某數(shù)控臥式加工中心整機(jī)有限元分析

摘要：首先應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件建立某數(shù)控臥式加工中心的三維模型。將三維模型轉(zhuǎn)化為整機(jī)的有限元模型，并對其進(jìn)行了靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析，得出了三個(gè)方向的靜剛度和整機(jī)1-5階固有頻率和振型，尋找出了機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，為機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)床有限元法 靜力分析 ?模態(tài)分析

中圖分類號：TH123 ? 文獻(xiàn)識別碼：A

0 ?引言

機(jī)床是由多個(gè)零部件組成的復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)，僅對個(gè)別零部件進(jìn)行分析，無法全面反映機(jī)床整體的性能，必須對機(jī)床進(jìn)行整機(jī)有限元分析。

有限元分析是一種分析計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算方法，為機(jī)床的靜、動(dòng)態(tài)特性分析提供有力的工具。本文以某臥式加工中心為研究對象，采用有限元分析軟件對其進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，徐找機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，為機(jī)床設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供依據(jù)。

1 ?有限元模型建立

利用Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行機(jī)床整機(jī)的CAD建模。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高分析效率，盡可能如實(shí)地反映機(jī)床的主要力學(xué)特征前提下。需要對CAD模型進(jìn)行必要的簡化，比如刪除掉倒角、圓角、螺紋孔等小特性以及不涉及力傳遞的小零件。簡化后的CAD模型如圖1所示。

將CAD模型導(dǎo)入ANSYS軟件，根據(jù)零部件之間實(shí)際的接觸情況，設(shè)置接觸面的接觸形式，所有外購件的剛度來自供應(yīng)商的樣本手冊，其剛度特性由假想材料模擬。采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元模型由259565個(gè)單元，811144個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，有限元模型如圖2所示。

2整機(jī)靜力學(xué)分析

首先進(jìn)行只受重力狀態(tài)下的整機(jī)計(jì)算，然后分別在刀具和工件的對應(yīng)面上施加X，Y，Z三個(gè)方向的力并觀察機(jī)床各個(gè)部件的變形情況，在X方向受力變形情況如圖3。

經(jīng)測試該臥式加工中心整機(jī)的載荷施加和剛度情況如表1所示。

3 ?機(jī)床薄弱環(huán)節(jié)查找

數(shù)控機(jī)床工藝系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)床-刀具-工件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)剛性低于整機(jī)中剛性最低的部件，因此分析各部件對工藝系統(tǒng)剛性的影響，找出薄弱環(huán)節(jié)，提高機(jī)床剛度。

機(jī)床各部件對Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別作用下所引起變形的影響如圖4所示。

圖中橫坐標(biāo)為機(jī)床的各個(gè)部件，縱坐標(biāo)為各部件變形在工藝系統(tǒng)變形中所占的比例情況。

4 ?整機(jī)模態(tài)分析

模態(tài)分析是整機(jī)動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)，也是研究整機(jī)動(dòng)態(tài)特性的必要工作。通過模態(tài)分析可以判斷陣型是否影響加工精度，為機(jī)床結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化提供判斷依據(jù)。

如圖5所示為整機(jī)的一階固有頻率為35.338Hz，振型為繞機(jī)床Z軸擺動(dòng)。

其余幾階的固有頻率及振型情況如表2所示。

5 ?結(jié)論

通過對某臥式加工中心的整機(jī)有限元分析，得到了整機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)性能，并尋找出機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。得出以下結(jié)論：

1.機(jī)床的三個(gè)方向的剛性比較好，X方向剛性相對較低，但可以保證正常工作。

2.整機(jī)的固有頻率均較高，保證了機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。

3.分析得出立柱為相對薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行合理的改進(jìn)可以進(jìn)一步提高機(jī)床的靜、動(dòng)態(tài)性能。

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作者簡介：

李帥，男，1986年生，畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，工學(xué)碩士。工作單位：沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研究院，工程師。主要研究方向：金屬切削機(jī)床切削測試、切削仿真、機(jī)床整機(jī)性能優(yōu)化等。

（作者單位：沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司）