車銑復(fù)合加工中心斜床身應(yīng)力應(yīng)變分析

魏子堯昃向博呂守堂公培強(qiáng)鄧 濤

（1.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.濟(jì)南第一機(jī)床有限公司，濟(jì)南 250000）

車銑復(fù)合加工中心斜床身應(yīng)力應(yīng)變分析

魏子堯1昃向博1呂守堂2公培強(qiáng)2鄧 濤1

（1.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.濟(jì)南第一機(jī)床有限公司，濟(jì)南 250000）

車銑復(fù)合加工中心把車削和銑削加工工藝集成到同一臺(tái)加工機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)工件的同基準(zhǔn)多工序集成加工，有利于提高零件的制造精度。而影響該類機(jī)床加工精度的核心零件之一，就是機(jī)床的床身。本文針對(duì)MJ-520MC/Y數(shù)控車銑復(fù)合加工中心的斜床身進(jìn)行高剛性設(shè)計(jì)分析，探討建立有利于仿真分析的數(shù)字樣機(jī)的方法；對(duì)斜床身數(shù)控車銑復(fù)合加工中心的受力情況進(jìn)行分析，將典型工況下的切削力、床身上方各機(jī)床零部件的重力折算到床身上，得出斜床身的載荷參數(shù)；運(yùn)用有限元方法對(duì)斜床身零件進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到斜床身靜態(tài)特性，探討外部靜力載荷對(duì)斜床身應(yīng)力應(yīng)變的影響；提出了斜床身改進(jìn)優(yōu)化的基本思路，為斜床身車銑復(fù)合加工中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供技術(shù)支持。

斜床身 車銑復(fù)合 加工中心 載荷分析 有限元 靜態(tài)特性

車銑復(fù)合加工中心把車削和銑削工藝整合在一臺(tái)機(jī)床上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的車削和銑削加工，這種整合比分別進(jìn)行車削和銑削的加工精度更高[1-3]。而機(jī)床床身是影響該類機(jī)床加工精度的核心零件之一。

天津大學(xué)楊崇澤等以搖臂鉆床為研究對(duì)象，結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu)結(jié)合面，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[4]；吉林大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的苗壯等人分別對(duì)HTM61350臥式車銑中心進(jìn)行了整機(jī)靜剛度分析、模態(tài)分析和主軸箱的熱分析，確定了機(jī)床工作狀態(tài)下的主要變形部件，并得出了該部件相應(yīng)的變形量信息[5]；大連理工大學(xué)潘琪等通過(guò)對(duì)CD614O車床斜床身的分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減輕了斜床身重量，提高了斜床身的剛度和固有頻率等指標(biāo)，為同類型機(jī)床設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)[6]。但是，對(duì)于MJ-520MC/Y斜床身數(shù)控車銑復(fù)合加工中心的研究較少。本文針對(duì)MJ-520MC/Y數(shù)控車銑復(fù)合加工中心的斜床身進(jìn)行高剛性設(shè)計(jì)分析，探討建立有利于仿真分析的數(shù)字樣機(jī)的方法；對(duì)斜床身數(shù)控車銑復(fù)合加工中心的受力情況進(jìn)行分析，將典型工況下的切削力、床身上方各機(jī)床零部件的重力折算到床身上，得出斜床身的載荷參數(shù)；運(yùn)用有限元方法對(duì)斜床身零件進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到斜床身靜態(tài)特性，探討外部靜力載荷對(duì)斜床身應(yīng)力應(yīng)變的影響；提出了斜床身改進(jìn)優(yōu)化的基本思路，為斜床身車銑復(fù)合加工中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供技術(shù)支持。

1 車銑復(fù)合加工中心介紹

該機(jī)床配置臥式回輪動(dòng)力型刀架。當(dāng)對(duì)工件進(jìn)行平面銑削時(shí)，可通過(guò)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床由X1、X2雙軸構(gòu)成虛擬“Y”軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，平面銑削的工作范圍、效率及精度等得到極大提高，產(chǎn)品得到了用戶的較好評(píng)價(jià)[7]。圖1是機(jī)床的外觀照片。

2 斜床身車銑復(fù)合加工中心關(guān)鍵零部件有限元結(jié)構(gòu)分析

2.1 模型簡(jiǎn)化

車床斜床身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以完全按照實(shí)物建立有限元模型。在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分前，需對(duì)斜床身實(shí)體簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化的原則是：（1）在CAD建模時(shí)力求精確，真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性；（2）對(duì)CAD模型中的小錐度、小曲面進(jìn)行直線化和平面化處理[8]。

圖1 機(jī)床外觀圖

根據(jù)以上原則對(duì)斜床身的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：刪除導(dǎo)軌上的所有螺紋孔。簡(jiǎn)化后，斜床身（如圖2所示）結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性沒(méi)有發(fā)生改變，但為后續(xù)高效分析計(jì)算提供了幫助。

圖2 斜床身虛擬樣機(jī)模型

2.2 定義單元屬性與網(wǎng)格劃分

（1）定義單元屬性。由于斜床身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是不規(guī)則的幾何體，所以選用四面體單元來(lái)模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)考慮，選擇SOLID187四面體單元。

