龍門(mén)加工中心工作臺(tái)筋板布置對(duì)靜剛度的影響
引言 龍門(mén)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(guò)工件寬度大等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在航空,、航 天,、汽車(chē)工業(yè)、模具、大型復(fù)雜零件制造等諸多領(lǐng) 域,，以實(shí)現(xiàn)其高速度,、高精度、高效率的“三高”加工 要求[13].其工作臺(tái)是龍門(mén)加工中心的重要組成部 件,，_方面,，它的靜剛度將直接影響機(jī)床的加工精 度和精度穩(wěn)定性,；另_方面,，在機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造 過(guò)程中，人們總是希望在滿(mǎn)足機(jī)床的強(qiáng)度和剛度的 條件下盡可能地減輕零部件的質(zhì)量[],，因此,，對(duì)加 工中心工作臺(tái)進(jìn)行靜剛度研究是十分必要的.機(jī)床 的靜剛度是指機(jī)床在靜態(tài)力作用下抵抗變形的能 力,，其值越大，表明機(jī)床的靜剛度越好[5].1工作臺(tái)幾何模型的建立用SolidWorks建立龍門(mén)加工中心工作臺(tái)的三 維實(shí)體模型,，其整體尺寸為1 000X582X140 mm,， 考慮到_些細(xì)小結(jié)構(gòu)對(duì)工作臺(tái)整體性能影響很小， 根據(jù)圣維南原理[],，在不影響工作臺(tái)剛度和強(qiáng)度的 條件下,，為提高有限元分析的效率，對(duì)部分局部特 征如工藝孔,、凸臺(tái)、倒角,、螺紋特征等進(jìn)行了合適的 簡(jiǎn)化處理,，即去除這些局部特征[7 8].在有限元分析 時(shí)，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(shí)體模型，并 將它們裝配在一起.根據(jù)工作臺(tái)筋板的不同,，有以 下三種方案的工作臺(tái)設(shè)計(jì)形式：(1) 方案1:0形筋工作臺(tái)筋板在工作臺(tái)內(nèi)部左右,、前后對(duì)稱(chēng)分布，0形 直徑為75 mm,相距498 mm,每個(gè)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(lèi)型的筋板結(jié)構(gòu)是目前龍門(mén)工作 臺(tái)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(tái)工作臺(tái)內(nèi)部分布著5條橢圓形筋板,，工作臺(tái)中 心為橢圓圓心，長(zhǎng),、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(duì)0形筋較簡(jiǎn)單,，易于加工制 造，這種類(lèi)型的筋板結(jié)構(gòu)也適用于龍門(mén)工作臺(tái),，是 較為新穎的設(shè)計(jì),，其三維模型如圖1 ( b )所示.(3) 方案3:井字形筋工作臺(tái)在工作臺(tái)內(nèi)部分布著間隔均勻的筋板,，長(zhǎng)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(jiǎn)單,，易于加工制造,，也是龍門(mén) 加工中心工作臺(tái)應(yīng)用較為普遍的筋板類(lèi)型之一，其 三維模型如圖1(c)所示.2分析方案設(shè)計(jì)工件在加工時(shí),，為順利完成作業(yè),，可能會(huì)裝夾 到工作臺(tái)上的不同位置，就會(huì)使工作臺(tái)有不同的靜 變形,，從而測(cè)定的靜剛度也會(huì)有所不同. 為了準(zhǔn)確地表述工作臺(tái)的靜剛度,，又由于工作 臺(tái)是對(duì)稱(chēng)的，因此可在工作臺(tái)的1/4處均勻的取 5 4個(gè)點(diǎn),，以起始側(cè)邊角處為坐標(biāo)原點(diǎn),，第一點(diǎn)距工 作臺(tái)X向邊界50 mm, Y向邊界50 mm,記為1.然 后，按兩點(diǎn)之間X向和Y向分別相距50 mm和 38. 2 mm再取53個(gè)點(diǎn),，分別記為2,3,…54.將尺 寸100X100X50 mm的工件與工作臺(tái)裝配,，并使 工件的底面中心分別位于這些點(diǎn)上，再將絲杠母座 也裝配到工作臺(tái)上.其中,，工件底面中心位于1點(diǎn) 處的裝配體如圖2所示.3靜力學(xué)分析ANSYS Workbench 是 ANSYS 公司開(kāi)發(fā)的 新一代協(xié)同仿真集成平臺(tái),，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(guò) SolidWorks 和 ANSYS Workbench 無(wú)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(shí),，模型特征的丟 失,，省去了模型重建的時(shí)間[12].