基于靜力學(xué)分析的精密磨拋機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)及優(yōu)化*

朱海劍

(常州貝斯塔德機(jī)械股份有限公司，江蘇常州 213023)

0 引言

機(jī)架在磨拋機(jī)工作過(guò)程中主要起到上盤(pán)組件、下盤(pán)組件的固定與支撐作用。在上盤(pán)對(duì)下盤(pán)施壓的過(guò)程中，機(jī)架容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，機(jī)架的強(qiáng)度與剛度直接影響機(jī)器磨拋的精度。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須能預(yù)測(cè)并合理控制機(jī)架的強(qiáng)度和剛度。

在機(jī)架的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks設(shè)計(jì)三維模型，再導(dǎo)入到模擬仿真軟件ANSYSWorkbench中對(duì)機(jī)架進(jìn)行有限元分析，從而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，保證機(jī)架結(jié)構(gòu)的可靠性，為進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

1 機(jī)架三維模型的設(shè)計(jì)及有限元分析

1.1 三維模型的建立

設(shè)計(jì)完成后的磨拋機(jī)工作總圖如圖1，機(jī)架模型采用三維軟件SolidWorks建模，由于下盤(pán)組件的重量與上盤(pán)對(duì)下盤(pán)組件的壓力相比，對(duì)機(jī)架變形有顯著的影響，因此，模型中包含了下盤(pán)組件，為了分析方便，模型中去除了倒角、圓角、螺栓孔等對(duì)計(jì)算結(jié)果僅有細(xì)微影響的特征，如圖2，再轉(zhuǎn)化為 (*.x_t)格式［1］導(dǎo)入到ANSYSWorkbench中進(jìn)行分析。

1.2 定義材料屬性

機(jī)架材料選用Q235，在ANSYSWorkbench材料庫(kù)EngineeringData中選用 Structural Steel，其具體性能參數(shù)見(jiàn)表 1［2］。

圖1 磨拋機(jī)工作總圖

圖2 機(jī)架模型

表1 機(jī)架材料性能參數(shù)

1.3 定義接觸類(lèi)型

磨拋機(jī)3個(gè)機(jī)架分體間連接方式為12個(gè)M20的螺栓連接，連接面間有較大的摩擦阻力，可以直接假設(shè)此連接為剛性連接［3］，機(jī)架分體間相互滲透，不

考慮接合面和螺栓接觸面的變形，contacts(接觸)類(lèi)型選用系統(tǒng)默認(rèn)類(lèi)型Bonded。

1.4 劃分網(wǎng)格

設(shè)定Element Size(單元大小)為30 mm，有限元網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)350 246，單元數(shù)179 436，結(jié)果如圖3。

1.5 施加約束和載荷

磨拋機(jī)機(jī)架固定放置在地面，不能有位移，約束形式選擇Fixed Support(固定約束)，施加面為機(jī)架分體3下部與地面的接觸面。磨拋機(jī)包含4個(gè)上盤(pán)組件、1個(gè)下盤(pán)組件，工作過(guò)程中，4個(gè)上盤(pán)組件可以單獨(dú)工作，對(duì)下盤(pán)組件施壓，也可以共同工作［4］。本文分析4個(gè)上盤(pán)共同工作時(shí)的極限狀態(tài)，每個(gè)上盤(pán)對(duì)下盤(pán)有最大1 500 N的壓力，每個(gè)上盤(pán)施加壓力時(shí)對(duì)機(jī)架分體2有最大750 N+750 N的反作用力，并定義機(jī)架及下盤(pán)的自重 Standard Earth Gravity:9806.6 mm/s2，如圖 4。

圖3 網(wǎng)絡(luò)劃分

圖4 施加約束與載荷

1.6 模型求解及結(jié)果分析

求解后，機(jī)架應(yīng)力分布云圖，如圖5，應(yīng)力較大位置主要集中在在機(jī)架分體2上上盤(pán)組件固定部位、機(jī)架分體3上下盤(pán)組件固定部位及兩側(cè)支撐柱上，最大應(yīng)力處為機(jī)架分體2上工字鋼加強(qiáng)筋的端部，大小為6.6496 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。變形分布云圖，如圖6，變形較大位置主要集中在機(jī)架分體2上上盤(pán)組件固定部位，最大變形0.027 618 mm，滿(mǎn)足剛度要求。

圖5 應(yīng)力分布云圖

圖6 變形分布云圖

2 改進(jìn)優(yōu)化

由圖6變形分布云圖可見(jiàn)，相比機(jī)架其他部位，機(jī)架分體2固定上盤(pán)組件部位變形較大，可針對(duì)此部位進(jìn)行局部加強(qiáng)，在機(jī)架分體2上工字鋼側(cè)部和端部各添加一塊16 mm筋板，改進(jìn)后模型如圖7。經(jīng)過(guò)前面分析步驟，得到改進(jìn)后模型的應(yīng)力分布云圖和變形分布云圖，見(jiàn)圖8和圖9。由圖8、圖9對(duì)比圖5、圖6可以得出如下結(jié)論。

(1)機(jī)架應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在圖8中機(jī)架分體3的筋板上，應(yīng)力最大值由原先的6.6496 MPa變?yōu)楦倪M(jìn)后的 3.6829 MPa。

(2)機(jī)架變形最大位置依然集中在圖9中機(jī)架分體2上，但變形最大值由原先的0.276 18 mm變?yōu)楦倪M(jìn)后的0.011 627 mm。

圖7 改進(jìn)后模型

圖8 改進(jìn)后模型應(yīng)力分

圖9 改進(jìn)后模型變形分布云

3 結(jié)語(yǔ)

主要設(shè)計(jì)了新型精密磨拋機(jī)機(jī)架，并計(jì)算分析磨拋機(jī)機(jī)架在靜態(tài)極限工作狀態(tài)下的受力、變形情況，校核設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期效果和設(shè)計(jì)要求，通過(guò)有限元分析結(jié)果，直觀的觀察到磨拋機(jī)機(jī)架在極限工作載荷下的強(qiáng)度、剛度的強(qiáng)弱分布，通過(guò)針對(duì)性的局部加強(qiáng)，使設(shè)計(jì)更加成熟，機(jī)架的強(qiáng)度、剛度得到了明顯改善，進(jìn)一步保證了磨拋機(jī)的工作穩(wěn)定性，使磨拋機(jī)的工作性能有了新的提升。

［1］ 黃志新，劉成柱.ANSYSWorkbench 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)［M］.北京:人民郵電出版社，2013.

［2］ 曾正明.機(jī)械工程材料手冊(cè)-金屬材料［M］.第7版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］ 張洪武.有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［4］ 李 冰，郭 霞，劉 瑩，等.藍(lán)寶石基LED外延片背減薄與拋光工藝研究［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2005(6):12-15.