（2）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時(shí)，需遵循以下幾點(diǎn)原則：①模型結(jié)構(gòu)和實(shí)際結(jié)構(gòu)盡可能相同，模型幾何形狀尺寸與實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸相同；②根據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模來(lái)選擇合適的單元大?。虎蹎卧w應(yīng)盡量勻稱齊整。

2.3 受力分析及載荷施加

2.3.1 受力分析

（1）切削過(guò)程分析。在典型工況下，把床身上各零部件的重力和切削力在斜床身上進(jìn)行折算。車削加工過(guò)程中，刀具和工件都受到切削力的作用。切削力傳遞到機(jī)床上的力是機(jī)床的主要受力，切削力及其分解見(jiàn)圖3。

圖3 切削力及其分解

主切削力、背向力和進(jìn)給力的計(jì)算均采用現(xiàn)有公式[9]。

主切削力：

刀具的切削速度vc取100m/min，進(jìn)給量f取0.3mm/r，背吃刀量αp取4mm，工件材料為45鋼，刀具材料為硬質(zhì)合金。通過(guò)查表代入上式得，F(xiàn)C=1875N，F(xiàn)p=1 207N，F(xiàn)f=788N。

為保證其可靠性，適當(dāng)擴(kuò)大各分力大小，主切削力為2000N，背向力為1500N，進(jìn)給力為1000N。

（2）銑削過(guò)程分析。三面刃銑刀主要用于臥式銑床上加工槽、臺(tái)階面等，本文選擇三面刃銑刀，如圖4所示。

圖4 銑削力及其分解

切削條件為：銑刀直徑D=110mm，齒數(shù)Z=22，工件材料灰鑄鐵HB=210，刀具材料為高速鋼，銑刀槽寬B=16mm，槽深t=20mm，銑削用量V≈20米/分，Sz=0.lmm/齒。

根據(jù)公式計(jì)算，得：

銑削功率：

為保證可靠性，主切削力取為300N，背向力取為1000N，進(jìn)給力取為400N。

2.3.2 載荷施加

本文以斜床身為例，對(duì)切削過(guò)程中載荷施加進(jìn)行介紹。機(jī)床接觸構(gòu)件示意圖，如圖5所示。

圖5 機(jī)床接觸部件示意圖

假定刀架、主軸箱、尾座等部件的材料都為普通碳鋼，將車床模型導(dǎo)入SolideWorks中，計(jì)算得出它們的重力G1、G2、G3，分別是6500kg、4700kg、2400kg，分別施加在它們各自的支撐處。以下對(duì)切削力如何施加到斜床身進(jìn)行介紹。

本文所研究的數(shù)控車床可加工的工件最大直徑是520mm，最大長(zhǎng)度是450mm。設(shè)工件材料為45鋼，則其質(zhì)量為744kg，所受重力為7440N。在切削過(guò)程中，工件受到車刀、卡盤(pán)和頂尖的作用力，受力情況可用圖6的簡(jiǎn)圖來(lái)表示。隨著切削位置從靠近主軸端向尾座移動(dòng)，床身的位移和應(yīng)力都會(huì)增加，切削點(diǎn)選在距離主軸箱最遠(yuǎn)處[11]，即工件最長(zhǎng)處，距離為450mm。

圖6 工件受力示意圖

在xoy平面內(nèi)，進(jìn)給力Ff沿y方向，大小為1000N，距離導(dǎo)軌平面400mm。所以，該力對(duì)斜床身、導(dǎo)軌結(jié)合體的力矩M1大小為400N·m，方向?yàn)樵趯?dǎo)軌面上繞x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

在xoz平面內(nèi)，主切削力Fc與工件重力G在z方向上近似抵消。因而，在x方向上的合力為Fx=Fp+Gsin45°。代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得Fs值為6438N，擴(kuò)大為6500N。

在xoy平面內(nèi)，工件受到集中力Fs、卡盤(pán)和頂尖的作用力，其受力情況可以簡(jiǎn)化為如圖7的簡(jiǎn)支梁。此處，為了容易理解，將坐標(biāo)軸的名稱進(jìn)行了相關(guān)處理。

圖7 xoy平面上力的分布

將支反力FRA、FRB分別對(duì)斜床身導(dǎo)軌面求力矩得M2=613N·m，M3=613N·m。這兩個(gè)力矩的方向分別在主軸箱、尾座與斜床身導(dǎo)軌結(jié)合面處繞由逆時(shí)針?lè)较蛏?。斜床身的外力分別是：G1為6500N，G2為4700N，G3為2400N，M1為400N·m，M2為613N·m，M3為613N·m。在后面的分析中，可以依據(jù)需要對(duì)斜床身進(jìn)行加載。

由于篇幅有限，銑削過(guò)程中斜床身受到的外力不做分析。外力分別是：G1為4200N，G2為4700N，G3為2400N，M1為360N·m，M2為396N·m，M3為396N·m。在后面的分析中，可以依據(jù)需要對(duì)斜床身進(jìn)行加載。

