模塊化斜床身結(jié)構(gòu)靜動態(tài)性能研究
2020-9-2 來源：通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司 作者： 吳慧敏
摘要 : 針對新型模塊化數(shù)控車床產(chǎn)品，利用 ANSYS 軟件對其整體鑄造斜床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)分析，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，為機(jī)床進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級與批量生產(chǎn)提供了理論試驗(yàn)依據(jù)。
關(guān)鍵詞 : 模塊化; 整體式; 斜床身; 車床
隨著工業(yè) 4.0 興起，制造業(yè)不斷向智能制造方向轉(zhuǎn)變。模塊化機(jī)床是現(xiàn)代生產(chǎn)的一種新型模式。模塊化系統(tǒng)定義為一種盡可能的通用的可替換的基本部件組合成不同形式機(jī)床品種的生產(chǎn)技術(shù)和組織計(jì)劃方式。針對這一理念，以廠內(nèi)新型模塊化數(shù)控車床為例，通過靜動態(tài)分析模塊，分析了 40°整體式床身靜動態(tài)性能，為實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)提供了有價(jià)值的參考。該機(jī)床的 Pro/E 模型如圖 1 所示。床身采用整體鑄造成形，床身導(dǎo)軌 40°傾斜布局，有較大的承載截面，其他模塊按照市場需求進(jìn)行不同配置，可實(shí)現(xiàn)高精密、高效率和高可靠性加工。
圖 1 模塊化機(jī)床架構(gòu)
1. 整體式斜床身有限元模型建立
床身作為機(jī)床承載載荷的基礎(chǔ)，其性能非常重要。需要對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，找出應(yīng)力和變形最大的薄弱點(diǎn)，為衡量機(jī)床性能提供可靠的依據(jù)。
由于過渡圓角、螺栓孔及模型中的小孔對床身的質(zhì)量及剛度不會產(chǎn)生大的影響，完全可以保證足夠的計(jì)算精度，因此可以去掉這些特征。將 Pro/E 軟件建立的床身模型導(dǎo)入 ANSYS中。設(shè)置床身材料為 HT300，密度為 7 300kg/cm3，楊氏模量為 1.43×1011Pa，泊松比為 0.26。采用四面體和掃掠網(wǎng)格劃分，床身節(jié)點(diǎn)數(shù)為 341789 個(gè)，單元個(gè)數(shù)為 187 625。整體式斜床身有限元模型如圖 2 所示。
圖 2 整體式斜床身有限元模
2. 斜床身靜力學(xué)分析
數(shù)控車床斜床身底部與地基固定，可以定義為全約束，主要承載載荷見表 1。上導(dǎo)軌面承載刀塔刀盤和滑板的共同質(zhì)量，下導(dǎo)軌面承載主軸箱和尾座的共同質(zhì)量。在工礦下，上下導(dǎo)軌均承受切削力的作用。
表 1 斜床身載荷參數(shù)（質(zhì)量 ：kg）
針對此床身 40°傾斜設(shè)計(jì)，從床身靜態(tài)有限元分析可知，最大應(yīng)力區(qū)域分布在床身背部一些筋板連接處，上下導(dǎo)軌應(yīng)力很小，對實(shí)際加工幾乎沒有影響，床身最大應(yīng)力為 28 540N，如圖 3所示。
圖 3 斜床身最大應(yīng)力云圖
最大變形位置出現(xiàn)在上導(dǎo)軌中間稍微靠左的位置，這與工況下導(dǎo)軌受到最大的力相吻合，此處正是加工工件時(shí)刀塔的位置。由于導(dǎo)軌傾斜40°，上導(dǎo)軌外側(cè)部分承載力較大，但是其變形量最大只有 0.108×10-3mm，如圖 4 所示，說明床身結(jié)構(gòu)變形非常小，可以滿足加工精度，確保加工質(zhì)量。
圖 4 斜床身最大變形云圖
3. 斜床身模態(tài)性能分析
同樣，按照圖 2 結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分有限元模型，運(yùn)用 Block Lanczos方法計(jì)算模態(tài)分析結(jié)果見表 2。提取床身的前六階振型如圖 5 所示。
表 2 斜床身前 6 階振型計(jì)算結(jié)果
圖 5 斜床身前 6 階振型
數(shù)據(jù)分析可得，床身振動的位移量范圍約為0.052~0.079mm，對于加工影響不是很大，并且模態(tài)振動的固有頻率最小為 303.38Hz。根據(jù)計(jì)算得到一階臨界轉(zhuǎn)速約為 13 652r/min，而該機(jī)床最高轉(zhuǎn)速為 4 000r/min，遠(yuǎn)低于臨界轉(zhuǎn)速，不會發(fā)生共振。說明該床身完全符合初期構(gòu)想的技術(shù)要求。
4. 動態(tài)性能試驗(yàn)驗(yàn)證
對于首臺試制整體式床身數(shù)控車床，需要對其進(jìn)行動態(tài)性能試驗(yàn)，檢驗(yàn)其各項(xiàng)性能是否符合技術(shù)要求。同時(shí)為了驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性，對該斜床身數(shù)控車床進(jìn)行切削試驗(yàn)驗(yàn)證。按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T
9061—2007 和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JB/T2322.1—2002 要求，根據(jù)機(jī)床相關(guān)參數(shù)選擇刀具和試件見表 3。試件裝夾如圖 6 所示。
表3 試驗(yàn)參數(shù)
表4 實(shí)驗(yàn)切削參數(shù)
圖 6 切削顫振試驗(yàn)
經(jīng)過多次切削試驗(yàn)，得到切削參數(shù)見表 4。該機(jī)床最大切削深度可達(dá)7mm。并且試驗(yàn)中無切削顫振現(xiàn)象，工件表面無明顯振紋，說明該機(jī)床的動態(tài)性能良好，驗(yàn)證了床身有限元分析的準(zhǔn)確性。
5. 結(jié)語
本文運(yùn)用 ANSYS 軟件對新型整體式床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜動態(tài)分析計(jì)算，證明床身最大應(yīng)力區(qū)域分布在床身背部一些筋板連接處，上下導(dǎo)軌應(yīng)力很小。最大變形位置出現(xiàn)在上導(dǎo)軌中間稍微靠左的位置，應(yīng)力和變形數(shù)值都很小，驗(yàn)證了其強(qiáng)度和剛度的合理性。同時(shí)，得到了在切削中床身容易發(fā)生共振的頻率范圍，驗(yàn)證了整體式床身結(jié)構(gòu)的合理性。通過實(shí)際加工試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步證明了該床身結(jié)構(gòu)的可靠和穩(wěn)定。為該新型整體式斜床身的批量生產(chǎn)提供了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。
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