基于Simulation 的臥式加工中心底座優(yōu)化設(shè)計(jì)及工藝改進(jìn)＊

王建軍 張小葉 張文帥 楊紅軍 穆龍濤

（①陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000；②航天推進(jìn)技術(shù)研究院，陜西 西安 710000；③寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721000；④咸陽市高端數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件工程技術(shù)研究中心，陜西 咸陽 712000）

臥式加工中心廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工和機(jī)械行業(yè)各種精密零件的銑削加工，尤其適合箱體類零件的多面加工，工件一次裝夾能完成復(fù)雜多面體的銑、鉆、擴(kuò)、鏜、攻及锪等加工工序。與立式加工中心比較，臥式加工中心因結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)具有顯著的高加工精度、高加工效率、排屑流暢等優(yōu)勢(shì)。加工精度高是臥式加工中心設(shè)備的顯著優(yōu)勢(shì)，從設(shè)備研發(fā)制造角度，要達(dá)到臥式加工中心整機(jī)的高精度，機(jī)床支承件足夠的剛度是其自身制造精度及機(jī)床整機(jī)精度的關(guān)鍵，因此臥式加工中心的底座、立柱等關(guān)鍵支承件都采用了高剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]，同時(shí)在剛性一定的條件下，通過有限元分析來提高支承件加工制造工藝水平，能有效提高支承件的加工精度與效率，從而提高裝配效率和整機(jī)的精度水平[2]。

1 問題的引出

臥式加工中心是寶雞機(jī)床近年來研發(fā)的新產(chǎn)品，目前現(xiàn)有500、630、800 臥式加工中心系列產(chǎn)品。800 規(guī)格產(chǎn)品是最新產(chǎn)品，產(chǎn)品處于試制階段。在試制過程中，該規(guī)格機(jī)型底座在大隈龍門加工中心被精加工后，轉(zhuǎn)運(yùn)至裝配車間裝配時(shí)，整體式底座調(diào)整導(dǎo)軌水平，通過調(diào)整地腳支撐螺釘，底座導(dǎo)軌安裝面直線度及平行度無法達(dá)到設(shè)計(jì)與工藝要求，且與設(shè)計(jì)要求存在較大差距，需要重新精加工返修才能繼續(xù)裝配。因筆者公司內(nèi)部其他臥式加工中心產(chǎn)品未出現(xiàn)類似問題，加之該產(chǎn)品內(nèi)部支撐筋板結(jié)構(gòu)與其它產(chǎn)品不同，經(jīng)與車間現(xiàn)場(chǎng)多位加工、裝配方面技師討論，認(rèn)為應(yīng)該屬于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)剛性不足問題。使用有限元分析技術(shù)對(duì)底座進(jìn)行研究分析，找到設(shè)計(jì)或加工工藝系統(tǒng)的問題所在并加以改進(jìn)，是提高該臥式加工中心產(chǎn)品制造質(zhì)量和效率的必然選擇。本文使用SolidWorks 的Simulation 有限元分析軟件，采用剛度對(duì)比、單獨(dú)裝夾自重變形影響分析，找到了問題所在，為后續(xù)同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝提供了參考。

2 分析

SolidWorks 三維CAD 軟件內(nèi)置的Simulation 有限元分析軟件，可利用現(xiàn)有的三維模型，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐分析精度較好，能滿足單個(gè)零件靜態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變和位移等方面的有限元分析。

本文分析的基本思路是：（1）因臥式加工中心底座結(jié)構(gòu)類型較多，且底座剛性沒有定量數(shù)據(jù)報(bào)道，而本公司臥式加工中心為系列產(chǎn)品且產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)相同，除本機(jī)型外其他機(jī)型尚未發(fā)現(xiàn)類似問題，所以首先采用對(duì)比分析法，將該底座和未出問題的其他規(guī)格底座進(jìn)行各種剛度分析，確定該底座是否存在明顯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。（2）通過模擬加工環(huán)節(jié)的支撐狀態(tài)，分析支撐對(duì)加工精度的影響，判斷底座在加工制造環(huán)節(jié)是否存在不足之處。

3 設(shè)計(jì)對(duì)比分析

因涉及靜態(tài)變形問題，根據(jù)上述思路，將本問題底座各種剛性與其他機(jī)型進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)際裝配中，出現(xiàn)的問題是底座沿Z軸發(fā)生較大扭轉(zhuǎn)變形，故結(jié)合底座的正T 形結(jié)構(gòu)，制定以下剛度對(duì)比分析項(xiàng)次：（1）底座沿Z軸方向的抗扭剛度對(duì)比。（2）底座X、Z導(dǎo)軌方向的抗彎剛度對(duì)比。（3）底座地腳支撐點(diǎn)處的靜剛度對(duì)比。

