龍門加工中心工作臺筋板布置對靜剛度的影響
引言 龍門加工中心在制造業中是很重要的加工設 備之一，由于其具有跨距大、結構合理、剛性好、通 過工件寬度大等優點，因此被廣泛應用在航空、航 天、汽車工業、模具、大型復雜零件制造等諸多領 域，以實現其高速度、高精度、高效率的“三高”加工 要求[13].其工作臺是龍門加工中心的重要組成部 件，_方面，它的靜剛度將直接影響機床的加工精 度和精度穩定性；另_方面，在機床的設計和制造 過程中，人們總是希望在滿足機床的強度和剛度的 條件下盡可能地減輕零部件的質量[]，因此，對加 工中心工作臺進行靜剛度研究是十分必要的.機床 的靜剛度是指機床在靜態力作用下抵抗變形的能 力，其值越大，表明機床的靜剛度越好[5].1工作臺幾何模型的建立用SolidWorks建立龍門加工中心工作臺的三 維實體模型，其整體尺寸為1 000X582X140 mm， 考慮到_些細小結構對工作臺整體性能影響很小， 根據圣維南原理[]，在不影響工作臺剛度和強度的 條件下，為提高有限元分析的效率，對部分局部特 征如工藝孔、凸臺、倒角、螺紋特征等進行了合適的 簡化處理，即去除這些局部特征[7 8].在有限元分析 時，為方便、準確地施加載荷和約束，用Solid- Works建立工件和絲杠母座的三維實體模型，并 將它們裝配在一起.根據工作臺筋板的不同，有以 下三種方案的工作臺設計形式：(1) 方案1:0形筋工作臺筋板在工作臺內部左右、前后對稱分布，0形 直徑為75 mm,相距498 mm,每個0形筋分布等 夾角為60 °的6條輪輻，筋板厚度為15 mm，高度 為120 mm.并且筋板上有幾何尺寸為120 X 24 mm和60 X 24 mm的矩形槽孔，槽孔的圓角半徑 為10 mm.這種類型的筋板結構是目前龍門工作 臺應用的最普遍的形式之_，其三維模型如圖1 (a)所示.(2) 方案2:橢圓形筋工作臺工作臺內部分布著5條橢圓形筋板，工作臺中 心為橢圓圓心，長、短軸上兩條相鄰筋板間距分別 為50 mm和52 mm,筋板厚度為10 mm,高度為 120 mm.其結構相對0形筋較簡單，易于加工制 造，這種類型的筋板結構也適用于龍門工作臺，是 較為新穎的設計，其三維模型如圖1 ( b )所示.(3) 方案3:井字形筋工作臺在工作臺內部分布著間隔均勻的筋板，長度方 向7條，間距為118 mm,寬度方向6條，間距為75 mm,筋板厚度為10 mm,高度為120 mm,組成井 字形，并且筋板上有幾何尺寸為72 X40 mm和60 X40 mm的矩形槽孔，槽孔的圓角半徑為10 mm. 這種筋板同樣結構簡單，易于加工制造，也是龍門 加工中心工作臺應用較為普遍的筋板類型之一，其 三維模型如圖1(c)所示.2分析方案設計工件在加工時，為順利完成作業，可能會裝夾 到工作臺上的不同位置，就會使工作臺有不同的靜 變形，從而測定的靜剛度也會有所不同. 為了準確地表述工作臺的靜剛度，又由于工作 臺是對稱的，因此可在工作臺的1/4處均勻的取 5 4個點，以起始側邊角處為坐標原點，第一點距工 作臺X向邊界50 mm, Y向邊界50 mm,記為1.然 后，按兩點之間X向和Y向分別相距50 mm和 38. 2 mm再取53個點，分別記為2,3,…54.將尺 寸100X100X50 mm的工件與工作臺裝配，并使 工件的底面中心分別位于這些點上，再將絲杠母座 也裝配到工作臺上.其中，工件底面中心位于1點 處的裝配體如圖2所示.3靜力學分析ANSYS Workbench 是 ANSYS 公司開發的 新一代協同仿真集成平臺，是做有限元分析的大型 通用CAE軟件，其易用性、通用性及兼容性相比 傳統ANSYS有了很大提高.