基于有限元方法的立式加工中心主軸箱結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

潘石群茅亮亮陳 攀（.貴陽市環(huán)境衛(wèi)生管理中心，貴州 貴陽 550000；.寧波海天精工股份有限公司，浙江 寧波 35000）

基于有限元方法的立式加工中心主軸箱結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

潘石群1茅亮亮2陳 攀2
（1.貴陽市環(huán)境衛(wèi)生管理中心，貴州 貴陽 550000；2.寧波海天精工股份有限公司，浙江 寧波 315000）

摘 要：本文以VMC1000L立式加工中心主軸箱為例，運(yùn)用有限元方法和ANSYS軟件，從機(jī)理研究入手對主軸箱進(jìn)行仿真分析，通過分析結(jié)果找出零件的薄弱環(huán)節(jié)，并結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求對零件的薄弱位置進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，最終獲得最大變形減小9.1%，且前四階模態(tài)固有頻率均有改善的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，在實(shí)現(xiàn)零件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)的同時，也為類似零件的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了相應(yīng)的理論依據(jù)和技術(shù)途徑段。

關(guān)鍵詞：立式加工中心主軸箱；有限元方法；結(jié)構(gòu)分析；設(shè)計(jì)改進(jìn)

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)值模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用到土木、機(jī)械、電子等諸多領(lǐng)域，并對這些領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。有限元方法是數(shù)值計(jì)算方法中的一種，自1943年Courant首先嘗試用定義在三角形區(qū)域的分片連續(xù)函數(shù)和最小勢能原理求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問題以來，如今有限元方法已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、優(yōu)化的重要參考依據(jù)之一，對縮短現(xiàn)新產(chǎn)品的研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。

主軸箱是立式加工中心的關(guān)鍵零部件之一（本文以VMC1000L立式加工中心的主軸箱為例，該主軸箱簡化三維實(shí)體模型如圖1所示），主要起安裝、支承主軸系統(tǒng)的作用，其靜動態(tài)性能直接影響到機(jī)床的加工精度、精度穩(wěn)定性和抗振性。鑒于在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中主軸箱受重力和切削力的影響，導(dǎo)致其各部分發(fā)生變形，從而會在一定程度上降低機(jī)床整機(jī)的剛性和加工精度，并影響到機(jī)床整機(jī)的靜動態(tài)性能。因此，本文運(yùn)用有限元方法和ANSYS軟件，從機(jī)理研究入手對主軸箱進(jìn)行仿真分析，通過分析結(jié)果找出零件的薄弱環(huán)節(jié)，并結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求對零件的薄弱位置進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)主軸箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并為穩(wěn)定、提升機(jī)床整機(jī)的動靜態(tài)性能提供保障。

2 靜力結(jié)構(gòu)分析

對立式加工中心主軸箱的靜力學(xué)分析，主要是求解重力、 切削力等靜力載荷下引起的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)變，即通過在ANSYS Workbench軟件中對該主軸箱的三維實(shí)體模型進(jìn)行仿真分析來求解穩(wěn)定外載荷（固定載荷和約束）所引起的系統(tǒng)或零部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和作用力。經(jīng)分析，主軸箱的應(yīng)力和變形分布云圖如圖2所示（材料為HT250，各向同性、介質(zhì)均勻；密度為7300kg/ m3，彈性模量1.3e11Pa；泊松比0.25；采用自動生成默認(rèn)網(wǎng)格的方式將網(wǎng)格劃分為10節(jié)點(diǎn)的四面體單元solid187和20節(jié)點(diǎn)的六面體單元solid186）。

從應(yīng)力分布云圖可見，該主軸箱最大應(yīng)力集中點(diǎn)位于主軸箱背面與線軌滑塊連接的螺栓孔處，最大應(yīng)力為4.13MPa（圖2應(yīng)力分布云圖中的紅色位置）；其余的應(yīng)力主要集中在主軸箱兩側(cè)面皮帶觀察孔和主軸箱下底面與斜面型體輪廓銜接處等位置。

