立式加工中心立柱靜力分析與優(yōu)化

國興洋 王加祥 胡 明

（山東省機械設(shè)計研究院，濟南 250031）

立柱是加工中心核心部件，同時也是主軸箱進給的承載部件，其剛性和動態(tài)響應(yīng)能力關(guān)乎整個機床的加工精度與生產(chǎn)率[1]。相對于底座、滑板等結(jié)構(gòu)鑄件，立柱的變形量對整機精度的影響最大，合理的立柱設(shè)計可以提高整個機床的系統(tǒng)剛性、加工質(zhì)量和精度，減少各種變形、振動問題。因此，提高立柱的動靜剛度在現(xiàn)實生產(chǎn)中具有重要意義。本文利用Solidworks Simulation系統(tǒng)，對立柱進行靜態(tài)受力分析，并根據(jù)分析結(jié)果對立柱內(nèi)部筋板及結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高了立柱的剛性。

1 Solidworks Simulation軟件簡介

SolidWorks Simulation是SolidWorks 內(nèi)部集成的一套設(shè)計分析系統(tǒng),可進行應(yīng)力、頻率、扭曲以及熱分析，SolidWorks Simulation解算器運算精準、快速，而且三維模型可以直接由SolidWorks生成，避免了建模軟件與分析軟件間的兼容問題。此外，SolidWorks軟件易學易用、功能強大，用軟件集成的SolidWorks Simulation系統(tǒng)進行分析優(yōu)化模型，可減少設(shè)計過程中的錯誤，提高產(chǎn)品質(zhì)量?？傊?，利用SolidWorks Simulation系統(tǒng)對機械零件進行應(yīng)力分析，具有方法簡單，容易實現(xiàn)等特點[2-5]。立式加工中心機床大件的CAE分析流程如圖1所示。

圖1 有限元分析流程

2 立柱CAE分析與優(yōu)化

2.1 立柱有限元模型建立

利用Solidworks軟件建立立柱數(shù)字化模型，因為立柱結(jié)構(gòu)復雜，為了保證分析速度，且獲得高質(zhì)量分析數(shù)據(jù)，忽略立柱模型中對結(jié)果分析影響不大的部位，如倒（圓）角、凸臺、螺紋孔等，影響誤差忽略不計[6]，簡化后模型如圖2所示。

圖2 簡化后立柱模型

2.2 立柱靜力分析

2.2.1 立柱參數(shù)設(shè)定

該立柱材料為鑄鐵，各向同性，介質(zhì)均勻。材料定義為HT300，具體屬性如表1所示。

表1 HT300材料屬性

2.2.2 單元選取與網(wǎng)格劃分

中心立柱網(wǎng)格劃分采用了Solidworks Simulation系統(tǒng)中網(wǎng)格自動劃分的方法，劃分后單元數(shù)為36389個，節(jié)點總數(shù)為72081個。

2.2.3 立柱加載與約束

忽略慣性和阻尼影響進行靜力分析，計算分析構(gòu)件在受到靜力載荷過程中的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移情況。結(jié)構(gòu)的靜剛度是由構(gòu)件的材料性能、截面形狀、截面尺寸以及筋板布置形式等多個方面決定的，構(gòu)件靜剛度是衡量結(jié)構(gòu)特性優(yōu)劣的重要指標[7]。進行有限元結(jié)構(gòu)分析時，計算結(jié)果只對邊界條件負責，只有所選的邊界條件滿足有限元平衡方程的求解要求，才能得出正確的結(jié)果。所選邊界條件與實際工況越接近，分析的精度就越可靠。

本立式加工中心立柱底部通過螺栓與機床底座固定，立柱頂部四個滑塊位置與滑板相連接，滑板可在立柱水平方向作X向進給。立柱除受自身重力載荷外，還受到滑板、主軸箱的重力載荷與加工時切削力的顛覆力矩。立式加工中心銑削加工的切削抗力如圖3所示，銑刀齒上受到的切削抗力的合力Fr可分別分解為徑向切削力Fx、切向切削力Fy和軸向切削力Fz。

圖3 銑削抗力分析

切向銑削力Fy是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗機床電機功率最多，如式（1）、式（2）所示。

式中，PE為主電機最大功率，kW；ηm為主傳動系統(tǒng)的傳動效率；Vmin為傳遞全部功率時的最低切削速度，m/min；dmax為最大銑刀盤直徑；nmin為主軸最低轉(zhuǎn)速。將本機床相關(guān)參數(shù)代入式（1）、式（2）中，可得Fx=521N，F(xiàn)y=1251N，F(xiàn)z=620N。

立柱所受工作載荷主要是主軸箱及滑板的重力以及切削抗力產(chǎn)生的扭矩。根據(jù)實際工況，將立柱底部結(jié)合面作為固定約束，在立柱導軌滑塊有效位置（兩滑塊間距離）施加主軸箱及滑板的重力載荷1373kN，按照鉆孔最大抗力，施加沿導軌結(jié)合面的翻轉(zhuǎn)扭矩4000N·m，進行靜力分析如圖4所示。

圖4 立柱網(wǎng)格、約束及載荷

2.2.4 立柱靜力分析

利用Solidworks Simulation系統(tǒng)對立柱受力位移云圖進行繪制，如圖5所示，可以看出立柱最大變形量為0.01835mm，發(fā)生在立柱頂端后部。立柱變形趨勢為中間彎曲。

2.3 立柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

由于立柱是主軸箱的承載部件，因此加工過程中立柱的微小變形，通過滑板、主軸箱的傳遞在主軸箱刀具部位都會放大，對主軸加工精度產(chǎn)生非常大的影響。因此要盡量減少立柱變形，特別是立柱導軌面的變形。通過立柱靜力分析結(jié)果可以看出，立柱后側(cè)變形最大，立柱中間位置是機床加工的主要區(qū)域且是立柱的薄弱點，可以通過改變立柱內(nèi)部筋板布置的方式進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在不改變零件重量的前提下，詳細來說通過減少筋板厚度、增加筋板數(shù)量以及立柱底部加筋等措施實現(xiàn)。分別對立柱內(nèi)部增加筋板及底部增加筋板建立三維模型，并按分析流程，依次增加相同的約束與受力，分析后的結(jié)果如表2所示。

圖5 立柱受力位移云圖

表2 立柱優(yōu)化最大位移

從優(yōu)化結(jié)果可以看出，通過增加筋板及底部筋板后，立柱剛性有了提高，立柱的最大變形量位移減少了0.004mm，達到了優(yōu)化目的。

3 結(jié)語

本文應(yīng)用Solidworks Simulation軟件.對三維建模的加工中心立柱進行了靜態(tài)受力分析，模擬實際加工過程中的受力及約束情況，獲得了立柱受力變形跟位移的關(guān)系，最后通過分析變形結(jié)果及位移云圖，決定了優(yōu)化方向，通過多次優(yōu)化分析，獲得最優(yōu)立柱結(jié)構(gòu)?？芍肧oildworks Simulation軟件對結(jié)構(gòu)進行動有限元分析，可以快速有效確定結(jié)構(gòu)最優(yōu)優(yōu)化方案，縮短產(chǎn)品試制周期，達到節(jié)省試驗時間及成本的目標。