其典型的靜力學分析 步驟為：前處理（導入幾何模型、材料屬性選擇、劃 分網格）、施加載荷和約束、求解[911]. 3. 1前處理通過 SolidWorks 和 ANSYS Workbench 無縫 連接導入ANSYS Workbench中，這樣避免了因 格式轉換重新生成有限元模型時，模型特征的丟 失，省去了模型重建的時間[12].工作臺裝配體各部 分的材料屬性如表1所示.劃分網格時精度選取高精度 其余選項均按默認進行網格劃分１３ 網格劃分后工作臺的有限元模型如圖３所示．３．２ 施加載荷和約束工作臺沿 Ｘ向做進給運動 滑塊與線性導軌的約束可以設定為Ｘ向自由運動 Ｙ向 Ｚ向不能移動 絲杠母座與絲杠屬于過盈配合 不允許發生相對運動 故對絲杠母座的一個端面施加約束時Ｙ向 Ｚ向自由運動 Ｘ向不能移動．3.3計算結果與分析因要計算靜剛度，所以需要求解工作臺的變形 量，因此設置求解結果為變形量，得到三種不同布 筋方案的工作臺在各個位置處的總變形量，由于篇 幅有限，在此只列出工件在井字形筋工作臺上1處 時的工作臺總變形，如圖4所示.計算工件在0形筋工作臺、橢圓形筋工作臺 和井字形筋工作臺54個位置處的復合靜剛度，考 慮到在實際加工時，工件不會被裝夾到工作臺邊緣 處，因此沒有在邊緣處取點.再由工作臺的對稱性， 得到整個工作臺除邊緣處的復合靜剛度.將各組數 據導入到MATLAB軟件中，在1/4工作臺上：0形筋工 作臺的最大復合靜剛度為1 563 N/pm，位置坐標 為（250,291);最小復合靜剛度為563 N/>m，位置 坐標為（100,252. 8).橢圓形筋工作臺的最大復合 靜剛度為1 740 N/>m，位置坐標為（300,291);最 小復合靜剛度為703 N/"m，位置坐標為（500, 138. 2).井字形筋工作臺的最大復合靜剛度為 2 009 N/"m，位置坐標為（300,291);最小復合靜 剛度為600 N/>m，位置坐標為（100,252. 8).綜上 看來，三種不同的工作臺最小復合靜剛度都位于邊 緣處和了形槽附近，應盡量避免工件裝夾于工作 臺這些區域的附近；其最大復合靜剛度都位于支座 附近，工件裝夾于工作臺的這些區域，可提高其加 工精度.井字形筋工作臺的平均復合 靜剛度最大，工件在其上加工時，變形最小，加工精 度最高.但是，井字形筋的靜剛度標準差也是最大 的，其靜剛度分布不均勻，在進行加工時，位置的選 擇對工件的加工精度影響很大.4結論用SolidWorks軟件建立了龍門加工中心工作 臺3種三維實體模型，在ANSYS Workbench軟件 中進行了靜力學分析，最后使用MATLAB軟件繪 制了工作臺的靜剛度圖譜，可得到以下結論： 從工作臺質量上看：井字形筋工作臺質量 比橢圓形筋工作臺質量輕10. 14kg，比0形筋工作 臺輕14. 11kg，其慣性力對工作臺的影響最小當工件加工需要工作臺經常做高速運動時，建議選用 井字形筋工作臺.(1) 從工作臺平均復合靜剛度上看：井字形筋 工作臺平均復合靜剛度比橢圓形筋工作臺高 11. 85%，比0形筋工作臺高18. 68%，其變形最 小，加工精度最高.當工件的某些部位加工精度要 求較高時，可參考靜剛度圖譜，將工件裝夾于合適 位置，建議選用井字形筋工作臺. (3 )從工作臺靜剛度標準差上看：井字形筋工 作臺的靜剛度標準差比0形筋工作臺和橢圓形筋 工作臺分別高23. 10%和12. 46%，0形筋工作臺 的靜剛度波動范圍最小，分布更均勻.當工件的加 工要求其加工精度整體分布比較均勻時，建議選用 0形筋工作臺.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！