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(yè)中是很重要的加工設(shè) 備之一，由于其具有跨距大、結(jié)構(gòu)合理、剛性好、通 過工件寬度大等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在航空、航 天、汽車工業(yè)、模具、大型復(fù)雜零件制造等諸多領(lǐng) 域，以實現(xiàn)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(wěn)定性；另_方面，在機床的設(shè)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(zhì)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(tài)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(xì)小結(jié)構(gòu)對工作臺整體性能影響很小， 根據(jù)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(zhǔn)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(jù)工作臺筋板的不同，有以 下三種方案的工作臺設(shè)計形式：(1) 方案1:0形筋工作臺筋板在工作臺內(nèi)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(jié)構(gòu)是目前龍門工作 臺應(yīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)相對0形筋較簡單，易于加工制 造，這種類型的筋板結(jié)構(gòu)也適用于龍門工作臺，是 較為新穎的設(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造，也是龍門 加工中心工作臺應(yīng)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(shè)計工件在加工時，為順利完成作業(yè)，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(zhǔn)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(cè)邊角處為坐標(biāo)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(xué)分析ANSYS Workbench 是 ANSYS 公司開發(fā)的 新一代協(xié)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(tǒng)ANSYS有了很大提高.其典型的靜力學(xué)分析 步驟為：前處理（導(dǎo)入幾何模型、材料屬性選擇、劃 分網(wǎng)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(dǎo)入ANSYS Workbench中，這樣避免了因 格式轉(zhuǎn)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(wǎng)格時精度選取高精度 其余選項均按默認(rèn)進行網(wǎng)格劃分１３ 網(wǎng)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(dǎo)軌的約束可以設(shè)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(fā)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(jié)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(shè)置求解結(jié)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(fù)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(fù)合靜剛度.將各組數(shù) 據(jù)導(dǎo)入到MATLAB軟件中，在1/4工作臺上：0形筋工 作臺的******復(fù)合靜剛度為1 563 N/pm，位置坐標(biāo) 為（250,291);最小復(fù)合靜剛度為563 N/>m，位置 坐標(biāo)為（100,252. 8).橢圓形筋工作臺的******復(fù)合 靜剛度為1 740 N/>m，位置坐標(biāo)為（300,291);最 小復(fù)合靜剛度為703 N/"m，位置坐標(biāo)為（500, 138. 2).井字形筋工作臺的******復(fù)合靜剛度為 2 009 N/"m，位置坐標(biāo)為（300,291);最小復(fù)合靜 剛度為600 N/>m，位置坐標(biāo)為（100,252. 8).綜上 看來，三種不同的工作臺最小復(fù)合靜剛度都位于邊 緣處和了形槽附近，應(yīng)盡量避免工件裝夾于工作 臺這些區(qū)域的附近；其******復(fù)合靜剛度都位于支座 附近，工件裝夾于工作臺的這些區(qū)域，可提高其加 工精度.井字形筋工作臺的平均復(fù)合 靜剛度******，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(biāo)準(zhǔn)差也是****** 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(jié)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(xué)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(jié)論： 從工作臺質(zhì)量上看：井字形筋工作臺質(zhì)量 比橢圓形筋工作臺質(zhì)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(dāng)工件加工需要工作臺經(jīng)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(fù)合靜剛度上看：井字形筋 工作臺平均復(fù)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)差上看：井字形筋工 作臺的靜剛度標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請注明！