工作臺(tái)裝配體各部 分的材料屬性如表1所示.劃分網(wǎng)格時(shí)精度選取高精度 其余選項(xiàng)均按默認(rèn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分１３ 網(wǎng)格劃分后工作臺(tái)的有限元模型如圖３所示．３．２ 施加載荷和約束工作臺(tái)沿 Ｘ向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 滑塊與線性導(dǎo)軌的約束可以設(shè)定為Ｘ向自由運(yùn)動(dòng) Ｙ向 Ｚ向不能移動(dòng) 絲杠母座與絲杠屬于過(guò)盈配合 不允許發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) 故對(duì)絲杠母座的一個(gè)端面施加約束時(shí)Ｙ向 Ｚ向自由運(yùn)動(dòng) Ｘ向不能移動(dòng)．3.3計(jì)算結(jié)果與分析因要計(jì)算靜剛度，所以需要求解工作臺(tái)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(tái)在各個(gè)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(tái)上1處 時(shí)的工作臺(tái)總變形,，如圖4所示.計(jì)算工件在0形筋工作臺(tái)、橢圓形筋工作臺(tái) 和井字形筋工作臺(tái)54個(gè)位置處的復(fù)合靜剛度，考 慮到在實(shí)際加工時(shí),，工件不會(huì)被裝夾到工作臺(tái)邊緣 處,，因此沒(méi)有在邊緣處取點(diǎn).再由工作臺(tái)的對(duì)稱(chēng)性， 得到整個(gè)工作臺(tái)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(tái)上：0形筋工 作臺(tái)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(tái)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(tái)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(lái),，三種不同的工作臺(tái)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(tái)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(tái)的這些區(qū)域，可提高其加 工精度.井字形筋工作臺(tái)的平均復(fù)合 靜剛度******,，工件在其上加工時(shí),，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(jìn)行加工時(shí),，位置的選 擇對(duì)工件的加工精度影響很大.4結(jié)論用SolidWorks軟件建立了龍門(mén)加工中心工作 臺(tái)3種三維實(shí)體模型,，在ANSYS Workbench軟件 中進(jìn)行了靜力學(xué)分析，最后使用MATLAB軟件繪 制了工作臺(tái)的靜剛度圖譜,，可得到以下結(jié)論： 從工作臺(tái)質(zhì)量上看：井字形筋工作臺(tái)質(zhì)量 比橢圓形筋工作臺(tái)質(zhì)量輕10. 14kg，比0形筋工作 臺(tái)輕14. 11kg,，其慣性力對(duì)工作臺(tái)的影響最小當(dāng)工件加工需要工作臺(tái)經(jīng)常做高速運(yùn)動(dòng)時(shí),，建議選用 井字形筋工作臺(tái).(1) 從工作臺(tái)平均復(fù)合靜剛度上看：井字形筋 工作臺(tái)平均復(fù)合靜剛度比橢圓形筋工作臺(tái)高 11. 85%，比0形筋工作臺(tái)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(shí)，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(tái). (3 )從工作臺(tái)靜剛度標(biāo)準(zhǔn)差上看：井字形筋工 作臺(tái)的靜剛度標(biāo)準(zhǔn)差比0形筋工作臺(tái)和橢圓形筋 工作臺(tái)分別高23. 10%和12. 46%，0形筋工作臺(tái) 的靜剛度波動(dòng)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(shí),，建議選用 0形筋工作臺(tái).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！