3.1 抗扭剛度分析

本文的扭轉(zhuǎn)剛度是指在底座相應(yīng)方向施加2 個(gè)方向相反，大小相等的力，形成扭矩載荷，通過有限元分析獲得扭轉(zhuǎn)變形量，從而得到扭轉(zhuǎn)剛度。從底座裝配中出現(xiàn)的變形部位和其自身幾何結(jié)構(gòu)，容易知道底座繞圖1 所示的Z軸扭轉(zhuǎn)剛度最弱，所以只對(duì)繞Z軸軸線的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行對(duì)比分析。按以下簡(jiǎn)化力學(xué)模型，按實(shí)際加工中的三點(diǎn)支撐方式固定底座，以Z軸對(duì)稱中線為對(duì)稱軸，在X導(dǎo)軌安裝面兩側(cè)對(duì)稱各加載1 個(gè)方向相反的力，形成加載扭矩，使用軟件分析計(jì)算底座沿Z 軸方向的扭轉(zhuǎn)變形。支撐及加載模型如圖2 底座支撐及加載模型所示。

圖1 底座及其地腳支撐點(diǎn)

圖2 底座支撐及加載力學(xué)模型

將兩種底座分別進(jìn)行模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、三點(diǎn)支撐點(diǎn)及力偶加載并分析，結(jié)果見圖3 所示。根據(jù)力臂及力的大小值、軟件分析得到的位移值，分別計(jì)算出加載扭矩值和扭轉(zhuǎn)變形量，再依據(jù)加載扭矩和扭轉(zhuǎn)變形量計(jì)算得到扭轉(zhuǎn)剛度，最終結(jié)果見表1。

圖3 底座扭轉(zhuǎn)結(jié)果及對(duì)比底座座扭矩變形結(jié)果

根據(jù)表1 計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)比底座扭轉(zhuǎn)剛性比本問題底座扭轉(zhuǎn)剛性稍大，兩種底座扭轉(zhuǎn)剛度基本相當(dāng)，但本問題底座尺寸較大，所承受的負(fù)載也大，所以在相同扭轉(zhuǎn)剛度情況下，離扭轉(zhuǎn)中心遠(yuǎn)端的實(shí)際變形位移量與對(duì)比底座比較會(huì)呈線性增加。

表1 兩種底座扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果

3.2 抗彎剛度分析

因裝配時(shí)底座水平調(diào)整檢測(cè)點(diǎn)在X、Z導(dǎo)軌安裝面上，同時(shí)導(dǎo)軌長(zhǎng)度貫穿整個(gè)底座，因此分別沿X、Z導(dǎo)軌長(zhǎng)度方向?qū)Ρ葍煞N底座的抗彎剛度，是對(duì)比分析兩種底座性能差距的方向之一。本文的抗彎剛度采用在兩種底座相同部位，分別施加2 個(gè)方向與大小相同且具有相同距離的力載荷，用相同位置的變形量來衡量某個(gè)方向的抗彎剛度。在1 個(gè)方向上，選擇1 地腳支撐點(diǎn)固定，以該支撐點(diǎn)為對(duì)稱，在一定距離上，兩側(cè)各施加相同方向的力載荷，采用軟件分析獲得導(dǎo)軌面的最大變形量位移量作為抗彎剛度對(duì)比參數(shù)。

在兩底座X導(dǎo)軌方向上，距地腳支撐對(duì)稱中心850 mm 處，加載同向各1 000 N 載荷，在兩底座Z導(dǎo)軌方向上，距選擇的地腳支撐對(duì)稱中心600 mm處，也加載同向各1 000 N 載荷，分析得到導(dǎo)軌安裝面相對(duì)最大變形位移量，作為底座抗彎剛性對(duì)比參數(shù)。

在兩底座X、Z導(dǎo)軌方向，在地腳支撐正上方，各加載1 000 N 載荷，分析得到加載點(diǎn)的最大變形位移量，作為底座地腳支撐點(diǎn)位置的剛性對(duì)比參數(shù)。

以上兩種分析結(jié)果列于表2 中。

表2 兩種底座抗彎剛度分析結(jié)果

根據(jù)圖4、圖5 及表2 計(jì)算分析結(jié)果，問題底座Z向的彎曲變形1.5×10-3mm 明顯高于對(duì)比底座4.2×10-4mm。本問題底座Z向采用的圖6a 所示布筋形式，對(duì)比底座采用圖6b 布筋結(jié)構(gòu)，圖6a 結(jié)構(gòu)抗彎能力弱于圖6b 結(jié)構(gòu)，分析原因，圖6a 所示布筋形式筋板上下聯(lián)通性弱，同時(shí)因設(shè)計(jì)時(shí)Z方向筋板間距較大，底面挖空面積大，進(jìn)一步降低了矩形截面的抗彎能力。

