加工精度有著非常重大的意義與影響力。以泵車水箱加工的鏜孔專用機(jī)床為研究對(duì)象，利用Solidworks軟件進(jìn)行床身及相關(guān)零件的三維造型，再把實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。通過不同筋板形式床身的比較，確定合適的筋板布局形式，進(jìn)而對(duì)選定筋板形式的床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，最終確定床身的結(jié)構(gòu)。

組合鏜床;靜動(dòng)態(tài)性能分析;有限元;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

機(jī)床床身主要是承載滑臺(tái)及工件、定位及電氣部件等的主體，就像人的身體一樣，是機(jī)床的主要核心部件，是機(jī)床的其他部件安裝、固定的基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)床的整體性能具有舉足輕重的作用，它的結(jié)構(gòu)尺寸和布局形式，決定了其本身的動(dòng)態(tài)特性。但現(xiàn)在研究的重點(diǎn)一般都放在機(jī)床傳動(dòng)部件的精密度、床身的剛性、刀具材料的選擇和開發(fā)上，機(jī)床床身結(jié)構(gòu)及性能很少作為重點(diǎn)對(duì)象來研究。如果床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或剛度不足，會(huì)引起床身的各種變形和振動(dòng)，從而影響整機(jī)的性能，工件的加工精度自然不會(huì)太高。

床身結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)性能不僅與筋板的結(jié)構(gòu)、布局有關(guān)，也與墊鐵的位置有關(guān)，這些因素互相影響。另一方面，床身是機(jī)床的大件，其質(zhì)量占整機(jī)質(zhì)量的很大一部分，合理地設(shè)計(jì)床身結(jié)構(gòu)，使床身在滿足使用要求的條件下質(zhì)量最小的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可降低機(jī)床生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。以下以某組合鏜床的床身為研究對(duì)象，運(yùn)用Solidworks軟件建立床身及相關(guān)零件的三維模型，再通過ANSYS Workbench軟件進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)特性分析及床身機(jī)構(gòu)的比較與優(yōu)化。

1 床身總體靜力學(xué)分析

組合機(jī)床的整體布局如圖1所示，工件的加工分為初加工和精加工，最后通過測(cè)量頭檢測(cè)，所以床身的受力狀態(tài)是變化的，主要有3個(gè)受力位置，即工件滑臺(tái)在普通鏜頭處(位置1)、補(bǔ)償鏜頭處(位置2)以及測(cè)量頭處 (位置3)。床身通過8個(gè)地腳螺栓與地面固定連接，它在3個(gè)位置均受到整個(gè)工件滑臺(tái)部件以及自身的重力，當(dāng)工件滑臺(tái)處于位置1和位置2處，床身還受到鏜削加工時(shí)切削力的作用。根據(jù)鏜削經(jīng)驗(yàn)公式可得，在位置1處，左邊普通鏜頭的主切削力Fe為300 N，背向力 (切深抗力)Fp和進(jìn)給力(進(jìn)給抗力)Ff均為180 N;右邊普通鏜頭的主切削力為200 N，背向力和進(jìn)給力均為120 N。在位置2處，兩個(gè)鏜頭的主切削力均為60 N，背向力和進(jìn)給力均為36 N。

圖1 組合機(jī)床整體布局圖

通過Solidworks建立床身及相關(guān)零部件的實(shí)體模型，省去一些倒角、倒圓以及小孔等，簡化模型以提高計(jì)算效率;再導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，分別對(duì)3個(gè)主要受力位置進(jìn)行靜力學(xué)分析。給床身底部的8個(gè)地腳螺栓孔施加固定約束，工件滑臺(tái)上施加0.01 MPa的面力，總體施加向上的重力加速度，工件滑臺(tái)在位置1和位置2處還要施加相應(yīng)的切削力?；_(tái)在位置1處的受力變形如圖2所示，它是總體有限元模型的變形圖，從圖中可知，床身的最大變形發(fā)生在端部位置。

