立式數(shù)控車床運(yùn)動(dòng)部件有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)*

王核心,李小飛

(1.寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 寶雞 721000;2.寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司,陜西 寶雞 721013)

立式數(shù)控車床的運(yùn)動(dòng)部件要求其具有良好的快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)特性,但在立式數(shù)控車床設(shè)計(jì)中,由于設(shè)計(jì)人員選擇安全系數(shù)大以及憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)等因素的影響,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨于保守,影響動(dòng)態(tài)特性,整個(gè)運(yùn)動(dòng)部件系統(tǒng)在質(zhì)量和結(jié)構(gòu)上存在裕量,其結(jié)構(gòu)還具有較大的抵抗破壞和變形的潛力[1]。此時(shí)就需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及運(yùn)動(dòng)部件優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是在立式數(shù)控車床具有足夠加工精度的情況下,即從靜力分析角度保證足夠的強(qiáng)度、剛度的條件下,通過改變運(yùn)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)尺寸,以期減輕重量,最大程度節(jié)省并合理分配材料,提高材料的利用率和立式數(shù)控車床運(yùn)動(dòng)部件快速響應(yīng)特性[2]。

1 立式數(shù)控車床建模

經(jīng)過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn),寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司開發(fā)了一款雙刀架數(shù)控立式車床,該機(jī)床主要面向汽車輪轂加工行業(yè)有針對性地開發(fā)的一款高效加工機(jī)床。設(shè)計(jì)之初,技術(shù)人員根據(jù)機(jī)床加工參數(shù)及以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)完成了機(jī)床的三維模型的建立(見圖1),主要加工零件如圖2所示。該機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件主要包括左右床鞍、左右滑枕、左右刀架及刀座、刀具等附件。機(jī)床有2個(gè)X軸和2個(gè)Z軸,X軸移動(dòng)時(shí)床鞍移動(dòng),滑枕、刀架及刀架附件不動(dòng),主要進(jìn)行加工零件的端面加工[3];Z軸移動(dòng)時(shí)床鞍不動(dòng),滑枕、刀架及刀架附件運(yùn)動(dòng),主要進(jìn)行加工零件的外圓加工。機(jī)床運(yùn)行時(shí)左右刀架同時(shí)對零件內(nèi)外圓進(jìn)行加工(見圖2零件的粗線區(qū)域),這樣既可提高加工效率,又能依靠內(nèi)外圓同時(shí)加工抵消加工應(yīng)力,減少此類薄壁零件因自身結(jié)構(gòu)原因引起的震動(dòng),提高加工表面質(zhì)量[4]。

圖1 雙刀架立車光機(jī)模型

圖2 機(jī)床車削示意圖

2 立式數(shù)控車床有限元分析

立式數(shù)控車床是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng),因篇幅關(guān)系,本文只針對立式數(shù)控車床加工精度比較敏感的X軸運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元分析。Z軸運(yùn)動(dòng)部件可參考X軸進(jìn)行。

2.1 機(jī)床加工工況設(shè)定

根據(jù)前期三維建模,給定各零部件的材料,最終確定X軸床鞍部件質(zhì)量為m1=530 kg,滑枕部件質(zhì)量為m2=400 kg,刀架部件質(zhì)量為m3=320 kg,快移速度vmax=16 m/min,摩擦因數(shù)μ=0.04。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11562—2013《數(shù)控立式卡盤車床和車削中心技術(shù)條件》[5]第8條,通過主傳動(dòng)系統(tǒng)最大扭矩試驗(yàn),用強(qiáng)力車削外圓進(jìn)行試驗(yàn)。切削抗力的主分力按下式計(jì)算。

(1)

式中,F是切削抗力的主分力,單位為N;P是切削時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸入功率(指電網(wǎng)輸給電動(dòng)機(jī)的功率),單位為kW;P0是機(jī)床裝有工件時(shí)的空運(yùn)轉(zhuǎn)功率(指電網(wǎng)輸給電動(dòng)機(jī)的功率),單位為kW;r是工件的切削半徑,單位為m;n是主軸轉(zhuǎn)速,單位為r/min。

