雙柱立式數控車床整機有限元分析

□ 辛瑩瑩

泰安航天特種車有限公司 山東泰安 271000

1 分析背景

數控立式車床主要用于盤類、軸類工件的加工,在一次裝夾中可完成工件多道加工面的加工。近年來,很少有機床制造廠家對數控車床的整機進行分析、優化,僅對機床個別構件進行分析,無法全面反映機床整體的性能,特別是在動態分析中,各零部件之間結合面的參數對動態性能的解析計算精度影響很大,因此,要準確地預測機床的動態性能,就必須對整機進行動力學分析,找出整機設計的薄弱環節,為基礎結構的優化設計提供技術支持。

2 數控車床整機有限元模型

2.1 整機三維模型

筆者研究的雙柱立式數控車床的三維模型是利用三維建模軟件SolidWorks建立,然后,利用SolidWorks裝配體中的“評估”—“干涉檢查”功能對整機的裝配體進行干涉檢查,修改其不合理的結構,得到的車床整機三維模型如圖1所示。

▲圖1 車床整機三維模型

2.2 整機簡化模型

數控車床的結構復雜,通過ANSYS Workbench與SolidWorks軟件之間的無縫鏈接,可以實現兩個軟件之間的有效結合,提高產品的設計效率。考慮到工作臺底座及工作臺等質量為定值及模型的復雜性和經濟性,因此使用整機簡化后的模型,如圖2所示。

▲圖2 整機簡化模型

2.3 整機網格劃分

對整機網格劃分采用軟件默認網格劃分,設置各部位的彈性模量等,得到其網格劃分后整機模型的單元數為137 205,節點數為251 764。網格劃分后的車床整機有限元模型如圖3所示。

▲圖3 車床整機有限元模型

3 整機靜力學分析

在ANSYS Workbench軟件中采用迭代求解器,加載受力和約束,得到車床整機變形云圖,如圖4所示,同時得到等效應力分布云圖,如圖5所示。

▲圖4 車床整機變形云圖

▲圖5 車床整機等效應力分布云圖

在圖4中,車床整機總變形量為0.287 mm。機床在粗車加工工況下,加工精度等級為IT12。加工直徑為5 000 mm的工件時,公差值為2.1 mm,允許的變形量為0.7 mm。車床總變形量為0.287 mm,遠小于允許變形量0.7 mm,滿足要求,能保證加工的精度。

由圖5可知,車床整機應力最大值為8.334 MPa,發生在車刀處作用點集中的位置,其最大安全因數為27.59。整機的安全因數很大,可以對整體結構進行優化設計,從而減輕車床的質量。

4 整機動態分析

在結構動態分析中,各階模態所具有的權因子大小與該模態頻率的倒數成正比,即頻率越低,權重越大,即低階模態特性基本決定了產品的動態特性。因此,筆者只分析對車床床身動態性能影響較大的前四階固有頻率,模態振型如圖6所示。

模態分析結果中的每階振型對應的位移大小只是一個相對值,僅表示在某一階頻率下振動的相對量值,是零件在該固有頻率時的傳動振動情況,并不是真正的振動數值。

根據車床整機模態分析可知,第一階頻率最接近電機的振動頻率,整機的第一階頻率為24.738 Hz。電機為主要振源,電機轉速最高為1 500 r/min,經計算頻率為20 Hz,略低于整機的第一階和第二階頻率,可避免共振現象,使整機保證良好的動剛度和精度。

5 結束語

通過對雙柱立式數控車床整機進行有限元建模,利用ANSYS Workbench軟件對整機進行靜力學分析,得到車床的應力云圖、位移云圖,以及應力和變形的最大危險位置,驗證了車床的精度。分析得出車床的設計較為保守,可對整機或部分零部件進行優化。通過動態分析,得出整機的前四階固有頻率和振型。分析表明,車床在實際過程中不會出現共振現象,為車床結構優化設計提供了技術支持。

▲圖6 車床整機模態振型