車銑復(fù)合加工中心Y軸立柱的受力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化
0引言復(fù)合化是精工機(jī)床一個(gè)普遍發(fā)展趨勢(shì)，在現(xiàn)代機(jī) 械加工中復(fù)合化精工機(jī)床發(fā)揮著愈來(lái)愈大的作 用[1]。車銑復(fù)合加工中心具有多軸聯(lián)動(dòng)功能，機(jī)床 動(dòng)力刀架配合Y軸移動(dòng)能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力銑削，Y軸立柱作 為動(dòng)力刀架的一個(gè)重要支撐零件，必須對(duì)其進(jìn)行最優(yōu) 化設(shè)計(jì)以減少機(jī)床在強(qiáng)力切削時(shí)的振動(dòng)，使加工零件 獲得較高的加工精度和很好的表面粗糙度。目前國(guó) 內(nèi)復(fù)合機(jī)床偏重于結(jié)構(gòu)布局研究，對(duì)復(fù)合后機(jī)床支撐 件力學(xué)性能研究不足。筆者通過(guò)對(duì)車銑復(fù)合加工中 心Y軸立柱有限元仿真和分析，完成了對(duì)Y軸立柱 的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在機(jī)床的實(shí)際使用中，證明優(yōu)化后的 Y軸立柱很好的滿足了機(jī)床的加工要求。1立柱的建模1.1立柱的三維建模及材料的定義利用Solidworks進(jìn)行立柱二維模型建立,在此過(guò) 程中，三維模型中的一些細(xì)小特征，比如加工倒角、螺 紋孔、工藝凸臺(tái)等會(huì)影響有限元網(wǎng)格模型的建立，因 此對(duì)這些不影響力學(xué)性能的特征進(jìn)行了簡(jiǎn)化,進(jìn)行簡(jiǎn) 化后的三維模型如圖1所示。根據(jù)立柱的使用情況 選擇其材料為HT300鑄鐵，通過(guò)查閱相關(guān)參考文獻(xiàn) 可得出材料彈性模量為150 GPa、泊松比為0. 27、密 度為 7 400 kg/m3[2]。1.2立柱有限元網(wǎng)格模型的建立對(duì)簡(jiǎn)化后的立柱三維模型利用Simulation進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，如果網(wǎng)格劃分太細(xì)， 雖然會(huì)提高運(yùn)算精度但也會(huì)加大運(yùn)算時(shí)候的運(yùn)算量, 因此，在對(duì)計(jì)算的精度不會(huì)有較大影響前提下選擇合 適的網(wǎng)格單元大小就很重要[3]。筆者進(jìn)行模型網(wǎng)格 劃分時(shí)，朱用的網(wǎng)格單元大小12. 96 mm，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃 分后，共有69 419個(gè)節(jié)點(diǎn)，43 337個(gè)單元，網(wǎng)格劃分 后的模型如圖2所示。1.3載荷的施加及邊界約束立柱的受力主要是機(jī)床切削加工時(shí)的切削力和 刀架的重力，其中切削力通過(guò)刀具及刀架傳遞給立 柱。通過(guò)已知的切削參數(shù)及查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，可計(jì) 算出切削力三個(gè)方向的分力大小:切向力2 029 N，徑向力Fy = 569 N，軸向車削力& = 620 N[4]。刀 架的質(zhì)量為396 kg，由于機(jī)床切削力和刀架重心與立 柱受力點(diǎn)之間存在一定距離，經(jīng)過(guò)將切削力與刀架重 力進(jìn)行合成并經(jīng)過(guò)施加遠(yuǎn)程載荷，可以模擬機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)的狀態(tài)。立柱通過(guò)螺釘與機(jī)床床鞍進(jìn)行剛性連接，因此可 以將立柱下面的六個(gè)自由度全部約束,對(duì)立柱進(jìn)行約 束并施加遠(yuǎn)程外力載荷后，得出立柱的受力示意如圖 3所示。1.4計(jì)算結(jié)果將各條件確定后，經(jīng)過(guò)Simulation模塊進(jìn)行運(yùn)算 分析，得到了立柱的應(yīng)力、應(yīng)變圖解及總位移圖解 (見(jiàn)圖4 ~6所示）。2對(duì)運(yùn)算結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 2.1受力分析通過(guò)圖4、5可以看出立柱左端的筋柱上受到的 應(yīng)力及應(yīng)變較大，******應(yīng)力為21.37 N/mm2,在設(shè)計(jì) 中應(yīng)該是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵位置,而其他位置并沒(méi)有出 現(xiàn)較高的應(yīng)力及應(yīng)變。2.2位移分析通過(guò)圖6可以看出,立柱******變形位移出現(xiàn)在立 柱左端的筋柱上部區(qū)域，******變形位移為0.027 mm， 由于結(jié)構(gòu)布局需要，立柱左端處布置有Y軸電機(jī)，因 此左端處留有較大空位,這就使得立柱局部變形位移 較大。由于立柱是機(jī)床加工時(shí)受力關(guān)鍵部件,該局部 變形會(huì)在一定程度上直接影響機(jī)床的加工精度，因此 有必要對(duì)立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過(guò)以上分析可知,立柱左端的筋柱區(qū)域是結(jié)構(gòu) 優(yōu)化的重點(diǎn)，可以做有針對(duì)性結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。首先將立柱 左端處筋壁的厚度進(jìn)行了改進(jìn)，由原來(lái)的20 mm增加 為25 mm，其次，在與Y軸電機(jī)不發(fā)生干涉的前提下，將立柱左端的空位尺寸改小，提高此處的結(jié)構(gòu)剛性。 另外,在立柱受應(yīng)力、應(yīng)變較小的頂部設(shè)計(jì)了三個(gè)減重 孔,改進(jìn)后的立柱重量比原來(lái)的重量只增加了 2 kg。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的立柱再此利用Simulatiom進(jìn) 行有限元仿真和分析[5]，其應(yīng)力、應(yīng)變圖解及總位移 圖解如圖7 ~9所示，從分析結(jié)果可知,優(yōu)化后的立柱 ******的變形位移由之前的0.027 mm減少到了 0.009 mm，而重量只增加了 2 kg。該機(jī)床裝配完成,實(shí)際使 用效果良好，加工精度和加工表面粗糙度都達(dá)到了設(shè) 計(jì)要求。3結(jié)語(yǔ)車銑復(fù)合加工中心憑借其高效率、高精度及較強(qiáng) 的加工性能，越來(lái)越受到廣大機(jī)床用戶的青睞，因此， 如何構(gòu)思、設(shè)計(jì)車銑復(fù)合加工中心，已經(jīng)成為機(jī)床企 業(yè)工程師當(dāng)下任務(wù)[6]。筆者利用Simulatiom對(duì)車銑 復(fù)合加工中心Y軸立柱進(jìn)行有限元仿真和分析過(guò) 程，完成了對(duì)Y軸立柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)機(jī)床的實(shí) 際使用，證明優(yōu)化后的Y軸立柱很好的滿足了機(jī)床 的加工要求，實(shí)踐證明利用有限元仿真和分析方法, 能夠縮短機(jī)床設(shè)計(jì)周期和提高設(shè)計(jì)效率。