數(shù)控車床主軸箱體結(jié)構(gòu)的有限元靜力分析

馬治軍　寇慶華

1.CAK6150ni數(shù)控車床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

CAK6150ni數(shù)控車床主要由主軸箱、床身、導(dǎo)軌、刀架、拖板以及步進(jìn)電機(jī)部分組成的臥式車床，主軸箱與床身通過螺栓固定，刀架固定在拖板上，大拖板則是帶動(dòng)刀架通過水平直絲杠沿導(dǎo)軌沿著水平方向進(jìn)行左右移動(dòng)，中拖板則是通過步進(jìn)電機(jī)完成前后移動(dòng)從而進(jìn)行切割工件的工作。床身可直接放在地面上，或用地腳螺釘固定地面上。

2.CAK6150ni主軸箱結(jié)構(gòu)的有限元靜力分析

主軸箱直接關(guān)系到傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和電機(jī)。主軸箱的剛度、強(qiáng)度會影響整臺機(jī)床的剛度、強(qiáng)度，除此之外也會改變數(shù)控車床的加工精度。

2.1主軸箱結(jié)構(gòu)有限元建模

（1）實(shí)體模型簡化原則

主軸箱箱體包括箱體和箱蓋兩部分。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可定義為不規(guī)則的空間幾何模型，箱體與箱蓋間通過4個(gè)螺釘連接。在建模時(shí)注意如下因素：

a.不考慮圓角，不考慮箱體上的螺栓孔。

b.設(shè)箱體為理想焊接，在建立有限元模型時(shí)則不考慮。

c.部件之間建模時(shí)用短梁連接進(jìn)行模擬螺栓。

（2）單元的選取以及網(wǎng)格的劃分

a.主軸箱箱體是由四個(gè)厚度不等的側(cè)面以及底面組成的。而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是軸承座與箱體相聯(lián)，因而選用10節(jié)點(diǎn)的三維SOLID92四面體塊單元來進(jìn)行模擬邊界曲面實(shí)體。

b.箱體結(jié)構(gòu)可以說是復(fù)雜的空間板塊結(jié)構(gòu)。因此在進(jìn)行劃分網(wǎng)格的時(shí)候，要避免不同方向的板，要在相交處單元邊以及節(jié)點(diǎn)處保持重合。

c.單元、節(jié)點(diǎn)的編號的選擇。

d.檢測有限元模型，以避免有重合節(jié)點(diǎn)、裂縫以及單元扭曲等。

（3）載荷與邊界條件

根據(jù)金屬切削原理以及刀具中的切削力的公式：

式中：為影響工件材料以及切削條件對切削力的系數(shù)；為影響背吃刀量對切削力的指數(shù)；為影響進(jìn)給量對切削力的指數(shù)；為當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件不同于經(jīng)驗(yàn)公式中的切削條件時(shí)，各種因素與切削力影響的修正系數(shù)的乘積。

在靜力分析時(shí)，主軸箱上的各軸承孔上都要受到軸承的作用力，根據(jù)彈性力可以得到載荷主要是按余弦規(guī)律分布的。加載時(shí)，求得載荷為：

式中：P為總壓力；P（θ）表示在不同角度上的分布載荷；r表示圓柱體半徑；1則表示圓柱體母線長。

2.2計(jì)算結(jié)果以及分析

有限元求解的計(jì)算結(jié)果主要是根據(jù)節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)總變形、單元應(yīng)力偏差等值線圖可知主軸箱的應(yīng)力和位移的分布。求解結(jié)果得到主軸箱總重量是139kg，而實(shí)際總重量是141kg，共減少了1.43%，由于重量接近，說明建模時(shí)簡化結(jié)構(gòu)合理，實(shí)體建模同有限元模型對比具有同樣高的精度。

（1）結(jié)果誤差

從圖2.1可知，大部分區(qū)域的應(yīng)力偏差SDSG值范圍是0-8Mpa，小部分區(qū)域的單元應(yīng)力偏差SDSG值范圍約為13Mpa，表示主軸箱的網(wǎng)絡(luò)劃分具有較好的密度，精確了計(jì)算結(jié)果。根據(jù)分布圖顯示，局部出現(xiàn)應(yīng)力偏差值為24Mpa，造成這種現(xiàn)象的原因是主軸箱和軸承底座相聯(lián)處產(chǎn)生尖角導(dǎo)致應(yīng)力集中的情況。幾何構(gòu)造或者載荷產(chǎn)生的彈性理論計(jì)算應(yīng)力值偏大是應(yīng)力集中的原因。因此，主軸箱箱體結(jié)構(gòu)的限元模型具有高精確度，其結(jié)果可用作分析的依據(jù)。

a.應(yīng)力分析

從圖2.2可知，主軸箱箱體區(qū)域的等效應(yīng)力VonMises值的范圍是0-10.289Mpa，最大值為32.35Mpa，居于箱蓋和箱體的螺釘銜接處。在節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力VonMises最大處的箱蓋與箱體的螺釘銜接處，應(yīng)力稍微集中，應(yīng)力值比材料的強(qiáng)度極限低，應(yīng)力集中與主軸箱箱體的剛度關(guān)系不大。

b.剛度分析

由于在建模時(shí)約束了導(dǎo)軌面及絲杠螺孔，因此在導(dǎo)軌面周圍的變形值相對較小。

結(jié)論

本文根據(jù)箱體和床身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了精確的有限元計(jì)算模型，通過有限元求解得出箱體的應(yīng)力和變形分布圖，并進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。這種建模方法對于分析其它結(jié)構(gòu)具有同樣的實(shí)用價(jià)值。

（作者單位：沈陽機(jī)床股份有限公司沈一車床廠）