歐陽兆彰

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江門 529000）

引 言

型材加工中心專門針對長度較長的零件加工，例如用于高鐵導(dǎo)軌表面加工，如圖1 所示。進(jìn)口的精密型材加工中心價(jià)格較高，國產(chǎn)的設(shè)備普遍是仿制，但加工精度相對較低。因此，研發(fā)精度較高的精密型材加工中心，滿足市場需求，十分必要。而產(chǎn)品加工的直線度是目前國產(chǎn)設(shè)備必須克服的技術(shù)難題。其中，鞍板是型材加工中心重要的承載部件。切削時，既要沿工作臺作橫向移動，還要承載立柱、主軸箱等主要的部件的縱向移動，如圖2 所示。鞍板靜態(tài)特性對型材加工中心的產(chǎn)品加工的直線度有重要的影響，是研制精密型材加工中心工作中的重要環(huán)節(jié)。鞍板在切削加工的過程中，還承受各種復(fù)雜多變的外界載荷，鞍板必須有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度，才能確保設(shè)備加工精度。

江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院與某公司聯(lián)合，分析的新型的型材加工中心的鞍板結(jié)構(gòu)，初步三維設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，建立鞍板的分析模型，通過ANSYS 有限元分析軟件對靜態(tài)特性進(jìn)行分析，了解鞍板具體位置的變形量，可有效確保整機(jī)加工的精度，并為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

圖1 型材加工中心

圖2 型材加工中心分析模型結(jié)構(gòu)

一、鞍板的受力變形優(yōu)化與加工精度影響

圖3 自主研發(fā)的鞍板三維模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)機(jī)型的加工試驗(yàn)，本文研究的型材加工中心直線度誤差在一米長度內(nèi)為30 μm，超出設(shè)計(jì)要求，需要把誤差控制在20 μm 以內(nèi)。現(xiàn)對鞍板進(jìn)行分析，鞍板安裝在床身直線導(dǎo)軌的兩處滑塊上，承受主軸箱等重量約1 350 kg，如圖4 所示。經(jīng)ANSYS 的有限元計(jì)算分析，可知尾部是危險(xiǎn)處，有27 μm 的變形。與實(shí)際加工的直線度誤差相似。原因?yàn)楫?dāng)立柱的總重量集中在鞍板尾部時，超出后支撐位置的重量形成翻轉(zhuǎn)力矩，導(dǎo)致尾部變形較大，據(jù)此分析鞍板的尾部變形可認(rèn)為是影響加工直線度誤差的主要原因。

二、鞍板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對鞍板的分析結(jié)構(gòu)，對鞍板進(jìn)行三種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。方案1，把危險(xiǎn)處的兩處結(jié)構(gòu)孔填充，加強(qiáng)尾部的強(qiáng)度，利用Ansys 軟件分析，尾部變形有效減少7 μm 的變形，如圖5 所示；方案2，在尾部添加尾翼，作為尾部的加強(qiáng)筋達(dá)到增強(qiáng)尾部的強(qiáng)度，經(jīng)分析，尾部變形有效減少4 μm 的變形，如圖6所示；方案3，改變直線導(dǎo)軌的安裝位置，將鞍板的支撐后移140 mm，經(jīng)分析，尾部變形有效減少8 μm的變形，如圖7所示。

圖4 鞍板結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

圖5 填充尾部結(jié)構(gòu)孔變形分析

圖6 尾部添加尾翼變形分析

結(jié) 語

通過ANSYS 軟件，完成了型材加工中心的鞍板變形分析計(jì)算，并對鞍板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行3 種方案改進(jìn)與分析對比，得到鞍板的最大變形。分析表明，方案3 能最大限度減少鞍板的尾部變形，提高整機(jī)切削時的直線度誤差，可為下一步鞍板的最終結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)，更有效降低降低成本，并確保整機(jī)質(zhì)量。

圖7 改變支承位置變形分析