型材加工中心鞍板的優化設計

歐陽兆彰

（江門職業技術學院，江門 529000）

引 言

型材加工中心專門針對長度較長的零件加工，例如用于高鐵導軌表面加工，如圖1 所示。進口的精密型材加工中心價格較高，國產的設備普遍是仿制，但加工精度相對較低。因此，研發精度較高的精密型材加工中心，滿足市場需求，十分必要。而產品加工的直線度是目前國產設備必須克服的技術難題。其中，鞍板是型材加工中心重要的承載部件。切削時，既要沿工作臺作橫向移動，還要承載立柱、主軸箱等主要的部件的縱向移動，如圖2 所示。鞍板靜態特性對型材加工中心的產品加工的直線度有重要的影響，是研制精密型材加工中心工作中的重要環節。鞍板在切削加工的過程中，還承受各種復雜多變的外界載荷，鞍板必須有合理的結構設計與強度，才能確保設備加工精度。

江門職業技術學院與某公司聯合，分析的新型的型材加工中心的鞍板結構，初步三維設計圖如圖3 所示。在產品設計初期，建立鞍板的分析模型，通過ANSYS 有限元分析軟件對靜態特性進行分析，了解鞍板具體位置的變形量，可有效確保整機加工的精度，并為改進設計提供參考依據。

圖1 型材加工中心

圖2 型材加工中心分析模型結構

一、鞍板的受力變形優化與加工精度影響

圖3 自主研發的鞍板三維模型

根據實驗機型的加工試驗，本文研究的型材加工中心直線度誤差在一米長度內為30 μm，超出設計要求，需要把誤差控制在20 μm 以內。現對鞍板進行分析，鞍板安裝在床身直線導軌的兩處滑塊上，承受主軸箱等重量約1 350 kg，如圖4 所示。經ANSYS 的有限元計算分析，可知尾部是危險處，有27 μm 的變形。與實際加工的直線度誤差相似。原因為當立柱的總重量集中在鞍板尾部時，超出后支撐位置的重量形成翻轉力矩，導致尾部變形較大，據此分析鞍板的尾部變形可認為是影響加工直線度誤差的主要原因。

二、鞍板的優化設計

針對鞍板的分析結構，對鞍板進行三種結構優化方案。方案1，把危險處的兩處結構孔填充，加強尾部的強度，利用Ansys 軟件分析，尾部變形有效減少7 μm 的變形，如圖5 所示；方案2，在尾部添加尾翼，作為尾部的加強筋達到增強尾部的強度，經分析，尾部變形有效減少4 μm 的變形，如圖6所示；方案3，改變直線導軌的安裝位置，將鞍板的支撐后移140 mm，經分析，尾部變形有效減少8 μm的變形，如圖7所示。

圖4 鞍板結構改進示意圖

圖5 填充尾部結構孔變形分析

圖6 尾部添加尾翼變形分析

結 語

通過ANSYS 軟件，完成了型材加工中心的鞍板變形分析計算，并對鞍板的結構進行3 種方案改進與分析對比，得到鞍板的最大變形。分析表明，方案3 能最大限度減少鞍板的尾部變形，提高整機切削時的直線度誤差，可為下一步鞍板的最終結構的設計工作提供依據，更有效降低降低成本，并確保整機質量。

圖7 改變支承位置變形分析