立式加工中心靜剛度有限元仿真分析與試驗測試
引言精工機床的靜剛度對其加工精度具有顯著影 響1,機床的靜剛度可以通過試驗法測量。仇健等2 測量了某系列臥式加工中心主軸的靜剛度，并討論了 主軸剛度的配置方法。李殿新等3以某立式加工中心 為對象，測量了機床整機和主要零件的變形，識別了機 床y向靜剛度的薄弱環節。試驗法雖然可以準確獲取 機床的靜剛度，但試驗必須在機床制造裝配完成后開 展,而有限元法可以在設計階段對機床的性能進行分 析和優化,從而經濟高效提高機床的加工精度。國內 外學者對機床的靜剛度開展了大量仿真研究,分析結 果卻差強人意，而影響仿真精度的最關鍵因素是無法 對零部件間的結合面準確建模。劉啟偉等4仿真了某 車床整機的靜剛度，向尾臺的仿真誤差達到77. 3%。 孫永平等5仿真了某G型結構立式鏜銑床的靜剛度，但沒有給出結合面間的參數。本文以某立式加工中心為研究對象，首先建立了 該機床整機的實體模型,然后將結合面參數添加至有 限元模型，之后對機床整機的靜剛度進行了仿真分析, 最后開展了機床靜剛度試驗，證明了本文仿真分析的 準確性。1機床整機實體模型建立本文研究的機床如圖1所 示，主要由床身底座、床身、立柱、 主軸箱、主軸、刀柄、十字滑臺和 工作臺組成。在Pro/E中建立機 床的實體模型時，將尺寸較小的 ?L、凸臺、鍵槽等特征簡化，建立 的整機實體模型如圖2所示。建立實體模型后，將模型導入ANSYS中進行有限 元分析。圖2中零件的材料均為HT300,彈性模量為 120GPa,泊松比為0. 3,密度為7200kg/m3。添加材料 屬性后，對機床整機采用自由網格劃分,有限元模型共 有127259個節點和65916個單元，如圖3所示。2結合面建模方法機床的兩個相鄰零件以結合面的方式接觸，大量 研究表明，機床總柔度的30% ~50% 6是由于結合面 產生的。機床整機靜剛度仿真時，通常將結合面的剛 度值通過彈簧單元的方式添加到有限元模型中。本文 對仿真精度影響較大的結合面存在于床身底座與床 身、床身與立柱、立柱與主軸箱、主軸箱與主軸、主軸與 刀柄、床身與十字滑臺、十字滑臺與工作臺之間。本機床結合面的類型主要有以下3類:①存在于 床身底座與床身、床身與立柱、主軸箱與主軸之間的螺 栓固定結合面，建模時在每個螺栓位置沿x、、向各 添加一個彈簧單元;②存在于立柱與主軸箱、床身與十 字滑臺、十字滑臺與工作臺之間的導軌滑塊結合面，建 模時在每個滑塊與導軌接觸面的4個頂點處沿x、、 向各添加一個彈簧單元;③存在于主軸與刀柄之間的 軸承結合面，建模時在每個軸承位置沿軸向和徑向各 添加一個彈簧單元。影響結合面剛度值的因素很多，如相鄰兩個零件的重量、結合面的面積、預緊力大小、接觸表面的粗糙 度等[740]。課題組對結合面剛度辨識方法進行了大量 研究，并建立了剛度值數據庫，通過查詢數據庫，得到 各結合面的剛度值如表1所示。另外，主軸與刀柄之 間存在前軸承、后軸承兩處支撐，前軸承的軸向剛度為0. 6 xl0sN/m,徑向剛度為7. 7 x 10sN/m;后軸承的軸 向剛度為1. 6 x 108N/m,徑向剛度為7. 5 x 108N/m。 表1各結合面的剛度值（109 • N/m) 結合面位置 X向 y向 z向 床身一床身底座 0.4193 0. 7912 0.7109 床身一立柱 2.5705 1.3864 1. 5244 立柱一主軸箱 2.6534 4. 5522 0. 3833 主軸箱一主軸 0.4362 0. 7845 2. 318 床身一十字滑臺 0. 7572 0. 1858 0. 4735 十字滑臺一工作臺 0. 3155 0. 1521 0. 3555 3機床整機靜剛度仿真分析本文仿真機床整機沿x、、3個方向的靜剛度時, 將數值為2000N且反向的載荷分別施加在刀柄下端 面和工作臺上端面的中心點，并將床身底座與地面的 接觸面固定約束。機床 向靜剛度的仿真結果分別如圖4、圖5、圖6所示。由圖4可以看出，向仿真時，刀柄中心點的位移 為-0. 20364mm,工作臺中心點的位移為+0. 0025570 mm,兩者的相對位移為0. 2061970mm,因此x向的靜 剛度為： ⑴ (3) =15268 N/mm 由圖6可以看出，向仿真時，刀柄中心點的位移 為+0. 10951075 mm,工作臺中心點的位移為 -0.021486mm,兩者的相對位移為0. 13099675mm,因 此z向的靜剛度為：20000. 13099675根據仿真結果可知，向的靜剛度最小,向的靜 剛度最大。施加載何后，由床身底座、床身、十字滑臺 和工作臺串聯組成的支路變形很小,而由床身底座、床 身、立柱、主軸箱、主軸、刀柄串聯組成的支路變形大得 多。由圖4、圖5、圖6可以看出，施加載荷后，立柱帶 動主軸箱、主軸和刀柄變形。因此，可以采取以下措施 提高機床整機的靜剛度:①加大立柱與床身之間結合 面的剛度值;②改變立柱內部筋板的布局，從而提高立 柱本身的靜剛度。4機床整機靜剛度試驗測試為了驗證仿真分析的準確性，對機床靜剛度開展 試驗測試。將機床各零件放置在與仿真分析時對應的 位置上;采用壓力傳感器施加載荷，將壓力傳感器的下 端固定在工作臺上,2000N的載荷施加在刀柄上;采用 千分表測量刀柄相對工作臺的變形，千分表的底座固 定在工作臺上，指針垂直于刀柄的被測表面。x、、向 靜剛度試驗測試分別如圖7、圖8、圖9所示。每個方向均測量3次,3次結果取平均值,3個方 向的靜剛度試驗結果如表2所示。為了驗證仿真分析 的精度,將仿真分析的剛度值、仿真誤差也列于表2。 表2靜剛度試驗與仿真值對比 靜剛度 x向 y向 z向 試驗值（N/mm) 9255 11700 15517 仿真值（N/mm) 9700 12258 15268 仿真誤差（％) 4.81 4. 77 -1.60 由表2可以看出,3個方向的仿真誤差均在±5% 以內，說明第3節使用的結合面參數準確，本文建立的 有限元模型準確反映了機床整機的實際靜剛度。5結論本文以某立式加工中心為對象，首先采用有限元 軟件仿真分析了機床整機的靜剛度，重點介紹了各主 要結合面的建模方法和結合面剛度值,仿真分析得到 *、、3個方向的靜剛度值分別為9700 N/mm、12258 N/mm、15268 N/mm,試驗測試得到3個方向的靜剛度 值分別為 9255 N/mm、11700 N/mm、15517 N/mm,證 明本文的有限元模型精度很高。為了提高機床整機的 靜剛度，可以修改立柱內部筋板的布局從而提高其靜 剛度，并加大立柱與床身之間結合面的參數。本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！