基于ANSYS的臥式加工中心靜剛度分析

沈陽機床股份有限公司 畢巖 陳冉

基于ANSYS的臥式加工中心靜剛度分析

沈陽機床股份有限公司 畢巖 陳冉

一、引言

為了滿足我國汽車、模具、航空航天及國防軍工等行業的裝備需要，我廠自主研發出一款臥式加工中心HMC50e。此款機床具有高效率、高精度和高剛性的特點，靜剛度是金屬切削機床重要的性能指標之一，所以提升機床的靜剛度更有利于提高機床的效率、加工精度和表面加工質量。

本文通過ANSYS有限元分析軟件對HMC50e臥式加工中心進行靜剛度分析，并尋找機床的薄弱環節。

二、建立有限元模型

有限元分析方法是簡單有效的剛度分析方法，其基本思想是將結構進行有限元離散化，各個單元之間通過有限元節點連接，根據有限元基本理論建立有限元總體平衡方程，最后求解分析。

HMC50e的有限元模型依據其三維SolidWorks模型建模，包括主要的基礎大件和傳動部件。首先對模型進行簡化，去掉機床外圍件，如水箱排屑器、氣動液壓潤滑件；忽略機床內外防護件，刀庫本體（因刀庫本體有地腳支撐）；保留床身、立柱、主軸箱、轉臺及交換臺站等；保留傳動部組件。如圖1和圖2所示為簡化前后機床結構對比圖。

圖1 簡化前的機床模型

圖2 簡化后的機床模型

然后將簡化好的三維模型傳送到ANSYS中，開始進行單元的選擇、實常數的確定、材料特性的確定、網格劃分。最后劃分的模型由240596個單元，522713個節點組成，如圖3所示。

圖3 有限元模型

三、整機分析過程及結果

在做HMC50e臥式加工中心整機的剛度分析時，需要確定主軸工作時刀具端在各個自由度方向的變形，同時還要確定工件端各個自由度方向的變形，從而確定整個機床的剛度。

首先進行只受重力狀態下的整機變形情況，然后分別在刀具端和工件端的對應面上施加X、Y、Z三個方向的模擬切削力觀察機床整機的變形情況。

1.重力作用下的變形

機床在自身重力作用下的變形情況，如圖4所示。刀具端的最大位移為0.082mm，工件端的最大位移為0.036mm。

2.X方向切削力作用下的變形

機床在X方向10000N切削力作用下的變形情況如圖5所示，刀具端的最大變形為0.20854mm，工件端的最大變形為0.0946mm，得到工藝系統的剛性為，kx=Fx/Δx=10000/（0.20854+0.0946）=3N/μm。

圖4 重力作用下的變形情況

圖5 Fx作用下的變形情況

3.Y方向切削力作用下的變形

機床在Y方向10000N切削力作用下機床的變形情況如圖6所示，刀具端的最大變形為0.173mm，工件端的最大變形為0.011mm，得到工藝系統的剛性為，kz=Fz/Δz=10000/（0.099+0.162）=38N/μm。

圖6 Fy作用下的變形情況

4.Z方向切削力作用下的變形

機床在Z方向10000N切削力作用下機床的變形情況如圖7所示，刀具端的最大變形為0.099mm，工件端的最大變形為0.162mm，得到工藝系統的剛性為：ky=Fy/Δy=10000/（0.173+0.011）=54N/μm。

圖7 Fz作用下的變形情況

綜上，情況如表1所示，Y軸方向的剛度最大，X軸和Y軸方向的剛度稍低。接下來再根據各個關鍵件的最大變形量以及所占比重來查找機床的薄弱環節。

表1 臥式加工中心整機變形和剛度

四、薄弱環節查找

數控機床工藝系統是一個機床、刀具、工件組成的串聯系統，工藝系統剛性低于整機中剛性最低的部件，因此分析各部件對工藝系統剛性的影響，找出薄弱環節，提高機床剛度。

根據有限元分析的數據，總結HMC50e臥式加工中心各部件在X、Y、Z方向分別作用下所引起變形的影響，分析各部件引起機床的位移值，如圖8所示；分析各部變形在整個系統中變形的比重，如圖9所示。

通過圖8和圖9得知，床身對X、Y方向的變形影響較大。由此可通過改進床身件，可提高機床整體剛度。

圖8 機床各部件變形引起工藝系統變形的真實值

圖9 機床各部件變形在工藝系統變形的比重

五、結語

從上述分析可以看出，應用ANSYS軟件對HMC50e臥式加工中心進行有限元分析，計算機床在三個方向切削力作用下的靜剛度，找到機床床身件為整機的薄弱環節。這種有限元軟件分析機床整機的剛度比較準確和簡便，有利于快速修改設計缺陷，減少設計成本。這對于提高機床產品的質量和技術水平，具有重要的理論意義和實用價值。

機床整體靜剛度是機床抵御恒定載荷的能力，是機床的重要性能指標之一。本文利用ANSYS有限元軟件，分析研究HMC50e臥式加工中心整機剛度，尋找機床的薄弱環節，并對整機的結構改進提供理論基礎。