落地鏜銑加工中心滑枕變形分析*

武 鋒 ,王傳洋 ,劉新寧 ,余志斌

(1.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215021； 2.蘇州江源精密機(jī)械有限公司,江蘇 蘇州 215143)

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落地鏜銑加工中心滑枕變形分析*

武 鋒1,王傳洋1,劉新寧2,余志斌2

(1.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215021； 2.蘇州江源精密機(jī)械有限公司,江蘇 蘇州 215143)

應(yīng)用ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)大型落地鏜銑加工中心滑枕在自重條件的撓曲變形進(jìn)行分析，得到滑枕的變形量與滑枕伸長(zhǎng)量的變化之間的關(guān)系，得到了滑枕伸長(zhǎng)量與拉桿補(bǔ)償力之間的關(guān)系，為該型鏜銑床的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

滑枕；撓曲變形；ANSYS Workbench；補(bǔ)償

0 引言

TH6920落地鏜銑加工中心是蘇州江源精密機(jī)械有限公司與國(guó)外合作共同研發(fā)的一款機(jī)床。該落地鏜銑加工中心最適于加工較大型復(fù)雜零件，可加工零件上各種面、復(fù)雜孔系、臺(tái)階、復(fù)雜圖形或三維曲面等。加工的零件具有高精、高效、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。該落地鏜銑加工中心是立柱固定結(jié)合在滑座上并可以隨滑座在床身上移動(dòng)，主軸箱沿著立柱上下移動(dòng)，滑枕安裝在主軸箱封閉式結(jié)構(gòu)的方孔內(nèi)，并在方孔內(nèi)做伸縮移動(dòng)，銑軸固定在滑枕內(nèi)部，鏜軸在銑軸內(nèi)運(yùn)動(dòng)。其中滑枕最大行程1200mm ，可在一次裝夾工件中，完成各種銑、鏜加工與平面、曲面加工，是重型機(jī)械、交通、礦山、能源、水輪機(jī)、汽輪機(jī)、船舶、鋼鐵、軍工等工業(yè)部門(mén)必不可少的新型加工設(shè)備。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)不可能是完全剛性的，當(dāng)滑枕伸出較長(zhǎng)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生撓曲變形[1-2]。本文主要分析滑枕在自重及主軸組件的作用下產(chǎn)生的變形和對(duì)此變形的補(bǔ)償措施及解決方案。

1 滑枕變形分析

1.1 三維模型的建立

本文采用Solid Edge ST2 軟件進(jìn)行三維建模，滑枕外形尺寸為460mm×510mm×3790mm，由于模型上螺紋孔、倒角、圓角等對(duì)滑枕有限元分析影響較小但又會(huì)耗費(fèi)大量計(jì)算機(jī)資源，根據(jù)圣維南原理，對(duì)這些局部特征進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化后的模型見(jiàn)圖1所示。將模型通過(guò)Solid Edge ST2 與ANSYS Workbench的無(wú)縫接口導(dǎo)入軟件[3]。

圖1 滑枕三維模型

1.2 材料屬性設(shè)置及網(wǎng)格劃分

滑枕采用樹(shù)脂砂造型的高強(qiáng)度QT600-3優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵件，其拉伸彈性模量E=174GPa，泊松比γ=0.275，密度ρ=7200kg/m3[4]。

ANSYSWorkbench軟件提供多種網(wǎng)格劃分方法，本次分析采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能劃分模型，指定網(wǎng)格單元大小為50mm，得到的模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為74021個(gè)，單元數(shù)為40339個(gè)，劃分后的模型如圖2所示。

圖2 劃分網(wǎng)格后的模型

圖3 行程最大時(shí)滑枕變形云圖

1.3 載荷和約束

滑枕所受的載荷主要來(lái)自自身和內(nèi)部裝配的主軸組件的重量，通過(guò)計(jì)算主軸組件重量，將此重量根據(jù)實(shí)際情況均勻的施加在滑枕內(nèi)部承重面積上[5]。滑枕是裝配在主軸箱內(nèi)的，通過(guò)靜壓導(dǎo)軌在主軸箱橫向運(yùn)動(dòng)，因此采用全約束約束滑枕的自由度?；碜灾谿由加載在-Z軸方向的標(biāo)準(zhǔn)重力加速度確定。

1.4 滑枕變形分析結(jié)果

在滑枕伸出量0～1200mm范圍內(nèi)，每間隔100mm，總共選取12個(gè)位置進(jìn)行分析，得到滑枕變形的最大位移結(jié)果如下表1所示。當(dāng)滑枕伸出量最大為1200mm時(shí)滑枕變形云圖如圖3所示。