從變形分布云圖可見，該主軸箱的最大變形位于箱體右前方兩加強(qiáng)筋的端頭位置，最大變形量為0.0132mm（圖2變形分布云圖中的中紅色位置），變形方式為向下彎曲，主要是受箱體自身重量、主軸機(jī)構(gòu)附屬零件的折算重力、主軸重量和結(jié)構(gòu)形式（頭部凸出）等的影響，會降低整機(jī)的靜態(tài)性能（如主軸軸線和機(jī)床坐標(biāo)Z軸線運(yùn)動間的平行度，主軸錐孔的徑向跳動等）和零件的加工、裝配效率，需要對主軸箱的筋腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要是通過研究結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性，從而得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，以避免在實(shí)際工況中因共振因素造成結(jié)構(gòu)的損壞 。經(jīng)分析，該立式加工中心主軸箱一至四階模態(tài)的固有頻率分別為269.11Hz（箱體頭部沿X方向左右擺動）、306.32Hz（箱體頭部沿Y方向上下擺動）、547.24Hz（箱體頭部繞Z軸扭轉(zhuǎn)）、818.4Hz（頭部右側(cè)兩筋板沿Y方向?qū)巧舷侣N動），對應(yīng)的振型圖如圖3所示。

從一到四階振型圖可見，該主軸箱的端頭部分振動最大（圖3一階振型圖中紅色位置），主軸箱箱體與頭部型腔銜接處（圖3一階振型圖中藍(lán)色與青色相連接的顏色漸變位置）、皮帶觀察口（圖3二階振型圖中的大方孔）等為薄弱環(huán)節(jié)，振型主要表現(xiàn)為頭部的擺動和扭轉(zhuǎn)，主要是箱體懸臂梁結(jié)構(gòu)和內(nèi)腔“井”字型布筋、皮帶觀察孔過大導(dǎo)致主軸箱局部剛性不足等因素造成的。

同時，雖然該主軸箱自身的一階模態(tài)的固有頻率有269.11Hz，但是由于它靠近振源（主軸、主電機(jī)），所以仍需對其薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)改進(jìn)，以進(jìn)一步提高機(jī)床的剛性。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

結(jié)構(gòu)改進(jìn)包括很多方面，若構(gòu)件本身的形狀允許改變，可以選擇構(gòu)件的最好形狀；若幾何形狀已定，可以通過優(yōu)化尋找最合適的結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)該立式加工中心主軸箱結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和模態(tài)分析的結(jié)論，以不改變主軸箱與其周邊零部件的接口尺寸為原則，將原始主軸箱上的“方形”皮帶觀察口由大方孔改為較小的圓孔，并在箱體頭部的內(nèi)腔兩側(cè)各增加一組“太陽”筋，在箱體根部的內(nèi)腔兩側(cè)各增加一組“交叉筋”，設(shè)計(jì)改進(jìn)后的主軸箱結(jié)構(gòu)如圖4所示。

經(jīng)分析，改進(jìn)后的立式加工中心新主軸箱的最大應(yīng)力為5.208MPa（最大應(yīng)力集中點(diǎn)的位置均與舊主軸箱一致），最大變形為0.0120mm（最大變形的位置和方向均與舊主軸箱一致），應(yīng)力和變形分布云圖如圖5所示。改進(jìn)后的新主軸箱一至四階模態(tài)的固有頻率分別為290.27Hz（箱體頭部沿X方向左右擺動）、318.92Hz（箱體頭部沿Y方向上下擺動）、575.21Hz（箱體頭部繞Z軸扭轉(zhuǎn)）、841.12Hz（頭部右側(cè)兩筋板沿Y方向?qū)巧舷侣N動），其對應(yīng)振型圖如圖6所示。

綜上，雖然經(jīng)設(shè)計(jì)改進(jìn)后的立式加工中心新主軸箱較之舊主軸箱最大應(yīng)力值略有增大（數(shù)值增大26.1%，但仍遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力），但是在抗彎曲變形的能力（最大變形減小9.1%）和前四階模態(tài)固有頻率上均有提升，設(shè)計(jì)改進(jìn)的效果明顯。

結(jié)語

本文在對立式加工中心主軸箱結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)課題的研究工作中，主要取得了如下成果：

（1）運(yùn)用有限元方法和ANSYS Workbench軟件，以VMC1000L立式加工中心主軸箱為例，對該機(jī)床的主軸箱進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果明確零件的薄弱環(huán)節(jié)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方向。

（2）根據(jù)仿真分析結(jié)論，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求對零件進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，從而建立了主軸箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的新模型。

（3）通過對結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的新主軸箱進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)的正確性，為類似零件的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了有效的方法和手段。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣素清.立式銑削加工中心結(jié)構(gòu)靜動態(tài)分析[J].長沙大學(xué)學(xué)報(bào)， 2008，22（02）：21-23.

中圖分類號：TG515

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：潘石群（1984年1月—），男，侗族，籍貫：貴州天柱，寧波大學(xué)在職研究生，機(jī)械工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電測控。