基于Workbench的數(shù)控銑床可靠性仿真分析

摘要：簡(jiǎn)要分析了數(shù)控銑床工裝夾具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，利用有限元仿真軟件，對(duì)數(shù)控銑床夾具固定架進(jìn)行了應(yīng)力和變形仿真分析，以期提高數(shù)控銑床的運(yùn)行可靠性，為相關(guān)技術(shù)人員提供一定參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床;可靠性;有限元仿真;工裝夾具

0 引言

在我國(guó)傳統(tǒng)機(jī)械加工行業(yè)中，受到材料、設(shè)備、技術(shù)等方面的限制，產(chǎn)品的加工精度和加工效率無法滿足市場(chǎng)需求。機(jī)械加工企業(yè)采用數(shù)控銑床加工技術(shù)，可以有效提高金屬零件的加工質(zhì)量，數(shù)控銑床的普遍使用，不僅推動(dòng)了機(jī)械制造行業(yè)的健康發(fā)展，還在很大程度上解放了生產(chǎn)力，降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。但是數(shù)控銑床在實(shí)際使用過程中，依然存在成本較高、容易發(fā)生故障、維修不便等問題。本文主要對(duì)數(shù)控銑床的工裝夾具進(jìn)行分析和優(yōu)化，通過減小數(shù)控銑床夾具的集中應(yīng)力和變形量的方式，提高數(shù)控銑床的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。

1 數(shù)控銑床工裝夾具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

數(shù)控銑床的工裝夾具對(duì)于保證整體設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有非常重要的影響。在設(shè)計(jì)工裝夾具時(shí)，必須使其與數(shù)控銑床的應(yīng)用完全匹配。數(shù)控銑床的工裝夾具設(shè)計(jì)必須符合以下幾點(diǎn)要求：（1）增加夾具的固定范圍，數(shù)控銑床加工工件時(shí)，需要在保持一定工作空間和安全距離的同時(shí)，將加工工件完全固定在機(jī)器上，如果夾緊機(jī)構(gòu)所在位置相對(duì)較低，可以避免主軸、工裝和夾具之間的摩擦干擾。（2）工裝夾具必須使用全方位安裝方法，以滿足機(jī)床零件的安裝方向與編程坐標(biāo)系相匹配的要求。（3）提高夾具的剛性和穩(wěn)定性，以滿足數(shù)控銑床對(duì)加工精度的要求。

2 數(shù)控銑床的金屬加工技術(shù)及其應(yīng)用

2.1? ? 數(shù)控銑床的換刀操作

在數(shù)控銑床加工過程中，夾具執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作的動(dòng)力來源是壓縮空氣，通過壓縮機(jī)的工作，可實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)夾緊和松動(dòng)，方便人員操作，并可自動(dòng)更換控制裝置，但是換刀過程相對(duì)煩瑣，會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間。因此，要充分考慮加工時(shí)間的長(zhǎng)短，盡量減少換刀次數(shù)，還可以根據(jù)數(shù)控銑床工件的尺寸來改進(jìn)夾具，一次夾緊多個(gè)工件，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整工件數(shù)量，使加工時(shí)間盡可能縮短。

2.2? ? 數(shù)控銑床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在數(shù)控銑床夾具設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的環(huán)節(jié)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須注意載荷的分布問題。在多數(shù)情況下，數(shù)控銑床的工裝夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很少考慮連續(xù)加工和切屑去除的問題，這將不可避免地影響到數(shù)控銑床的性能。合理的排屑結(jié)構(gòu)能夠保證機(jī)床正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確保切屑不會(huì)掉落在工裝夾具的定位元件上，可以使切屑順暢彈出，提高了定位精度和效率。

