基 于ANSYS workbench　對X、Y軸分置式倒立車床與X、Y軸疊加式倒立車床主軸剛度對比分析

◎施晶晶 李鷺揚 柳輝

基 于ANSYS workbench對X、Y軸分置式倒立車床與X、Y軸疊加式倒立車床主軸剛度對比分析

◎施晶晶 李鷺揚 柳輝

應用 ANSYS workbench對機床施加切削力，計算出X、Y軸分置式倒立車床與X、Y軸疊加式倒立車床的三爪卡盤位移量，進行位移數據對比，并說明X、Y軸分置式倒立車床主軸剛度大于X、Y軸疊加式倒立床。

制造業直接體現了一個國家的生產力水平，是區別發展中國家和發達國家的重要因素，制造業在世界發達國家的國民經濟中占有重要份額。車床是機加工制造業的工作母機，不同的車床結構排布影響著車床的加工精度，因此影響著國家生產力水平。X、Y軸分置式倒立車床是車床中的一種，其主要特點是主軸倒置和X、Y軸分置，它主要由主軸箱、主軸電機、導軌、絲桿、電機、油缸、三爪卡盤、托板等組成。分析在工作條件下X、Y軸分置式倒立車床與傳統的X、Y軸疊加式倒立車床主軸受到切削力與自身的重力而產生的位移，證明X、Y軸分置式倒立車床剛度大于傳統的疊加式倒立機床，以證明X、Y軸分置式倒立車床結構性好。

本文利用三維建模軟件Solidworks對X、Y軸分置式倒立車床與傳統的X、Y軸疊加式倒立車床身進行參數化建模，然后導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中對兩種倒立機床進行靜力學分析，計算出主軸的位移并進行數據對比，說明X、Y軸分置式倒立車床剛度高于傳統的X、Y軸疊加式倒立車床。

靜力學分析

模型建立

X、Y軸分置式倒立車床和傳 統的X、Y軸疊加式倒立車床它們都主要由主軸箱、主軸電機、導軌、油缸、三爪卡盤、托板機身等組成。X軸的行程是700mm，機身的尺寸是1000mm×600mm×1000mm。傳統的X、Y軸疊加式倒立車床多了一個軸方向的移動，結構上多加一個Z軸托板、滾珠絲桿、電機、軸承等。

模型的正確建立是結構分析的基礎，模型的好壞會直接影響有限元分析結果。圖形比較復雜，在workbench中建立模型比較困難，所以用SolidWorks軟件對兩種倒立機床進行參數化建模，為提高靜力學分析的速度，將模型簡化，去掉上面的螺栓孔，將圖形進行簡化。機床材料被認為是各向同性的，密度分布均勻。

網格劃分

將在SolidWorks中建立的機床模型導入workbench中，將機身和軸托盤設置為灰鑄鐵HT250（GB） ，彈性模，泊松比0.156，質量密度，抗剪模量，張力強度，其他構件設為45鋼，彈性模，泊松比0.269，質量密度7890，抗剪模量，張力強度，屈服強度，ANSYS Workbench中的網格劃分平臺Meshing可以根據不同的物理場選擇相應的網格劃分方法，由于裝配體的圖形比較復雜，本文運用自動劃分網格，在四面體網格與掃掠劃分方法之間自動切換，減少劃分網格的工作量，網格單元尺寸為35mm，經網格劃分后，機架的有限元模型如圖1，、圖2所示，圖1整 個模型單元數為105922，節點數為189980，圖2整個模型單元數為135846，節點數為243652。

圖1　X、Y軸分置式倒立車床的有限元模型

圖2　X、Y軸疊加式倒立車床的有限元模型

圖3　總位移

圖4　總位移

施加邊界條件

模擬在工作時機床受到重力加速度、工件重量和切削力，設計時設置的加工工件額定直徑為160mm，工件額定高度為80mm，工件材料為45鋼，則工件重量為127N，在機床上施加一個豎直向下的重力加速度，在三爪卡盤上施加一個切削力。重力加速度為總切削力F分為切削力Fc，進給力Ff，徑向力Fp，而切削力Fc是切削分力最大的力，與總切削力F很接近，一般為總切削力F的85%～89%，所以一般情況下都以切削力Fc來代替切削總力。

ap—切 削深度（mm）a

粗車時ap為2～6mm；半精車ap為0.3～2mm；精車ap為0.1～0.3mm

f—進給量（mm/r）

Fc—切削力（N）； kc—單位面積切削力（N·m-2）

AD—切削層公稱橫截面積

粗車時ap為2～6mm；半精車ap為0.3～2mm；精車ap為0.1～0.3mma

在此處選擇 p=6mm

當工件的質量要求能得到保證時，為提高生產效率，可選擇較高的進給速度，一般100～200mm/min；在切斷、加工深孔或 用高速鋼刀具加工時，宜選擇較低的進給速度，一般在20～50mm/min范圍內選取；當加工精度、表面粗糙度要求較高時，進給速度應選小些，一般在20～50mm/miAn范 圍內選取已知主軸電機轉速為5000r/min，為計算到最大的D，在粗車加工情況下選擇參數

ap=6mm，f=200mm/min=0.04mm/r

機身底部螺栓孔用固定約束，底面用無摩擦約束，滑塊與導軌用無摩擦約束，其他零件用綁定接觸。

靜力學計算

主軸部件是數控機床最為關鍵的部件之一，其動靜態性能對機床的最終加工性能有非常重要的影響。這一影響在刀具切削工件造成的綜合位移影響中所占的比重可達60% ～80%［3］。因此對主軸在X、Y、Z三個方向上進行位移分析。

位移分析

X、Y軸分置式倒立車床主軸位移如下圖

匯總表：　　　　　　　　　 表1　主軸總變位移

從各個數據顯示，X、Y軸分置式倒立車床主軸位移量明顯比起X、Y軸疊加式倒立車床主軸位移量小，說明X、Y軸分置有效改善了傳統車床X軸、Z軸疊加后的剛度問題。

結論

利用SolidWorks參數化建立機床模型，利用workbench模擬工況下進行靜力學分析，算出主軸的位移，并進行比較，得出X、Y軸分置式倒立車床主軸位移量明顯比起X、Y軸疊加式倒立車床主軸位移量小，所以X、Y軸分置有效改善了傳統車床X軸、Z軸疊加后的剛度問題。

（作者單位：揚州大學 機械工程學院）