臥式五軸加工中心整機靜態(tài)剛度有限元分析及測量方法

摘要：為解決航空航天領(lǐng)域復(fù)雜零件加工難度大、精度難保證、效率低的問題，臥式五軸加工中心越來越廣泛地被應(yīng)用于航空航天零件的生產(chǎn)加工中。現(xiàn)以某型臥式五軸加工中心為例，重點介紹了其整機靜態(tài)剛度的有限元分析方法和實際測量方法。利用ANSYS建立機床整機的有限元模型，分析得出了機床在最危險工況下的變形情況?；谙嗤墓r條件，在實物機床上搭建了靜態(tài)剛度測試平臺，完成機床靜態(tài)剛度的測量。將有限元分析結(jié)果和實際測量進(jìn)行了對比，兩者接近，驗證了整機有限元分析方法的有效性，為臥式五軸加工中心的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：臥式五軸加工中心；靜態(tài)剛度；有限元；測量方法

中圖分類號：TG502.31? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0061-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.016

0? ? 引言

航空航天領(lǐng)域零件的結(jié)構(gòu)型面往往比較復(fù)雜，如發(fā)動機的機匣、葉輪，其生產(chǎn)制造存在加工難度較大、精度難保證、效率低等問題。臥式五軸加工中心由于具有加工范圍廣、剛度好、效率高的特點，近年來在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。臥式五軸加工中心整機的靜態(tài)剛度直接影響其加工精度和使用性能，因此提高整機靜態(tài)剛度是保證機床加工精度的重要工作。目前在機床設(shè)計過程中，整機建模分析的難度較大，往往僅對單個關(guān)鍵零件進(jìn)行分析優(yōu)化，如底座、立柱等，無法準(zhǔn)確反映出機床的整機剛度，導(dǎo)致機床的整機剛度不足，影響加工精度和機床研發(fā)周期[1]。本文以某型臥式機床為例，根據(jù)機床的實際工況條件，利用ANSYS Workbench有限元分析軟件建立了機床的整機仿真模型，分析得到了機床的整機靜態(tài)剛度；同時提出了一種臥式五軸加工中心整機靜態(tài)剛度的測量方法，并搭建測量平臺，完成了整機靜態(tài)剛度的測量。

1? ? 臥式五軸加工中心的整機結(jié)構(gòu)

本文所研究的臥式五軸加工中心是上海拓璞的訂單項目，用戶為西安航天發(fā)動機廠，項目內(nèi)容為研制用于航天發(fā)動機推力室內(nèi)壁大型螺旋槽類零件的螺旋槽五軸銑加工生產(chǎn)線，包含4臺臥式五軸加工中心和1套自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)。加工中心整機結(jié)構(gòu)包括底座部件、立柱部件、滑座部件、擺頭部件、轉(zhuǎn)臺部件以及刀庫部件（圖1）。機床運動軸之間采用滾柱直線導(dǎo)軌和滾柱絲桿進(jìn)行連接和傳動。刀庫部件在機床整機結(jié)構(gòu)中是獨立的，與其他部件不存在結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，因此在有限元分析時不作考慮。

2? ? 整機靜態(tài)剛度的有限元分析

2.1? ? 工況負(fù)載分析

整機的靜態(tài)剛度分析應(yīng)選取機床的最危險工況進(jìn)行，這樣才能反映出機床真實的負(fù)載能力。根據(jù)臥式五軸加工中心的機床結(jié)構(gòu)以及加工條件，其最危險工況條件如下：

（1）擺頭、滑座位于立柱中間位置。立柱安裝在底座上，兩側(cè)支撐，中間懸空，當(dāng)擺頭、滑座位于中間位置時，其受力最大。

（2）主軸處于臥式狀態(tài)。擺頭部件類似懸臂梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)主軸處于臥式狀態(tài)時，整個擺頭部件的重心位于最遠(yuǎn)端位置，擺頭部件受重力和切削力影響最大。