具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

綜上,根據(jù)結(jié)果,經(jīng)過圓整最終取切削力為FZ=4 750 N。

2.2 有限元分析

根據(jù)上節(jié)給定和計(jì)算的結(jié)果對機(jī)床左右床鞍進(jìn)行有限元分析,X軸在移動(dòng)時(shí)要克服運(yùn)動(dòng)部件的滑動(dòng)阻力和切削力,最終受力情況為:

F=μ(m1+m2+m3)g+FZ=5 230 (N)

(2)

將最終合力等效轉(zhuǎn)移到左右床鞍上,對左右床鞍進(jìn)行受力分析,首先應(yīng)用Simulation軟件對左右床鞍材料進(jìn)行給定,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,給定材料為灰鑄鐵HT300,從而確定各項(xiàng)分析參數(shù)[6](見表2)。

表2 材料的各項(xiàng)指標(biāo)

同時(shí)為簡化分析流程,根據(jù)左右床鞍移動(dòng)軌跡將左右床鞍與機(jī)床立柱的各結(jié)合面按固定安裝面進(jìn)行固定約束,視其為剛性固定連接,因此可以假定左右床鞍導(dǎo)軌面所有節(jié)點(diǎn)為全約束,即可近似模擬其實(shí)際位移狀態(tài),故將左右床鞍導(dǎo)軌面使用6個(gè)自由度全部位移予以約束,左右床鞍施加外力載荷并進(jìn)行邊界約束,根據(jù)上節(jié)計(jì)算結(jié)果對其受力面進(jìn)行加力約束[7]。完成受力約束后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分,一般情況下網(wǎng)格劃分越小分析結(jié)果越準(zhǔn)確,但所需分析過程及運(yùn)行時(shí)間相對增加,本文設(shè)定單元格大小為10 mm,單元格公差為0.5 mm,在不影響分析結(jié)果的情況下壓縮部分螺紋孔并運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)體網(wǎng)格對其進(jìn)行劃分,其中左床鞍劃分節(jié)點(diǎn)817 606,劃分單元格533 183,右床鞍劃分節(jié)點(diǎn)347 747,劃分單元格226 921。通過上述條件約束及網(wǎng)格劃分后,運(yùn)行Simulation對左右床鞍進(jìn)行有限元分析[8](見圖3～圖8)。

圖3 左床鞍

圖4 右床鞍

圖5 左床鞍應(yīng)力云圖

由Simulation運(yùn)行分析結(jié)果(見表3)可知,根據(jù)受力情況目前設(shè)計(jì)的左右床鞍滿足原始設(shè)計(jì)要求,可用于進(jìn)行生產(chǎn)試制。

表3 Simulation運(yùn)行分析結(jié)果

設(shè)計(jì)分析完成后,寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司對該機(jī)型進(jìn)行了投產(chǎn)試制,試制完成后根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 16462.2—2017《數(shù)控車床和車削中心檢驗(yàn)條件 第2部分:立式機(jī)床幾何精度檢驗(yàn)》[9]和GBT 16462.4—2007《數(shù)控車床與車削中心檢驗(yàn)條件 第4部分:線性和回轉(zhuǎn)軸線的定位精度及重復(fù)定位精度》[10]對其進(jìn)行了檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果位置精度中最大定位精度為0.024 mm,最大重復(fù)定位精度為0.006 mm,最大反向差值為0.009 5 mm,符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求(見圖9～圖12)。

