基于Workbench的數控銑床可靠性仿真分析

摘要：簡要分析了數控銑床工裝夾具的設計要點，利用有限元仿真軟件，對數控銑床夾具固定架進行了應力和變形仿真分析，以期提高數控銑床的運行可靠性，為相關技術人員提供一定參考。

關鍵詞：數控銑床;可靠性;有限元仿真;工裝夾具

0 引言

在我國傳統機械加工行業中，受到材料、設備、技術等方面的限制，產品的加工精度和加工效率無法滿足市場需求。機械加工企業采用數控銑床加工技術，可以有效提高金屬零件的加工質量，數控銑床的普遍使用，不僅推動了機械制造行業的健康發展，還在很大程度上解放了生產力，降低了工作人員的勞動強度。但是數控銑床在實際使用過程中，依然存在成本較高、容易發生故障、維修不便等問題。本文主要對數控銑床的工裝夾具進行分析和優化，通過減小數控銑床夾具的集中應力和變形量的方式，提高數控銑床的運行可靠性和穩定性。

1 數控銑床工裝夾具的設計要點

數控銑床的工裝夾具對于保證整體設備的正常運轉具有非常重要的影響。在設計工裝夾具時，必須使其與數控銑床的應用完全匹配。數控銑床的工裝夾具設計必須符合以下幾點要求：（1）增加夾具的固定范圍，數控銑床加工工件時，需要在保持一定工作空間和安全距離的同時，將加工工件完全固定在機器上，如果夾緊機構所在位置相對較低，可以避免主軸、工裝和夾具之間的摩擦干擾。（2）工裝夾具必須使用全方位安裝方法，以滿足機床零件的安裝方向與編程坐標系相匹配的要求。（3）提高夾具的剛性和穩定性，以滿足數控銑床對加工精度的要求。

2 數控銑床的金屬加工技術及其應用

2.1? ? 數控銑床的換刀操作

在數控銑床加工過程中，夾具執行相關動作的動力來源是壓縮空氣，通過壓縮機的工作，可實現工件的自動夾緊和松動，方便人員操作，并可自動更換控制裝置，但是換刀過程相對煩瑣，會浪費大量時間。因此，要充分考慮加工時間的長短，盡量減少換刀次數，還可以根據數控銑床工件的尺寸來改進夾具，一次夾緊多個工件，根據實際情況調整工件數量，使加工時間盡可能縮短。

2.2? ? 數控銑床的內部結構設計

在數控銑床夾具設計中，結構設計是非常重要的環節。在結構設計中，必須注意載荷的分布問題。在多數情況下，數控銑床的工裝夾具結構設計很少考慮連續加工和切屑去除的問題，這將不可避免地影響到數控銑床的性能。合理的排屑結構能夠保證機床正常運轉，確保切屑不會掉落在工裝夾具的定位元件上，可以使切屑順暢彈出，提高了定位精度和效率。

2.3? ? 數控銑床夾緊方式的優化

設計人員在對數控銑床的夾緊工件進行設計時，必須優化夾緊方法，確保夾具和工件有足夠的安全距離，以保證夾具可同時夾緊多個組件。目前，數控銑床在工件加工過程中，無法有效地區分粗加工和精加工，并且夾具的夾緊力可能會出現太大和太輕的情況，這不僅會影響加工的效果，還會導致工作表面出現凹痕或損壞整個工件。

3 數控銑床夾具固定架的可靠性有限元仿真

3.1? ? 三維模型的建立及網格劃分

數控銑床內部結構相對復雜，其中銑床夾具固定架起到固定和支撐加工零件的作用，對數控銑床的安全運行具有重要影響。本文主要以應用最為普遍的圓柱形銑床夾具固定架為例進行分析，數控銑床加工零件在夾具的作用下，固定在數控銑床上，固定架上設計有螺栓孔與夾具進行連接，本文主要考慮圓柱形固定架的靜力分布情況，考慮到計算機性能的限制，對數控銑床夾具固定架的三維模型進行了簡化，采用SolidWorks三維建模軟件建立了銑床夾具固定架的模型，數控銑床夾具固定架三維模型如圖1所示。

由于數控銑床夾具固定架模型較為規則，本文采用meshing模塊對其進行網格劃分，經統計，網格數為872 596，網格劃分圖如圖2所示。

3.2? ? 優化前有限元求解結果分析

設定數控銑床加工零件重量為20 kg，銑床夾具固定架重量為28 kg，固定架剛度為0.68 kN/mm，固定架材料為Q235鋼，固定架底部接觸面為固定面。當載荷為200 N時，其應力分布云圖如圖3所示。

此時數控銑床夾具固定架的最大應力為169.69 MPa，最大應力分布在中心圓孔處，最小應力分布于固定架外表面，此時的最大應力在最大屈服強度以下，但其數值相對較大，如果數控銑床長時間運行，有可能出現固定架磨損和斷裂的現象。

數控銑床夾具固定架的最大變形量為0.029 mm，最大變形分布在中心孔處，最小變形分布在固定螺栓孔處。此時的最大變形量較大，無法保證數控銑床加工零件的表面精度，因此有必要對固定架結構進行優化。

3.3? ? 優化后有限元求解結果分析

為了進一步提高零件加工精度，將下固定螺栓孔的孔徑增加2 mm，固定架的直徑增加5 mm，厚度增加5 mm。優化完成后對其進行有限元仿真求解，當載荷依然為200 N時，數控銑床夾具固定架的應力分布云圖如圖4所示。

數控銑床夾具固定架的最大應力為151.03 MPa，最大應力分布在中心圓孔處，最小應力分布于固定架外表面，與優化前相比較，最大應力明顯降低。

此時，數控銑床夾具固定架最大變形量為0.005 6 mm，最大變形分布在中心圓孔連接處，最小變形分布在外表面，與優化前相比較，此時最大變形量明顯降低，不會引起數控銑床的振動，能夠保證數控銑床加工工件的精度。

4 結語

數控銑床是機械加工的重要設備之一，在進行數控銑床設計時，設計人員要盡可能提高數控銑床設備的運行可靠性。本文通過仿真分析發現，優化后的數控銑床夾具固定架具有更高的運行可靠性和穩定性。

收稿日期：2020-06-29

作者簡介：高海兵（1978—），男，內蒙古錫盟人，高級技師，研究方向：機械制造。