圖2 床身總體部件有限元模型的變形圖

工件滑臺(tái)在3個(gè)主要受力位置處時(shí)，床身的最大應(yīng)變及應(yīng)力如表1所示。床身所受的最大應(yīng)力很小，而且隨著工件滑臺(tái)位置的變化，它的變化也很小。床身最大應(yīng)變出現(xiàn)在端部位置，且工件滑臺(tái)處于位置1時(shí)，變形量最小，最大變形量有5.98 μm。

表1 床身總體部件靜力學(xué)分析結(jié)果

2 床身模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)比較

2.1 床身模態(tài)分析

床身模態(tài)分析主要是計(jì)算床身的固有頻率，不需要對(duì)其施加載荷，把單個(gè)的床身模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中，由于床身尺寸過大，為了順利完成有限元計(jì)算并提高其效率，采用粗糙的網(wǎng)格劃分。給底部螺栓孔施加固定約束，提取前6階固有頻率和前4階振型，分別如表2及圖3所示。

表2 模態(tài)分析結(jié)構(gòu)

圖3 1、2、3、4階振型

由分析結(jié)果可知，床身結(jié)構(gòu)低階固有頻率較高，不容易產(chǎn)生共振，但高階固有頻率沒有比低階的大很多。床身結(jié)構(gòu)的抗扭和抗彎能力很強(qiáng)，但是其受載后變形是不均勻的，床身端部的變形量總是比中間部位的大，而且靠近工件滑臺(tái)位置1這端的變形量最大。

2.2 床身結(jié)構(gòu)比較

由于床身的最大變形總是發(fā)生在端部位置，所以僅考慮其兩端結(jié)構(gòu)不同時(shí)，它的變形量和應(yīng)力大小。

床身端部筋板不同時(shí)，它的結(jié)構(gòu)形式有6種，如圖4所示，它們分別為:一條豎筋板、一條橫筋板、兩條斜筋板、兩條橫筋板、兩條豎筋板、一橫一豎兩條筋板。把其分別導(dǎo)入ANSYS Workbench中，施加固定約束和重力加速度，同樣采用粗糙網(wǎng)格劃分模型，計(jì)算各結(jié)構(gòu)形式的變形量及應(yīng)力大小，結(jié)構(gòu)如表3所示。

圖4 不同端部筋板結(jié)構(gòu)形式

表3 不同床身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變大小

從表3中可以看出，各種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都很小，而且差別不大。結(jié)構(gòu)2，亦即床身兩端各只有一條橫筋板時(shí)，床身的變形量最小，說明床身的變形不僅與筋板的結(jié)構(gòu)和布置形式有關(guān)，還與總體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。文中采用結(jié)構(gòu)2所示的床身結(jié)構(gòu)。

3 床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以下主要對(duì)床身中間部位的筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在Solidworks中建立三維模型。與筋板厚度參數(shù)有關(guān)的草圖或特征名稱需要改為不含中文和空格的名字，參數(shù)也需要以ds為前綴，如:ds_001。保存文件之后，把模型導(dǎo)入到Workbench中，然后進(jìn)行靜力分析，得到最大變形量和最大應(yīng)力，因?yàn)楦鞣N床身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都很小，所以只把應(yīng)變?cè)O(shè)為優(yōu)化分析的輸出參數(shù)。把Solidworks中設(shè)置的筋板厚度參數(shù)設(shè)為輸入?yún)?shù)，有中間部分筋板厚度參數(shù)ds_01及兩邊筋板厚度參數(shù)ds_02兩個(gè)，而且它們?cè)贾稻鶠?5 mm，最后設(shè)置參數(shù)邊界，下邊界設(shè)為10 mm，上邊界設(shè)為20 mm。設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，更新設(shè)計(jì)點(diǎn)，得到優(yōu)化目標(biāo)(變形量)與兩個(gè)優(yōu)化參數(shù) (筋板厚度)間的三維響應(yīng)曲面，如圖5所示，圖中x、y坐標(biāo)分別為優(yōu)化參數(shù)ds_01和ds_02，z坐標(biāo)為床身變形量。