（3）主軸受徑向切削力。當(dāng)主軸受徑向切削力時，會對整改擺頭部件產(chǎn)生較大的附加扭矩，影響擺頭與滑座連接面的剛度，從而使刀尖點產(chǎn)生較大位移，影響加工精度。

整機負(fù)載包含兩個部分：

（1）自身重力：自身重力主要影響擺頭部件的剛度（懸臂梁結(jié)構(gòu)），整個擺頭部件重約1.8 t，在自身重力的作用下，擺頭部件會有下垂變形。

（2）切削力：當(dāng)機床進(jìn)行粗加工時，會產(chǎn)生較大切削力。根據(jù)鈦合金粗加工的切削工況，設(shè)定切削力大小為4 000 N，刀具長度110 mm，作用于主軸徑向位置，其加載方向分為豎直和水平兩個方向，如圖2所示。

2.2? ? 導(dǎo)軌結(jié)合面的有限元建模

機床部件間存在很多接觸面和運動副，會影響機床整機性能，許多研究表明，機床運動副與結(jié)合面的剛度決定整機靜態(tài)剛度的30%～60%，目前機床整機分析多數(shù)不考慮接觸面的影響，導(dǎo)致仿真分析與機床實際性能之間存在較大偏差[2]。本文在臥式五軸加工中心整機分析中，重點考慮了直線導(dǎo)軌運動副對整機分析的影響，建立了直線導(dǎo)軌運動副的有限元模型。

在ANSYS中采用直接建模設(shè)置接觸對的方法，容易造成計算量大、無法收斂的問題。本文采用彈簧-阻尼單元來模擬直線導(dǎo)軌結(jié)合面兩個方向上的接觸特性，彈簧單元類型為COMBIN14，如圖3所示[3]。

COMBIN14單元包括剛度常數(shù)K與阻尼常數(shù)CV1和CV2兩種實常數(shù)，因本文只作靜態(tài)分析，只考慮其剛度常數(shù)，不考慮阻尼常數(shù)[2]。臥式五軸加工中心采用了THK的SRG55型滾柱直線導(dǎo)軌，其正向剛度K1為3.5 kN/μm，側(cè)向剛度K2為2.3 kN/μm，根據(jù)模型中建立的彈簧-阻尼單元數(shù)量（每個方向設(shè)置了8個彈簧-阻尼單元），設(shè)置彈簧-阻尼單元的彈簧常數(shù)值：

KE1=K1/8

KE2=K2/8

式中：KE1、KE2分別為導(dǎo)軌正向彈簧-阻尼單元彈簧常數(shù)和側(cè)向彈簧-阻尼單元彈簧常數(shù)。

2.3? ? 整機靜態(tài)剛度有限元分析

根據(jù)臥式五軸加工中心的三維裝配體模型、約束條件以及工況負(fù)載，按照有限元分析流程，在ANSYS中完成了整機靜態(tài)剛度分析。

2.3.1? ? 模型簡化

在機床的整機模型中，刪除不影響分析結(jié)果的零件以及模型特征，如螺釘、鈑金件、特征孔以及特征倒角、槽等[4]。

2.3.2? ? 網(wǎng)格劃分

將機床三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件，設(shè)置零件材料參數(shù)，零件材料均為灰鑄鐵，密度值設(shè)置為7 200 kg/m3，彈性模量設(shè)置為120 GPa，泊松比設(shè)置為0.27。

網(wǎng)格劃分質(zhì)量會直接影響有限元計算的精度和效率，因此根據(jù)機床的模型，需要采用合理的網(wǎng)格劃分策略：在計算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位劃分相對密集的網(wǎng)格，梯度變化不大的部位采用稀松的網(wǎng)格[5]。本文采用ANSYS對機床整機進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)為1 377 261，節(jié)點數(shù)量為2 352 135。

2.3.3? ? 邊界條件設(shè)置

模擬實際的配合關(guān)系，對底座上21處地腳孔施加固定約束，來模擬機床實際約束情況。根據(jù)負(fù)載情況，施加重力負(fù)載和切削力負(fù)載。整機有限元模型如圖4所示。