圖10 X2軸位置精度

圖11 Z1軸位置精度

圖12 Z2軸位置精度

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在試制總結(jié)過程中,設(shè)計(jì)人員和裝配人員在最后的裝配和檢驗(yàn)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn),存在該機(jī)床X軸、Z軸反向間隙較大,兩軸預(yù)緊鑲條過長強(qiáng)度不夠,Z軸電動(dòng)機(jī)空載負(fù)載較大等問題,最終導(dǎo)致兩軸定位精度接近國家標(biāo)準(zhǔn)限定值,機(jī)床精度儲(chǔ)備值較小。為解決上述問題,設(shè)計(jì)人員對兩軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化,具體如下。

1)為解決Z軸方向床鞍變形問題,對床鞍內(nèi)部筋板進(jìn)行了重新布置(見圖13和圖14)。

圖13 原床鞍內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)

圖14 改進(jìn)后床鞍內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)

2)為解決Z軸方向電動(dòng)機(jī)空載負(fù)載較大問題,在Z軸方向增加液壓平衡裝置,降低Z軸方向運(yùn)動(dòng)部件上下運(yùn)動(dòng)時(shí)重力的影響(見圖15和圖16)。

圖15 原床鞍裝配體結(jié)構(gòu)

圖16 改進(jìn)后床鞍裝配體結(jié)構(gòu)

3)為解決兩軸預(yù)緊鑲條過長強(qiáng)度不夠問題,將X軸和Z軸鑲條重新設(shè)計(jì),改為兩端預(yù)緊方式增加鑲條厚度和強(qiáng)度,同時(shí)根據(jù)床鞍工作時(shí)的受力情況,更改了鑲條受力面(見圖17和圖18)。

圖17 原鑲條結(jié)構(gòu)

圖18 改進(jìn)后鑲條結(jié)構(gòu)

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì),筆者對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了有限元分析,運(yùn)用上節(jié)分析過程控制流程對左右床鞍進(jìn)行受力約束和網(wǎng)格劃分,對比初次設(shè)計(jì)結(jié)果,左右床鞍在最大應(yīng)力和最大位移上都有了較為明顯的減小(見圖19～圖22)。優(yōu)化后Simulation運(yùn)行分析結(jié)果見表4。

圖19 左床鞍應(yīng)力云圖

圖20 左床鞍位移云圖

圖21 右床鞍應(yīng)力云圖

圖22 右床鞍位移云圖

表4 優(yōu)化后Simulation運(yùn)行分析結(jié)果

綜上可知,在左右床鞍質(zhì)量基本不變的情況下,左床鞍最大應(yīng)力由優(yōu)化前的4.15 N/mm2降低為1.59 N/mm2,最大位移由0.009 mm降低為0.003 7 mm;右床鞍最大應(yīng)力由優(yōu)化前的2.04 N/mm2降低為1.55 N/mm2,最大位移由0.005 1 mm降低為0.004 8 mm。優(yōu)化結(jié)果顯著,之后寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司對其進(jìn)行了小批試制,并委托第三方檢測機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行了檢驗(yàn)和可靠性檢測。檢測結(jié)果顯示,機(jī)床各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求,其MTBF值達(dá)到了2 250.8 h?？煽啃詸z測完成后,該公司根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行了工作精度檢驗(yàn),通過檢驗(yàn)結(jié)果可知,位置精度中最大定位精度為0.011 9 mm,相比改進(jìn)前提升50.4%;最大重復(fù)定位精度為0.003 4 mm,相比改進(jìn)前提升43.3%;最大反向差值為0.009 mm,相比改進(jìn)前提升6%;符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求,機(jī)床精度儲(chǔ)備值大幅提升(見圖23～圖26)。

圖23 X1軸位置精度

圖24 X2軸位置精度

圖25 Z1軸位置精度

圖26 Z2軸位置精度

4 結(jié)語

本文通過應(yīng)用Simulation有限元分析軟件對立式數(shù)控車床的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行了有限元受力分析,并通過分析和試制結(jié)果對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),最終達(dá)到寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司承擔(dān)的國家重大專項(xiàng)要求。為今后同類型機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒作用。