最后得到優(yōu)化后的輸入?yún)?shù)為:ds_01為19.997 mm，ds_02為11.91 mm，床身優(yōu)化前后的質(zhì)量、基頻頻率以及變形量的比較如表4所示。

從表4中可知，床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，它的質(zhì)量有微量的減少，可以忽略不計(jì);它的基頻頻率減少的比率也只有0.47%，對(duì)床身動(dòng)態(tài)性能影響不大;但優(yōu)化后的床身變形量減少了將近2%，這使機(jī)床的加工精度能夠有一定的提高。

圖5 優(yōu)化參數(shù)響應(yīng)曲面

表4 優(yōu)化前后床身結(jié)構(gòu)性能比較

4 結(jié)束語

機(jī)床床身是機(jī)床上其他部件安裝、固定的基礎(chǔ)，是機(jī)床的核心部件，對(duì)提高機(jī)床本身機(jī)加工精度有重要的意義。為了排屑方便以及減輕整體質(zhì)量，床身結(jié)構(gòu)一般由主體框架和加強(qiáng)筋組成。床身的變形不僅與筋板的結(jié)構(gòu)和布置形式有關(guān)，還與總體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。盲目增加筋板數(shù)量及厚度并不一定能提高床身的機(jī)械性能，反而會(huì)增加成本，所以需要通過有限元法對(duì)其進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析和優(yōu)化計(jì)算來確定它的合理結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)。

［1］朱祥，寸花英，李坤，等.大型落地式鏜銑床TKS6916整機(jī)有限元分析［J］.機(jī)床與液壓，2013，41(1):124－127.

［2］陳葉林，丁曉紅，郭春星，等.機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27(8):65－68.

［3］FU W P，HUANG Y M，ZHANG G P.Experimental investigation on Damping Behavior of Normal Joint Surfaces at U-nit Area［J］.Modeling，Measurement and Control，1993，B51(5):13－20.

［4］ABELE E，ALTINTAS Y，BRECHER C.Machine tool spindle units［J］.Annals of CIRP，2010，59:781－802.

［5］劉啟偉，王海濱，朱春雨.數(shù)控機(jī)床靜剛度有限元分析［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012(4):71－75.

［6］浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.

［7］陳超祥，葉修梓.Solidworks高級(jí)教程簡編［M］.北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［8］何成浩，尹志宏.基于有限元分析的機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(23):5743－5747.

［9］楊曼云.基于有限元分析技術(shù)的VK50數(shù)控床身銑機(jī)床底座設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(1):62－65.

Analysis of Dedicated Machine Tool Body for Boring Based on Finite Element Method

XU Xiebin，DENG Jianchun，CHEN Xiang
(Center of Advanced Manufacturing and Equipment Engineering，School of Mechanical Science＆Engineering，Huazhong University of Science＆Technology，Wuhan Hubei 430074，China)

The machine tool body is the core components of machine tool，and has a great significance and influence to improve the machining accuracy of machine tool.By taking a research object of the dedicated boring machine tool for the water tanks processing of pump truck，the three dimensional(3D)model of machine tool body and related parts were built by Solidworks software，then the entity models were imported into ANSYS Workbench for statics and dynamics analysis.By comparison of the machine tool body with different ribs form，the appropriate form of ribs layout was determined.Thus the structure optimized analysis of machine tool body with selected the ribs form is done，and the structure of machine tool body is determined ultimately.

Combined boring machine tool;Static and dynamic performance analysis;Finite element;Structural optimization

TG65;TB121

A

1001－3881(2014)9－127－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.035

2013－04－24

國家科技支撐項(xiàng)目 (02－07－100011)

徐協(xié)斌 (1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻M合機(jī)床設(shè)計(jì)及分析。E－mail:xuxiebin522@163.com。通訊作者:鄧建春，E－mail:jianchundengcom@yahoo.cn。