圖4 底座X 向抗彎變形及對(duì)比底座X 向抗彎變形

圖5 底座Z 向抗彎變形及對(duì)比底座Z 向抗彎變形

圖6a 所示布筋形式一定程度上減輕了底座的整體重量，降低了鑄造難度，降低了零件的材料成本，但因加工時(shí)采用的是Z導(dǎo)軌中間兩點(diǎn)支撐+后端一點(diǎn)的三點(diǎn)支撐方式，Z向抗彎能力的不足，將會(huì)直接影響裝配狀態(tài)下的導(dǎo)軌對(duì)加工狀態(tài)的重現(xiàn)，導(dǎo)致裝配精度無法達(dá)到。機(jī)床關(guān)鍵支承件合理的結(jié)構(gòu)與加工工藝設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)優(yōu)化重要內(nèi)容。

圖6 底座Z 向布筋結(jié)構(gòu)及其對(duì)比底座Z 向布筋結(jié)構(gòu)

4 加工工藝支撐分析

根據(jù)以上對(duì)比分析，問題底座與對(duì)比底座Z導(dǎo)軌抗彎剛性在設(shè)計(jì)上有一定差距，但該剛性差距不能解釋由加工到裝配出現(xiàn)的底座扭曲變形問題，問題的關(guān)鍵點(diǎn)并沒有找到。上述對(duì)比分析只是定性對(duì)比分析[3]，因無定量剛性可參考數(shù)據(jù)，且加載負(fù)載較小，雖找到了問題底座在設(shè)計(jì)上存在相對(duì)薄弱點(diǎn)，但該薄弱點(diǎn)不是引起本底座扭曲問題的關(guān)鍵，還需要繼續(xù)分析。問題底座在加工環(huán)節(jié)采用三點(diǎn)主支撐和其他支撐點(diǎn)輔助支撐方式，上述分析是按結(jié)構(gòu)對(duì)稱中心軸線對(duì)稱加載，未反應(yīng)出加工支撐時(shí)實(shí)際操作誤差產(chǎn)生的問題[4]。因三點(diǎn)支撐的兩點(diǎn)位于Z軸下方，操作工為了使X導(dǎo)軌的精加工余量均勻，必須通過X下方的第三點(diǎn)以外的輔助支撐調(diào)節(jié)，同時(shí)X向?qū)к壨ㄩL(zhǎng)上只有中間位置的第三點(diǎn)支撐，考慮加工切削力的影響，X向也需要第三點(diǎn)以外的輔助支撐。輔助支撐力量大小完全依靠操作者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，分析這種狀態(tài)下可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素是必須的[5]。因此利用偏支撐方式和自身重量載荷分析計(jì)算模擬制造環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的狀態(tài)，分析生產(chǎn)加工工藝系統(tǒng)可能存在的影響。

根據(jù)上述思路，采用三點(diǎn)支撐，將問題底座Z導(dǎo)軌下方兩支撐對(duì)稱布置，X導(dǎo)軌下方支撐偏對(duì)稱中心布置，見圖7a，加載底座自重載荷進(jìn)行靜力分析。結(jié)果見圖7b。

圖7 底座三點(diǎn)偏支撐及自重載荷下的變形

根據(jù)圖7b 分析結(jié)果，底座在這種支撐方式下，因自重產(chǎn)生了0.814 5 mm 的扭曲變形，該變形量與實(shí)際裝配環(huán)節(jié)產(chǎn)生的變形比較接近。因加工環(huán)節(jié)還有切削力疊加，扭轉(zhuǎn)變形還有加大趨勢(shì)[6]，故在這種情況下，底座在裝配環(huán)節(jié)，即使采用懸空支撐狀態(tài)，依然無法原復(fù)原加工姿態(tài)，導(dǎo)致導(dǎo)軌水平調(diào)整失敗，產(chǎn)生加工返修[7]。通過再次詢問加工操作者，因要保證導(dǎo)軌等部位精加工余量均勻，同時(shí)保證底座裝夾穩(wěn)定性，底座精加工時(shí)在三點(diǎn)支撐后，需要通過輔助支撐找正半精加工面，這時(shí)主支撐會(huì)出現(xiàn)隱性轉(zhuǎn)移移位，在半精加工精度不良和操作工經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)，會(huì)出現(xiàn)圖7b 的大扭轉(zhuǎn)變形問題。