表1 滑枕變形量

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)滑枕伸出量為100～700mm范圍內(nèi)時(shí),滑枕變形量比較小。當(dāng)滑枕伸出量為最大1200mm時(shí)，此時(shí)滑枕的最大綜合變形為19.626μm，其中Z向變形為19.204μm，Y向變形為4.118μm，X向變形為0.805μm。從表中數(shù)據(jù)分布可以看出，隨著滑枕伸出量的變化，X向的變形不大，滑枕綜合變形、Z向和Y向變形發(fā)生較大變化，滑枕的綜合變形與Z向變形很接近，這與滑枕受在自重條件相符合。

多項(xiàng)式最小二乘法數(shù)據(jù)擬合是在整體上給出數(shù)據(jù)點(diǎn)的最好近似，它使得曲線(xiàn)擬合誤差的平方和最小，使用Matlab函數(shù)P=polyfit(x,y,n)，其中P為函數(shù)的輸出矩陣，P=[a0a1…an]代表多項(xiàng)式a0xn+a1xn-1+…+an-1x+an的系數(shù)向量，n是多項(xiàng)式的階數(shù)，x、y是數(shù)據(jù)點(diǎn)向量[6]。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，采用三次多項(xiàng)式最小二乘法擬合得到滑枕在自重下的最大綜合變形量y(μm)與滑枕伸出量x(mm)的函數(shù)關(guān)系式為:

y=1×10-8x3+4.63×10-6x2-0.0049x+0.9874

Z向變形量y(μm)與滑枕伸出量x(mm)的函數(shù)關(guān)系式為

y=1×10-8x3+3.96×10-6x2-0.0045x+0.9438

Y向變形量y(μm)與滑枕伸出量x(mm)的函數(shù)關(guān)系式為

y=1×10-9x3+2.82×10-6x2-0.0016x+0.207

X向變形量y(μm)與滑枕伸出量x(mm)的函數(shù)關(guān)系式為

y=8×10-10x3-5.35×10-7x23.28×10-5x+0.1218

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)得到滑枕在自重下的最大綜合變形、Z向變形、Y向變形和X向變形隨伸出量變化的曲線(xiàn)圖如圖4所示。

圖4 滑枕各方向變形量與伸長(zhǎng)量的關(guān)系

從圖4可以明顯看出，在滑枕伸長(zhǎng)100～700mm內(nèi)滑枕總變形量比較小，X,Y,Z方向上的變形量和總變形量相差不大；當(dāng)滑枕伸長(zhǎng)700mm以后總變形量曲線(xiàn)曲率變化增大，且總變形量的變化主要以Z方向的變形為主要因素，這也符合滑枕變形主要是由其自重所引起的這一條件。

2 撓曲變形補(bǔ)償方法及分析

滑枕變形是由于自重而引起的撓曲變形問(wèn)題，因此采用加載反向力來(lái)補(bǔ)償由重力引起的變形[7]。通過(guò)在滑枕內(nèi)部安裝拉桿對(duì)變形補(bǔ)償，在滑枕的上端對(duì)稱(chēng)安裝兩個(gè)拉桿，拉桿前端連接拉套，拉桿后端通過(guò)鎖緊螺母連接液壓油缸，通過(guò)伺服電液比例閥控制液壓缸的壓力大小，從而改變拉桿拉力的大小，來(lái)補(bǔ)償滑枕的撓曲變形。由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，滑枕伸長(zhǎng)量在700mm以?xún)?nèi)時(shí)，滑枕變形量較小，不需要補(bǔ)償，所以將拉套的位置安裝于距離滑枕懸伸端600mm～700mm之間的位置，實(shí)際安裝在離滑枕端部627mm處，安裝示意圖如圖5，這樣即減小了補(bǔ)償范圍，又為附件頭拉爪等部件的安裝預(yù)留了空間。

圖5 補(bǔ)償機(jī)構(gòu)安裝示意圖

滑枕?yè)锨冃问怯捎诨碜灾?、主軸組件及其他附件的重力作用而產(chǎn)生的彎曲變形。因此我們將滑枕的重力載荷簡(jiǎn)化為均布載荷q；主軸組件及其他附件對(duì)滑枕的作用力是通過(guò)與滑枕裝配的軸承來(lái)施加的，第二組軸承距滑枕懸伸端端面的距離為1420mm，滑枕的最大行程為1200mm，因此只需考慮第一組軸承對(duì)滑枕變形產(chǎn)生的作用力F0，根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)則滑枕的受力可簡(jiǎn)化為圖6a所示的情況[8]。

