某數控臥式加工中心整機有限元分析

摘要：首先應用三維設計軟件建立某數控臥式加工中心的三維模型。將三維模型轉化為整機的有限元模型，并對其進行了靜態分析和動態分析，得出了三個方向的靜剛度和整機1-5階固有頻率和振型，尋找出了機床的薄弱環節，為機床結構的優化設計提供了參考依據。

關鍵詞：機床有限元法；靜力分析；模態分析

引言

機床是由多個零部件組成的復雜組合結構，僅對個別零部件進行分析，無法全面反映機床整體的性能，必須對機床進行整機有限元分析。

有限元分析是一種分析計算復雜結構的數值計算方法，為機床的靜、動態特性分析提供有力的工具。本文以某臥式加工中心為研究對象，采用有限元分析軟件對其進行靜力分析和模態分析，徐找機床的薄弱環節，為機床設計的改進提供依據。

1 有限元模型建立

利用Pro/ENGINEER軟件進行機床整機的CAD建模。為了節省計算時間，提高分析效率，盡可能如實地反映機床的主要力學特征前提下。需要對CAD模型進行必要的簡化，比如刪除掉倒角、圓角、螺紋孔等小特性以及不涉及力傳遞的小零件。簡化后的CAD模型如圖1所示。

將CAD模型導入ANSYS軟件，根據零部件之間實際的接觸情況，設置接觸面的接觸形式，所有外購件的剛度來自供應商的樣本手冊，其剛度特性由假想材料模擬。采用四面體單元進行網格劃分。有限元模型由259565個單元，811144個節點組成，有限元模型如圖2所示。

2整機靜力學分析

首先進行只受重力狀態下的整機計算，然后分別在刀具和工件的對應面上施加X，Y，Z三個方向的力并觀察機床各個部件的變形情況，在X方向受力變形情況如圖3。

3 機床薄弱環節查找

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。

機床各部件對Fx，Fy，Fz分別作用下所引起變形的影響如圖4所示。

圖中橫坐標為機床的各個部件，縱坐標為各部件變形在工藝系統變形中所占的比例情況。

4 整機模態分析

模態分析是整機動態特性的基礎，也是研究整機動態特性的必要工作。通過模態分析可以判斷陣型是否影響加工精度，為機床結構件的優化提供判斷依據。

如圖5所示為整機的一階固有頻率為35.338Hz，振型為繞機床Z軸擺動。

其余幾階的固有頻率及振型情況如表2所示。

5 結論

通過對某臥式加工中心的整機有限元分析，得到了整機的靜、動態性能，并尋找出機床的薄弱環節，為結構的優化提供參考。得出以下結論：

1.機床的三個方向的剛性比較好，X方向剛性相對較低，但可以保證正常工作。

2.整機的固有頻率均較高，保證了機床的動態性能。

3.分析得出立柱為相對薄弱環節，進行合理的改進可以進一步提高機床的靜、動態性能。

參考文獻

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作者簡介：李帥，男，1986年生，畢業于東北大學機械設計及理論專業，工學碩士。工作單位：沈陽機床（集團）有限責任公司設計研究院，工程師。主要研究方向：金屬切削機床切削測試、切削仿真、機床整機性能優化等。

（作者單位：沈陽機床（集團）有限責任公司）