2.3? ? 數(shù)控銑床夾緊方式的優(yōu)化

設(shè)計(jì)人員在對(duì)數(shù)控銑床的夾緊工件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須優(yōu)化夾緊方法，確保夾具和工件有足夠的安全距離，以保證夾具可同時(shí)夾緊多個(gè)組件。目前，數(shù)控銑床在工件加工過程中，無法有效地區(qū)分粗加工和精加工，并且夾具的夾緊力可能會(huì)出現(xiàn)太大和太輕的情況，這不僅會(huì)影響加工的效果，還會(huì)導(dǎo)致工作表面出現(xiàn)凹痕或損壞整個(gè)工件。

3 數(shù)控銑床夾具固定架的可靠性有限元仿真

3.1? ? 三維模型的建立及網(wǎng)格劃分

數(shù)控銑床內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，其中銑床夾具固定架起到固定和支撐加工零件的作用，對(duì)數(shù)控銑床的安全運(yùn)行具有重要影響。本文主要以應(yīng)用最為普遍的圓柱形銑床夾具固定架為例進(jìn)行分析，數(shù)控銑床加工零件在夾具的作用下，固定在數(shù)控銑床上，固定架上設(shè)計(jì)有螺栓孔與夾具進(jìn)行連接，本文主要考慮圓柱形固定架的靜力分布情況，考慮到計(jì)算機(jī)性能的限制，對(duì)數(shù)控銑床夾具固定架的三維模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用SolidWorks三維建模軟件建立了銑床夾具固定架的模型，數(shù)控銑床夾具固定架三維模型如圖1所示。

由于數(shù)控銑床夾具固定架模型較為規(guī)則，本文采用meshing模塊對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，網(wǎng)格數(shù)為872 596，網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

3.2? ? 優(yōu)化前有限元求解結(jié)果分析

設(shè)定數(shù)控銑床加工零件重量為20 kg，銑床夾具固定架重量為28 kg，固定架剛度為0.68 kN/mm，固定架材料為Q235鋼，固定架底部接觸面為固定面。當(dāng)載荷為200 N時(shí)，其應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

此時(shí)數(shù)控銑床夾具固定架的最大應(yīng)力為169.69 MPa，最大應(yīng)力分布在中心圓孔處，最小應(yīng)力分布于固定架外表面，此時(shí)的最大應(yīng)力在最大屈服強(qiáng)度以下，但其數(shù)值相對(duì)較大，如果數(shù)控銑床長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，有可能出現(xiàn)固定架磨損和斷裂的現(xiàn)象。

數(shù)控銑床夾具固定架的最大變形量為0.029 mm，最大變形分布在中心孔處，最小變形分布在固定螺栓孔處。此時(shí)的最大變形量較大，無法保證數(shù)控銑床加工零件的表面精度，因此有必要對(duì)固定架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3.3? ? 優(yōu)化后有限元求解結(jié)果分析

為了進(jìn)一步提高零件加工精度，將下固定螺栓孔的孔徑增加2 mm，固定架的直徑增加5 mm，厚度增加5 mm。優(yōu)化完成后對(duì)其進(jìn)行有限元仿真求解，當(dāng)載荷依然為200 N時(shí)，數(shù)控銑床夾具固定架的應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

數(shù)控銑床夾具固定架的最大應(yīng)力為151.03 MPa，最大應(yīng)力分布在中心圓孔處，最小應(yīng)力分布于固定架外表面，與優(yōu)化前相比較，最大應(yīng)力明顯降低。

此時(shí)，數(shù)控銑床夾具固定架最大變形量為0.005 6 mm，最大變形分布在中心圓孔連接處，最小變形分布在外表面，與優(yōu)化前相比較，此時(shí)最大變形量明顯降低，不會(huì)引起數(shù)控銑床的振動(dòng)，能夠保證數(shù)控銑床加工工件的精度。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控銑床是機(jī)械加工的重要設(shè)備之一，在進(jìn)行數(shù)控銑床設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要盡可能提高數(shù)控銑床設(shè)備的運(yùn)行可靠性。本文通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的數(shù)控銑床夾具固定架具有更高的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。

收稿日期：2020-06-29

作者簡(jiǎn)介：高海兵（1978—），男，內(nèi)蒙古錫盟人，高級(jí)技師，研究方向：機(jī)械制造。