2.3.4? ? 求解計算

利用ANSYS的分析求解器對整機靜態(tài)有限元模型進(jìn)行分析求解，得到其整機靜態(tài)位移云圖。

由圖5可知，在機床自身重力和豎直方向4 000 N大小切削力的共同作用下，刀尖點的位移大小為0.1 mm。

由圖6可知，在機床自身重力和水平方向4 000 N大小切削力的共同作用下，刀尖點的位移大小為0.21 mm。

3? ? 整機靜態(tài)剛度測量

3.1? ? 整機靜態(tài)剛度測量方法

根據(jù)臥式五軸加工中心的工況條件，在實物機床上搭建了測量平臺，對整體靜態(tài)剛度進(jìn)行測量，如圖7所示。

整個測量平臺包含了加力氣缸、力傳感器、負(fù)載采集器、千分表以及安裝工裝等模塊，測量步驟如下：

（1）調(diào)整加力器使整個系統(tǒng)處于零力的狀態(tài)，然后將對應(yīng)位置傳感器的值設(shè)置為零；

（2）對機床相應(yīng)部件逐漸施加作用力至最大值，并將此方向作為正方向；

（3）記錄力與位移傳感器的測量值；

（4）減少施力器作用力，直到其施加力為最大值的1%；

（5）記錄力與位移傳感器的測量值。

3.2? ? 測量數(shù)據(jù)分析

按照上述測量步驟，記錄各工況下測量點的力和位移數(shù)值，如表1、表2所示。

從測量數(shù)據(jù)可以得到，在負(fù)載作用下，機床整機靜態(tài)位移不同，豎直方向為0.113 mm，水平方向達(dá)到0.175 mm，表明機床整機水平方向的靜態(tài)剛度較弱。

3.3? ? 有限元分析結(jié)果與測量數(shù)據(jù)對比

對比整機靜態(tài)剛度實際測量數(shù)據(jù)和有限元分析數(shù)據(jù)，如表3所示。

對比兩者數(shù)據(jù)，有限元分析的結(jié)果與實際測量結(jié)果存在12%～20%的偏差，造成偏差的主要原因是有限元模型（接觸設(shè)置、網(wǎng)格劃分等）與實際存在偏差，但此偏差值在可接受范圍內(nèi)，能夠為機床的優(yōu)化設(shè)計提供方向。

4? ? 結(jié)語

本文利用ANSYS有限元軟件建立了臥式五軸加工中心的整機分析模型，分析得出了機床在最危險工況下的變形情況，同時在實物機床上搭建了靜態(tài)剛度測試平臺，完成機床靜態(tài)剛度的測量。對比位移數(shù)據(jù)，結(jié)果僅偏差12%～20%，驗證了整機有限元分析方法的有效性，為臥式五軸加工中心的優(yōu)化設(shè)計提供了方法。本項目所開發(fā)的臥式五軸加工中心具有高剛度、高精度、高效率、高可靠性的優(yōu)點，在客戶的生產(chǎn)應(yīng)用中，能滿足24 h不停機加工需求，得到了客戶的認(rèn)可。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 匙皓.基于ANSYS的機床整機結(jié)構(gòu)有限元分析[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2017.

[2] 苗青.數(shù)控機床導(dǎo)軌結(jié)合面的接觸剛度分析[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2014.

[3] 王銳，李太松，羅和平，等.臥式加工中心立柱有限元分析與優(yōu)化[J].機械制造，2022，60（1）：37-40.

[4] 劉成穎，譚鋒，王立平，等.面向機床整機動態(tài)性能的立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[J].機械工程學(xué)報，2016，52（3）：161-168.

[5] 丁欣碩.ANSYS Workbench 17.0有限元分析從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

收稿日期：2023-03-06

作者簡介：郭聰聰（1985—），男，湖北黃岡人，碩士，高級產(chǎn)品經(jīng)理，從事五軸加工中心產(chǎn)品研發(fā)工作。