2.3 有限元分析及結(jié)果討論

在ANSYSWorkbench靜力學(xué)分析模塊上進(jìn)行仿真求解，得到斜床身的總變形云圖和X、Y、Z方向的變形云圖，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行處理，具體見(jiàn)表4。

表4 斜床身結(jié)構(gòu)改進(jìn)前靜力學(xué)分析結(jié)果

2.4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及有限元分析

針對(duì)上述有限元分析結(jié)果，對(duì)斜床身的上導(dǎo)軌進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對(duì)上導(dǎo)軌進(jìn)行加厚、加寬處理。在ANSYSWorkbench靜力學(xué)分析模塊上進(jìn)行仿真求解，得到斜床身的總變形云圖和X、Y、Z方向的變形云圖，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行處理，具體見(jiàn)表5。

表5 斜床身結(jié)構(gòu)改進(jìn)后靜力學(xué)分析結(jié)果

2.5 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)斜床身改進(jìn)前和改進(jìn)后的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，改進(jìn)后的斜床身變形量更小，斜床身的結(jié)構(gòu)更可靠，具體見(jiàn)表6。

表6 斜床身結(jié)構(gòu)分析結(jié)果對(duì)比表

3 結(jié)論

針對(duì)MJ-520MC/Y數(shù)控車銑復(fù)合加工中心的斜床身進(jìn)行高剛性設(shè)計(jì)分析，探討建立有利于仿真分析的數(shù)字樣機(jī)的方法；對(duì)斜床身數(shù)控車銑復(fù)合加工中心的受力情況進(jìn)行分析，得出斜床身的載荷參數(shù)；運(yùn)用有限元方法對(duì)斜床身零件進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到斜床身靜態(tài)特性，探討外部靜力載荷對(duì)斜床身應(yīng)力應(yīng)變的影響；提出了斜床身改進(jìn)優(yōu)化的基本思路，并通過(guò)分析結(jié)果對(duì)斜床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)并進(jìn)行分析對(duì)比，得知對(duì)斜床身改進(jìn)的斜床身變形量更小，斜床身的結(jié)構(gòu)更可靠。這為斜床身車銑復(fù)合加工中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供技術(shù)支持。

[1]Tian Xueliang，Song Fangzhen，Song Bo，et al.Experimental Modal Analysis of Vertical NC Milling Machine[J].Machine Tool ＆ Hydraulics，2009，37（12）：42-44.

[2]Lu Feng，Zhao Dehong，Zhang Ke.Modal Analysis of Special-shaped Stone Multi-function NC MachiningCenter[J].International Journal of Digital Content Technology and Its Applica-tions，2011，5（8）：168-174.

[3]Zagbbani I，Songmene V.Estimation of Machine Tool Dynamic Parameters During Machining Operation Through Operational Modal Analysis[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2009，49（10）：947-957.

[4]林有希.大型機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的整機(jī)有限元分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，（2）：69-73.

[5]苗壯.臥式車銑復(fù)合加工中心有限元分析[D].吉林：吉林大學(xué)，2009.

[6]王帥.HTM40100h車銑復(fù)合加工中心關(guān)鍵技術(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2014．

[7]李軍.采用虛擬“Y”軸車銑復(fù)合加工中心[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2007，（4）：60-62.

[8]何成浩.數(shù)控車床床上的有限元分析與優(yōu)化結(jié)構(gòu)[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[9]楊永亮.基于有限元的車床斜床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[10]王建軍，李文祥，楊紅軍，李小飛.基于插補(bǔ)Y軸的車銑復(fù)合加工中心[J].機(jī)械工程師，2014，（10）：202-203.

[11]楊峰，尹志宏，屈濤.基于有限元的一體斜床身熱應(yīng)力分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010，（2）：46-49.

Stress and Strain Analysis of Inclined Lathe Turning Milling Machining Center of Slant Bed

WEI Ziyao1,ZE Xiangbo1,LV Shoutang2,GONG Peiqiang2,DENG Tao1
(1.School of Mechanical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022; 2.Jinan First Machine Tool Co.,Ltd., Jinan 250000)

Turning-Milling Machining Center integrates the technology of turning and milling, realizing the process of turning and milling machining in just one machine tool. This kind of integration can produce a higher precision than the way of processing turning and milling machining respectively.And one of the core parts will affect the machining accuracy of the machine tool, is the machine bed. This paper, firstly, around the MJ-520MC/ Y slant bed CNC turning and milling machining center, represents the process of building three-dimensional models of sliding plate. Then, force analysis of the slant bed CNC turning and milling machining center is carried out systematically. At last, the paper discusses the finite element structural analysis of the tslant bed , which will lay a solid foundation for future improvement of the slant bed CNC turning and milling machining center.

slant bed, turning-milling, machining center, load analysis, finite element analysis, static characteristic

山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)“高速精密車銑復(fù)合虛擬軸加工工藝與裝備開(kāi)發(fā)”。