三點(diǎn)支撐要求底座結(jié)構(gòu)合理，自身剛性高，支撐點(diǎn)布局合理，才能盡量減小底座及整機(jī)在各種狀態(tài)下的變形與振動(dòng)。三點(diǎn)支撐不僅要整體布局合理，而且需要在整體布局下做細(xì)節(jié)優(yōu)化[8]。三點(diǎn)支撐整體布局設(shè)計(jì)時(shí)需要保證各部件各工況下的重心必須位于三角形支撐范圍內(nèi)，更進(jìn)一步，為得到底座變形、導(dǎo)軌安裝面精度和低階頻率的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以對(duì)底座三點(diǎn)支撐點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖8 所示，本底座加工工藝采用的這種三點(diǎn)支撐方式采用了與底座結(jié)構(gòu)相反的倒三角整體布局，明顯不符合重心在三角支撐范圍內(nèi)的原理，該支撐方式整個(gè)底座繞Z軸支撐剛性較弱，因此容易受到操作工經(jīng)驗(yàn)及加工時(shí)切削力的影響，導(dǎo)致底座扭曲從而產(chǎn)生過大的制造精度偏差，最終導(dǎo)致裝配時(shí)底座精度超差返修。

圖8 不合理的底座三點(diǎn)支撐方式

5 結(jié)論與改進(jìn)

綜上所述，問題底座裝配環(huán)節(jié)出現(xiàn)的扭曲過大不能調(diào)平問題，其產(chǎn)生的主要原因是制造過程精加工導(dǎo)軌面工序，工藝支撐設(shè)置的不合理，三點(diǎn)支撐不合理使底座懸伸過大，加工需要多處增加輔助支撐，在不合理的輔助支撐下產(chǎn)生三點(diǎn)主支撐偏移，導(dǎo)致底座在自重作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，產(chǎn)生本問題。

根據(jù)以上結(jié)論，改進(jìn)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝兩方面進(jìn)行。對(duì)于精加工工序的三點(diǎn)支撐問題，進(jìn)行三點(diǎn)支撐位置改進(jìn)，改進(jìn)為三點(diǎn)布置與底座T 形結(jié)構(gòu)方向一致，擴(kuò)大三點(diǎn)對(duì)導(dǎo)軌的支撐范圍。在設(shè)計(jì)上現(xiàn)行不合理三點(diǎn)支撐產(chǎn)生的1 個(gè)原因是底座Z導(dǎo)軌端頭下方設(shè)計(jì)缺少工藝支撐面，故在該處設(shè)計(jì)增加一處工藝支撐面，改進(jìn)為圖9 所示加工支撐方式。該方式因支撐剛性足夠，可不用輔助支撐，或僅在Z端頭a、b兩處輔助支撐，這樣的少支撐結(jié)構(gòu)和支撐位置的明確，可基本杜絕操作人員失誤及操作經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致的制造問題。

圖9 改進(jìn)底座三點(diǎn)支撐方式

改進(jìn)后的三點(diǎn)支撐點(diǎn)之間距離加長(zhǎng)，需要底座自身要有足夠的剛性。對(duì)于問題底座Z導(dǎo)軌抗彎剛度相對(duì)較弱問題，對(duì)比對(duì)標(biāo)機(jī)型底座布筋結(jié)構(gòu)，不難發(fā)現(xiàn)問題所在：本問題底座Z向截面筋板布置不合理，截面上下之間筋板貫通性不足以及底面挖空太大影響了截面的抗彎模量。所以在設(shè)計(jì)改進(jìn)中采用和對(duì)比底座同樣的M 型布筋結(jié)構(gòu)，底面筋板間距縮短，如圖10 所示。改進(jìn)后的底座Z向?qū)к壝鎻澢冃我妶D11 所示，底座改進(jìn)前后抗彎剛性對(duì)比見表3 所示，由原設(shè)計(jì)的1.5×10-3mm 減小到9.9×10-4mm，底座Z方向的抗彎剛性比原設(shè)計(jì)提高30%，剛性提升明顯?？古偠鹊奶嵘姳? 所示，抗扭剛度由1.363×108Nm/rad 提升到1.921 4×108Nm/rad，比原設(shè)計(jì)提高40.9%。

表3 底座改進(jìn)前、后抗彎剛性對(duì)比

表4 底座改進(jìn)前、后抗扭剛度對(duì)比

圖10 改進(jìn)Z 向內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)

圖11 改進(jìn)后的抗彎剛性

以上三點(diǎn)支撐方式的改進(jìn)效果已通過在底座底面補(bǔ)充加工支撐位置而得到驗(yàn)證，底座的精度在裝配和整機(jī)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)都達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，見圖12所示。本文方法使本型號(hào)臥式加工中心底座在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝上得到改進(jìn)提升，達(dá)到了提高產(chǎn)品精度和加工效率的雙重目標(biāo)。

圖12 改進(jìn)工藝支撐后成功應(yīng)用