2017年5月23日

加工中心立柱的靜力分析

2加工中心立柱的靜動態特性分析機床的結構性能是保證機床具有一定的加工精度穩定性的基礎，一臺機床的基礎結構性能的好壞直接關系到其最終的加工精度、加工精度穩定性和切削效率等。為了提高其結構性能，除了合理配置機床的部件型式外，首先要求在設計上要保證其結構有良好的靜動特性性能。當臥式加工中心處于工作狀態時，會產生各種變載荷，導致機床產生振動進而影響機床的精度和穩定性，這里首先對其靜動態特性做相關分析。立柱聯系床身和主軸箱，處于加工中心的中間位置，對其質量、抗振性能和剛度等結構性能要求較高。故本章主要以立柱為研究對象，對其進行靜動態性能分析。對于加工中心的其他部件如床身、主軸箱等，也可利用此節所述思路來分析和優化，這里不再贅述。2.1加工中心立柱的靜力分析該臥式加工中心的立柱釆用整體鑄造的形式，其在X方向的快速移動速度為 36m/min，豎直之后高1900mm、長890mm、寬794mm、頂板厚110mm、底板厚120mm，左右側壁厚度為155mm，重量為1400kg。分析立柱與其他主要部件的關系，主軸箱通過四個滑塊和直線導軌正掛在立柱之上，并通過滾軸絲杠傳遞的動力沿直線導軌在Y向作上下運動。床身上也有兩條直線導軌，立柱底面通過導軌上的滑塊與床身連接，可沿X軸方向左右移動。虛擬裝配圖和實際裝配圖分別如圖2.2-a與2.2-b所示。 -結構的靜力分析是指作用在結構上載荷是固定不變的，在這種情況下，進而計算結構所受到的應力和產生的變形。當然，一個結構只有在非常理想的情況下才會受到固定不變的載荷，這里將隨時間變化很緩慢的載荷也看作是固定載荷。這樣，在進行靜力分析時，除了約束載荷和重力載荷外，只需施加靜力固定載荷2.1.1加工中心的受力分析加工中心的刀具通過對所加工的工件施加切削力進行切削過程，然后工件會對刀具產生反作用力，刀具所受到的力通過刀柄、主軸和主軸箱（包括導軌上的四個滑塊）傳遞到立柱上。為了更好的模擬立柱的受力變形，工件對立柱的作用力應該利用力的等效原則將力傳遞到立柱導軌上。根據高速臥式加工中心的受力特點，對其在鉆孔和銑削兩種工況時的受力情況分別進行了分析。對該工序加工內容進行分析可知，該工序主要完成缸體的銑面和鉆孔工作（圖2.3)，銑刀和鉆刀均為硬質合金刀具。這里利用切削力的功率估算方法對一把直徑45mm,轉速400 r/min的銑刀進行銑削力計算。對于電主軸來說，其最大功率為30Kw,由于沒有齒輪傳動功率耗散比較少，故令傳動效率為0.98,則可得出實際切削效率為：pc = TJPE = 0.98x30 = 29AKw(2-1)已知刀具直徑和轉速，進而得到切向切削力也即主切削力：分析可知，當主軸箱位于立柱導軌行程的不同位置時，切削力的杠桿率也不同，會導致立柱的變形量產生變化。這里取其在實際加工過程中（圖2.4)最常用的工作位置，即下滑塊底面距離導軌地面600mm。2.1.2加工中心的靜力分析首先利用CAD建模軟件Pro/E對立柱結構進行三維建模，由于模型結構較為復雜，將對立柱性能分析影響較小的一些特征如小倒圓角、螺紋孔、小凸臺等省略去，這能夠避免接下來的有限元網格劃分過程中出現錯誤，且節省計算時間。三維模型建完導入ANSYS分析軟件中，對立柱進行材料屬性定義（表2.1):表2.1各部件的主要材料屬性 Tab.2.1Material properties of the parts 部件材料彈性模量(N/m2) 泊松比質量密度(kg/m3) 立柱 HT250 1.38E+11 0.156 7.28E+03 主軸箱 HT300 1.57E+11 0.270 7.25E+03 主軸軸承鋼 3.8E+11 0300 7.82E+03 之后對結構進行網格劃分。主軸箱與立柱的接觸類型定義為bounded,對主軸施加上小節計算出的切削力，對立柱與底座（床身）連接處的滑塊位置以及與滾珠絲杠連接處施加約束。

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