立式加工中心靜剛度有限元仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試
引言精工機(jī)床的靜剛度對(duì)其加工精度具有顯著影 響1,機(jī)床的靜剛度可以通過(guò)試驗(yàn)法測(cè)量。仇健等2 測(cè)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(duì)象，測(cè)量了機(jī)床整機(jī)和主要零件的變形,，識(shí)別了機(jī) 床y向靜剛度的薄弱環(huán)節(jié),。試驗(yàn)法雖然可以準(zhǔn)確獲取 機(jī)床的靜剛度，但試驗(yàn)必須在機(jī)床制造裝配完成后開(kāi) 展,而有限元法可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)機(jī)床的性能進(jìn)行分 析和優(yōu)化,從而經(jīng)濟(jì)高效提高機(jī)床的加工精度,。國(guó)內(nèi) 外學(xué)者對(duì)機(jī)床的靜剛度開(kāi)展了大量仿真研究,分析結(jié) 果卻差強(qiáng)人意,，而影響仿真精度的最關(guān)鍵因素是無(wú)法 對(duì)零部件間的結(jié)合面準(zhǔn)確建模。劉啟偉等4仿真了某 車床整機(jī)的靜剛度,，向尾臺(tái)的仿真誤差達(dá)到77. 3%,。 孫永平等5仿真了某G型結(jié)構(gòu)立式鏜銑床的靜剛度，但沒(méi)有給出結(jié)合面間的參數(shù),。本文以某立式加工中心為研究對(duì)象,，首先建立了 該機(jī)床整機(jī)的實(shí)體模型,然后將結(jié)合面參數(shù)添加至有 限元模型，之后對(duì)機(jī)床整機(jī)的靜剛度進(jìn)行了仿真分析, 最后開(kāi)展了機(jī)床靜剛度試驗(yàn),，證明了本文仿真分析的 準(zhǔn)確性,。1機(jī)床整機(jī)實(shí)體模型建立本文研究的機(jī)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(tái)和 工作臺(tái)組成,。在Pro/E中建立機(jī) 床的實(shí)體模型時(shí),，將尺寸較小的 ?L、凸臺(tái),、鍵槽等特征簡(jiǎn)化,，建立 的整機(jī)實(shí)體模型如圖2所示。建立實(shí)體模型后,，將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)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(duì)機(jī)床整機(jī)采用自由網(wǎng)格劃分,有限元模型共 有127259個(gè)節(jié)點(diǎn)和65916個(gè)單元,，如圖3所示,。2結(jié)合面建模方法機(jī)床的兩個(gè)相鄰零件以結(jié)合面的方式接觸，大量 研究表明,，機(jī)床總?cè)岫鹊?0% ~50% 6是由于結(jié)合面 產(chǎn)生的,。機(jī)床整機(jī)靜剛度仿真時(shí)，通常將結(jié)合面的剛 度值通過(guò)彈簧單元的方式添加到有限元模型中,。本文 對(duì)仿真精度影響較大的結(jié)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(tái),、十字滑臺(tái)與工作臺(tái)之間,。本機(jī)床結(jié)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(jié)合面,，建模時(shí)在每個(gè)螺栓位置沿x、,、向各 添加一個(gè)彈簧單元;②存在于立柱與主軸箱、床身與十 字滑臺(tái),、十字滑臺(tái)與工作臺(tái)之間的導(dǎo)軌滑塊結(jié)合面,，建 模時(shí)在每個(gè)滑塊與導(dǎo)軌接觸面的4個(gè)頂點(diǎn)處沿x、,、 向各添加一個(gè)彈簧單元;③存在于主軸與刀柄之間的 軸承結(jié)合面,，建模時(shí)在每個(gè)軸承位置沿軸向和徑向各 添加一個(gè)彈簧單元。影響結(jié)合面剛度值的因素很多,，如相鄰兩個(gè)零件的重量,、結(jié)合面的面積、預(yù)緊力大小,、接觸表面的粗糙 度等[740],。課題組對(duì)結(jié)合面剛度辨識(shí)方法進(jìn)行了大量 研究，并建立了剛度值數(shù)據(jù)庫(kù),，通過(guò)查詢數(shù)據(jù)庫(kù),，得到 各結(jié)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(jié)合面的剛度值（109 • N/m) 結(jié)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(tái) 0. 7572 0. 1858 0. 4735 十字滑臺(tái)一工作臺(tái) 0. 3155 0. 1521 0. 3555 3機(jī)床整機(jī)靜剛度仿真分析本文仿真機(jī)床整機(jī)沿x,、,、3個(gè)方向的靜剛度時(shí), 將數(shù)值為2000N且反向的載荷分別施加在刀柄下端 面和工作臺(tái)上端面的中心點(diǎn)，并將床身底座與地面的 接觸面固定約束,。機(jī)床 向靜剛度的仿真結(jié)果分別如圖4,、圖5、圖6所示,。由圖4可以看出,，向仿真時(shí)，刀柄中心點(diǎn)的位移 為-0. 20364mm,工作臺(tái)中心點(diǎn)的位移為+0. 0025570 mm,兩者的相對(duì)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(shí),，刀柄中心點(diǎn)的位移 為+0. 10951075 mm,工作臺(tái)中心點(diǎn)的位移為 -0.021486mm,兩者的相對(duì)位移為0. 13099675mm,因 此z向的靜剛度為：20000. 13099675根據(jù)仿真結(jié)果可知，向的靜剛度最小,向的靜 剛度******,。施加載何后,，由床身底座、床身,、十字滑臺(tái) 和工作臺(tái)串聯(lián)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(lián)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(dòng)主軸箱、主軸和刀柄變形,。因此,，可以采取以下措施 提高機(jī)床整機(jī)的靜剛度:①加大立柱與床身之間結(jié)合 面的剛度值;②改變立柱內(nèi)部筋板的布局，從而提高立 柱本身的靜剛度,。4機(jī)床整機(jī)靜剛度試驗(yàn)測(cè)試為了驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性,，對(duì)機(jī)床靜剛度開(kāi)展 試驗(yàn)測(cè)試。將機(jī)床各零件放置在與仿真分析時(shí)對(duì)應(yīng)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(tái)上,2000N的載荷施加在刀柄上;采用 千分表測(cè)量刀柄相對(duì)工作臺(tái)的變形,，千分表的底座固 定在工作臺(tái)上，指針垂直于刀柄的被測(cè)表面,。x,、,、向 靜剛度試驗(yàn)測(cè)試分別如圖7、圖8,、圖9所示,。每個(gè)方向均測(cè)量3次,3次結(jié)果取平均值,3個(gè)方 向的靜剛度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。為了驗(yàn)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(yàn)與仿真值對(duì)比 靜剛度 x向 y向 z向 試驗(yàn)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(gè)方向的仿真誤差均在±5% 以內(nèi)，說(shuō)明第3節(jié)使用的結(jié)合面參數(shù)準(zhǔn)確,，本文建立的 有限元模型準(zhǔn)確反映了機(jī)床整機(jī)的實(shí)際靜剛度,。5結(jié)論本文以某立式加工中心為對(duì)象，首先采用有限元 軟件仿真分析了機(jī)床整機(jī)的靜剛度,，重點(diǎn)介紹了各主 要結(jié)合面的建模方法和結(jié)合面剛度值,仿真分析得到 *,、、3個(gè)方向的靜剛度值分別為9700 N/mm,、12258 N/mm,、15268 N/mm,試驗(yàn)測(cè)試得到3個(gè)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(jī)床整機(jī)的 靜剛度，可以修改立柱內(nèi)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(jié)合面的參數(shù),。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來(lái)自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明,！