大型落地鏜銑床滑枕的有限元分析

摘要:通過三維軟件建立了大型數控落地鏜銑床滑枕的三維模型，利用有限元軟件進行靜力分析，計算了滑枕的應力和變形情況。通過模態分析，計算了滑枕1至4階的固有頻率和振型，得到滑枕動態特性，進而指導滑枕設計與優化。

關鍵詞：滑枕；有限元；靜力分析；模態分析

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）04-0071-03

The FEM of the Ram of NC Boring and Milling Machine

WANG Si-guo1，ZHAI Hua1，XIA Lian1，HAN Jiang1，PAN Kang-jian2，FENG Yun2

（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China;

2.Wuhu Hensheng mill.Wuhu 242400，China）

Abstract: The ram is the most important part of the NC Boring and Milling Machine.The deformation of the ram influence the accuracy of the machining.Solid model of the ram has been built by software.Its static analysis，displacement and stress have been proposed based on the finite element method.One to four frequencies and dynamic characteristics of ram had been performed by modal analysis.The result will guide the design and optimization of the ram.

Key words: ram；finite element method；static analysis；modal analysis

數控落地鏜銑床是加工數控鍛壓裝備中大型零件的重要工作機床，主要用于油缸、橫梁等零件的加工。滑枕作為其重要部件，在機床加工工件時會產生彎曲變形，從而使加工軸線發生變化，影響機床加工精度。為分析滑枕靜態和承受載荷時的彎曲變形量，本文建立了鏜銑床滑枕的三維實體模型和有限元模型，并對模型進行了靜力分析和模態分析，得出滑枕的靜力位移變形云圖和四階固有頻率振型云圖，以指導滑枕設計。

1 滑枕的三維模型

在對機床進行動力分析和動態設計的基礎上，建立了機床結構的動力學模型，準確而可靠的模型是進行精確分析的前提。某大型落地鏜銑床滑枕長3.64 m，寬0.48 m，高0.54 m，安裝在主軸箱上，其最大行程為1.2 m。采用三維設計軟件建立實體模型，由于模型較為復雜，為有限元分析考慮，適當簡化模型中的倒角、小圓角等，簡化后的模型及剖視圖如圖1所示。

2 滑枕的有限元模型

由于滑枕是不規則的空間幾何體，在網格劃分時，采用solid185單元構造三維實體結構，該單元通過8節點來定義，每個節點有沿著X、Y、Z方向平移的3個自由度。圖2為進行網格劃分后的有限元模型。

要對模型進行有限元分析必須明確滑枕的受力情況，滑枕所受載荷主要是：主軸箱對其作用力Fr，通過滑枕與主軸箱接觸處的導軌板和鑲條作用在滑枕上；滑枕裝配體內部零件對滑枕的重力G；機床加工時產生的切削力Fm等。將滑枕伸出主軸箱0.5 m鏜桿伸出滑枕0.4 m作為主要工況分析，經過計算Fr分別為96 836 N、3 634 N，G=50 000 N，Fm 1=26 525 N，Fm 2=37 892 N。

邊界條件包括部件的約束條件、剛性位移等是有限元計算中的關鍵因素。根據設計，滑枕底面通過4個導軌板與主軸箱連接，接觸面做 X與Z向約束，同時滑枕與主軸箱左右兩側鑲條接觸面做 Z向約束。滑枕材料對應的楊氏模量為1.45×1011 Pa，泊松比為0.27。

3 滑枕的有限元計算結果

本文主要計算的是滑枕在主要工況和極限工況時的下垂變形量，而滑枕伸出主軸箱0.5 m時是主要工作狀態，其最大行程則為伸出1.2 m。分別對兩種工況下的有限元模型進行約束與載荷施加，經計算得到靜力分析的位移等值線圖，以及模態分析的振型云圖。

3.1 滑枕靜力剛強度分析

分別對滑枕伸出主軸箱0.5 m與1.2 m進行有限元分析，得出兩種受力狀態下的靜力變形云圖見圖3。

從等值云圖中可以看出：在兩種工作狀態下，滑枕最大位移位于滑枕端部，主要變形是端部下垂，其下垂量分別為0.015 mm與0.137 mm；滑枕在主要工況下下垂量較小，整體剛度較好，結構設計較為合理，完全伸出時端部變形較大，為防止加工誤差過大，需要設計相應的誤差補償機構。

3.2 滑枕模態分析

模態分析關心的是結構的固有頻率特性，對滑枕進行模態分析，可以得到其動態特性。分析中采用Lanczos 法，該方法根據載荷空間分布模式按一定規律生成一組向量，將系統運動方程轉換到其向量空間后，求解減縮的標準特征值問題，通過坐標系的變換得到系統運動方程的全部或部分特征解［5］。

滑枕的動態性能反映其結構在動態切削力作用下的抗振能力［6］，考慮到機床的工作頻帶，滑枕的前幾階模態起到重要作用。這里分別對滑枕伸出主軸箱0.5 m和1.2 m兩種工作狀態進行模態分析。表1顯示了兩種工況下前四階固有頻率計算結果，在滑枕工作時，外界激振頻率應遠離第1、2階固有頻率，防止產生共振現象，造成加工誤差。

由表1可以看出滑枕在兩種工況下前幾階固有頻率較高，滑枕整體動態性能較好，抗彎扭能力強。前四階模態變形云圖見圖4、圖5。

4 結論

建立了大型落地鏜銑床滑枕的三維模型，并對模型進行合理簡化，將模型導入有限元軟件中，得到了滑枕的有限元模型，對所得模型進行了靜力分析和模態分析。

1）分析得出的結果還需要與實驗相印證，表明此種分析方法是可行的；

2）靜力分析結果表明滑枕整體結構設計較為合理，同時所得的下垂量為后續的誤差補償提供數據支持；

3）模態分析結果表明滑枕固有頻率較高，動態性能很好。

參考文獻：

［1］ 畢承恩.現代數控機床［M］.北京：機械工業出版社，1993.

［2］ 黃國權.有限元法基礎及ANSYS應用［M］.北京：機械工業出版社，2004：31-156.

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［5］ 李潔，蹇興東，史慶春.機床立柱結構動態特性分析及優化設計［J］.現代制造工程，2007，（9）.

［6］ 季晗.大型數控落地鏜銑床整機分析［J］.機械制造，2008，48（8）.