圖6 滑枕受力簡(jiǎn)圖

采用拉桿補(bǔ)償后，滑枕受力情況如圖6b所示，其中F1和F2為拉桿補(bǔ)償力，且F1=F2，h為拉桿作用點(diǎn)距中性層(水平)的距離。對(duì)中性層產(chǎn)生的彎矩為M。利用材料力學(xué)梁的彈性彎曲經(jīng)驗(yàn)公式，已知變形反求彎曲力矩M。為了保證滑枕懸伸端端面撓度為零，則須拉桿產(chǎn)生的撓度與滑枕自重產(chǎn)生的撓度大小相等。即

(1)

其中：E—滑枕材料彈性模量；

I—滑枕截面慣性矩；

l—滑枕伸長(zhǎng)距離。

由于兩個(gè)拉桿上的補(bǔ)償力相等，設(shè)F=F1=F2，因此可以將上式中M表示為

M=2Fh

(2)

由式(1)和式(2)可得

(3)

其中：F0、q和h均為已知量(F0=11kN，q=7kN/m，h=190mm)，由(3)式可以求得滑枕伸出量從800mm開(kāi)始拉桿所需提供的補(bǔ)償力，然后將計(jì)算值添加到ANSYS Workbench中進(jìn)行分析，求出變形量，對(duì)補(bǔ)償力進(jìn)行合理的修改，以使滑枕端部變形量滿(mǎn)足機(jī)床要求?；砩斐隽繌?00mm開(kāi)始，每增加100mm計(jì)算一次，將得到的修正數(shù)據(jù)列于表2中。當(dāng)滑枕在最大行程時(shí)施加補(bǔ)償力后的變形云圖如圖7所示。

圖7 滑枕最大行程時(shí)施加補(bǔ)償力后的變形云圖

滑枕伸出量(mm)800900100011001200補(bǔ)償力(kN)18．021．024．028．032．0

對(duì)表2中數(shù)據(jù)做多項(xiàng)式最小二乘法擬合，此方法能夠使曲線(xiàn)擬合誤差的平方和最小。采用三次多項(xiàng)式最小二乘法擬合得到拉桿補(bǔ)償力F(kN)與滑枕伸出量l(m)的函數(shù)關(guān)系式為

F=-2.6373×10-13l3+21.429l2-78.571l+10.6

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)利用以上方法得到的補(bǔ)償力與滑枕伸出量的關(guān)系曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 拉桿的補(bǔ)償力與滑枕伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線(xiàn)

從圖8可以看出，拉桿補(bǔ)償力與滑枕伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線(xiàn)近似呈線(xiàn)性變化，補(bǔ)償力變化平穩(wěn)，能夠在實(shí)際生產(chǎn)中很好實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)滑枕?yè)锨邢拊治?，得出滑枕?yè)锨冃沃饕荶向變形為主要因素，得到了滑枕在最大行程時(shí)的最大變形量為19.626μm，經(jīng)過(guò)加載補(bǔ)償力后將最大變形量在10μm以?xún)?nèi)。

(2)大型鏜銑數(shù)控機(jī)床滑枕伸出時(shí)由于自重而導(dǎo)致的撓曲變形嚴(yán)重影響了機(jī)床的加工精度，同時(shí)又給產(chǎn)品的性能帶來(lái)很大影響。本文主要利用ANSYSWorkbench有限元軟件對(duì)滑枕的撓曲變形誤差進(jìn)行分析，計(jì)算得到了拉桿補(bǔ)償力與滑枕伸出量的曲線(xiàn)關(guān)系，通過(guò)此方法能夠?qū)⒆冃瘟靠刂圃诤侠淼姆秶鷥?nèi)，已達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)通過(guò)有限元分析的方法可以減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段的實(shí)驗(yàn)工作，提高了公司產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，為后續(xù)工作提供理論支持。

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(編輯 李秀敏)

Floor Type Boring and Milling Machining Center Ram Deformation Analysis

WU Feng1, WANG Chuan-yang1,LIU Xin-ning2,YU Zhi-bin2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Soochow University, Suzhou Jiangsu 215021，China;2.Suzhou Jiangyuan Precision Machinery CO.,LTD, Suzhou Jiangsu 215143，China)

The application of ANSYS finite element analysis software Workbench for large boring and milling machining center ram deflection in gravity condition deformation analysis, the relationship between change of volume deformation and elongation of the ram were found, and the relationship between the ram elongation and compensation force was obtained. It provides a theoretical basis for further experimental research of this type of boring and milling machine.

ram；flexure deformation；ANSYS workbench；compensation

1001-2265(2014)01-0136-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.038

2013-04-27

科技部國(guó)際交流與合作項(xiàng)目(2010DFB 70760)；江蘇省科技支撐(工業(yè))項(xiàng)目(BE2011076)

武鋒(1989—)，男，安徽亳州人，蘇州大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程，(E-mail)zlxt217@163.com。

TH165;TG535

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