大型鑄件工作臺底座的結構分析和優化設計

楊奇彪， 李寅林， 游達章

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

長機科技生產的YK31350型插齒機工作臺底座是一大型金屬鑄件(材料為鑄鐵)，在常溫下機床不斷使用過程中，由于應力分布不均，易出現鑄件過早斷裂等問題．

ANSYS軟件由于其強大的仿真計算功能被各行各業廣泛采用．文獻[1]通過ANSYS-workbench對DVG850高速立式加工中心工作臺進行了優化，結果表明改進后的工作臺保持了原結構的剛度，質量卻減少了近10%；文獻[2]通過ANSYS對加工工作臺組件、文獻[3]對鉆床工作臺、文獻[4]對立式加工工作臺均得出了類似的結論．因此采用ANSYS動態結構分析，此次分析過程分為兩個部分：一是計算工作臺靜態下的應力分布：二是計算機床運轉過程中工作臺的應力分布．

1 應力分析基礎理論

生產過程中，機床工作臺底座的應力主要有來自于工作臺各種裝配零件的自重、電機帶動渦輪旋轉的扭矩以及緊固地面的螺釘緊固力和中床身接觸面的緊固力，這里只需分析清楚各個力的大小，作用面積即可，并且只需考慮正應力，而不必考慮其他復雜應力．應力

(1)

(2)

2 建模

先將工作臺底座模型直接導入ANSYS-workbench有限元軟件，工作臺內部有工作臺主軸(8 636.815 kg)、主軸墊片(124.004 kg)、渦輪軸套(2 459.101 kg)、雙渦輪蝸桿(481.675 kg，483.819 kg)、主軸軸套(706.023 kg)、軸套結合套(692.488 kg)、渦輪墊環(2 234.952 kg)、渦輪墊片(1 490.488 kg)、液壓底片(223.830 kg )，另外插齒機工作載荷在2～6 t(在應力分析時會采用6 t的應力進行分析)．

由于是雙渦輪蝸桿傳動，工作臺主軸上套有套筒以及雙渦輪蝸桿的軸套結合套．由于有液壓墊片，即渦輪蝸桿下面存在液壓，并非完全由工作臺底座承受中午靜壓的．由于計算應力時主要關心施加載荷，因此可忽略工作臺底座內部的裝配關系，工作臺底座的模型如圖1所示．

將工作臺底座模型導入ANSYS-workbench后，首先進行網格劃分．網格采用四面體網格，劃分后的工作臺底座如圖2所示．

圖 1 工作臺底座三維模型

圖 2 網格劃分后的工作臺底座

基于模型的復雜程度，在實際分析過程中對模型進行一定的簡化，去掉了一些螺紋孔以及一些不影響整體結構受力的小孔等，這樣在進行應力分析的時候更簡便，施加載荷和約束也更簡便．

由于工作臺底座與地面被地腳螺釘鎖死，并與中床身接觸面鎖緊，因此一個約束施加在途中模型下面的一圈孔和底面，另一個與中床身的接觸面是施加固定面的約束，與緊固螺釘約束施加在側面．

經過多方面的考慮，為便于簡化分析，本文去掉了電機等小應力對底座的影響，僅考慮對底座的壓力垂直分布在底座內部環形結構周圍．

圖2中深色位置周圍施加載荷，計算來源于零件配重相加環形結構內徑1 250 mm和外徑1 450 mm，以及外圈渦輪蝸桿的載荷面外圈1 650 mm和2 250 mm，通過式(2)計算可得：σ1=0.1 MPa，σ2=0.09 MPa．施加完載荷后，直接進行分析得到應力分布圖(圖3)．

圖 3 施加載荷后的工作臺底座應力分布

考慮到工作臺底座仍然存在較大應力以及變形，因此需要對該模型進行優化設計．由于應力主要集中在底，且應力較大，因此可將底座的加強筋進行加厚，修改后的工作臺底座模型如圖4所示．

圖 4 模型修改后的工作臺底座

重復以上步驟進行分析，得到模型修改后的工作臺底座的應力分布(圖5)，相比較圖2而言，工作臺底座的整體應力減小了許多．

圖 5 模型修改后的工作臺底座應力分布

3 結論

本文通過應用ANSYS軟件，分析大型鑄件插齒機工作臺底座在生產過程中應力對鑄件結構的影響，計算結果表明：出現最大應力部位和容易出現裂紋部位吻合．

[參考文獻]

[1] 高東強，毛志云，張功學，等. 基于ANSYS Workbench的DVG850工作臺拓撲優化[J]. 機械設計與制造，2011(02):62-63.

[2] 胡春陽. 基于ANSYS的加工中心工作臺組件的有限元分析及優化[D].合肥：合肥工業大學圖書館，2012.

[3] 劉光浩，黃 偉，陳超山，等. 基于ANSYS的ZK5150型鉆床工作臺有限元靜動態分析與尺寸優化[J]. 組合機床與自動化加工技術，2010(09)：89-95.

[4] 馮成國，曹巨江，張 磊.基于ANSYS Workbench的立式加工中心工作臺動特性研究[J]. 2013, 41(07): 175-177.