臥式車銑復(fù)合加工中心滑鞍部分的靜力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

趙雷

（沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110142）

0 引言

車銑復(fù)合加工是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，其可將車削加工和銑削加工在一臺(tái)機(jī)床上完成，可以有效提高復(fù)雜零件的加工精度和加工效率。車銑復(fù)合加工中心就是能同時(shí)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)數(shù)控車床和一臺(tái)數(shù)控銑床的功能的機(jī)床。目前，在機(jī)械加工領(lǐng)域，車銑復(fù)合加工的發(fā)展很快，是未來機(jī)械加工發(fā)展的重要方向之一，在航空航天、精密儀器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

由于車銑復(fù)合加工中心機(jī)床的加工過程比較復(fù)雜，其零件的受力同樣也是比較復(fù)雜的，如滑鞍部分位置在床身和銑削主軸箱之間，同時(shí)受到床身的支撐力、零件的重力、主軸的切削力等多種力的影響，因此滑鞍部分是車銑復(fù)合加工中心整機(jī)的關(guān)鍵零件，對(duì)機(jī)床整機(jī)剛度和加工精度有很大影響。因此，在臥式車銑復(fù)合加工中心整機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)滑鞍部分模型進(jìn)行力學(xué)分析和剛度計(jì)算，優(yōu)化滑鞍的結(jié)構(gòu)，提高滑鞍的剛度，以滿足整機(jī)的力學(xué)要求。本文使用SolidWorks軟件，對(duì)臥式車銑復(fù)合加工中心滑鞍部分進(jìn)行模型建立和有限元分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得出滑鞍結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方案。

1 滑鞍的三維模型和有限元模型建立

臥式車銑復(fù)合加工中心的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中滑鞍部分位于床身和立柱之間，滑鞍下面為整機(jī)Z軸導(dǎo)軌連接的斜床身，滑鞍上面為整機(jī)X軸導(dǎo)軌支撐的立柱，滑鞍部分相對(duì)床身做Z向運(yùn)動(dòng)，立柱相對(duì)滑鞍做X向運(yùn)動(dòng)。

圖1 臥式車銑復(fù)合加工中心中滑鞍部分的位置

對(duì)滑鞍部分進(jìn)行靜力學(xué)有限元仿真分析之前，首先利用SolidWorks軟件的建模功能，SolidWorks軟件同時(shí)具有較強(qiáng)的三維建模能力和有限元仿真分析能力，因此可以在設(shè)計(jì)過程中不需要對(duì)零件模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直接使用同一模型進(jìn)行模型建立和有限元仿真分析，可以大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)的效率。對(duì)滑鞍部分進(jìn)行模型建立，滑鞍部分結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括各種受力面、支撐面、加強(qiáng)筋等特征，建立的滑鞍模型如圖2所示。建立滑鞍部分的三維模型后，再利用SolidWorks軟件的有限元仿真力學(xué)分析功能，在滑鞍部分三維模型的基礎(chǔ)上，建立滑鞍部分的有限元仿真模型，為減少分析時(shí)間，可對(duì)滑鞍模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化，省略掉孔、倒角，臍子面等對(duì)受力分析影響不大的特征，然后設(shè)置滑鞍的屬性、材料、質(zhì)量等各種參數(shù)，設(shè)置有限元網(wǎng)絡(luò)，完成滑鞍的有限元模型建立，如圖3所示[1]。

圖2 滑鞍部分的三維模型和有限元仿真網(wǎng)絡(luò)模型

圖3 滑鞍的有限元仿真分析結(jié)果示意圖

2 滑鞍的靜力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 滑鞍的靜力學(xué)分析

對(duì)滑鞍進(jìn)行有限元仿真靜力學(xué)分析，根據(jù)滑鞍部分的幾何結(jié)構(gòu)和臥式車銑復(fù)合加工中心整機(jī)的工作情況可知，當(dāng)整機(jī)的X軸在行程的終點(diǎn)位置時(shí)，此時(shí)滑鞍尾部的伸出量最大，滑鞍整體的變形量也最大。因此，對(duì)滑鞍的靜力學(xué)分析，選擇在當(dāng)整機(jī)X軸行進(jìn)到行程終點(diǎn)位置時(shí)進(jìn)行計(jì)算，可以得到滑鞍的最大變形量。在SolidWorks軟件中的滑鞍有限元仿真模型上輸入滑鞍的主要受力，包括滑鞍自身的重力、滑鞍下部Z軸滑塊安裝面的支撐力、滑鞍上部X軸導(dǎo)軌安裝面的壓力、整機(jī)工作時(shí)的切削力等。同時(shí)，在滑鞍的支撐導(dǎo)軌處設(shè)置成固定約束，然后就可以利用SolidWorks的有限元仿真功能進(jìn)行靜力學(xué)分析，可得滑鞍部分的受力變形情況。

從圖3滑鞍的有限元仿真結(jié)果上可以看出滑鞍各部位的靜力分析的變形量，分析滑鞍變形量的結(jié)果可知，滑鞍的變形量從滑鞍頭部到滑鞍尾部是逐漸增大的?；邦^部到滑鞍中部的變形量為0.004～0.008 mm，是比較理想的數(shù)值，對(duì)滑鞍的形位公差及整體幾何影響較小，而從滑鞍中部到滑鞍尾部，變形量明顯增加，達(dá)到0.01～0.05 mm，在滑鞍尾端，變形量達(dá)到最大值，在0.05 mm以上，對(duì)滑鞍的形位公差及整體幾何精度有很大的影響了，因此有必要對(duì)滑鞍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小滑鞍的變形量，降低其對(duì)滑鞍形位公差和幾何精度的影響[2]。

2.2 滑鞍的優(yōu)化

由上述的滑鞍靜力學(xué)分析結(jié)果可知，滑鞍的變形量對(duì)自身的形位公差和幾何精度有一定的影響，特別是滑鞍的尾端，由于伸出量較大，是整個(gè)滑鞍的受力薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)滑鞍形位公差和幾何精度影響很大。因此，為減小滑鞍尾端的變形量，降低其對(duì)滑鞍形位公差和幾何精度的影響，需要對(duì)滑鞍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。具體方案具體有兩種：一是增加床身的傾斜角；二是增加滑鞍支撐導(dǎo)軌之間的跨距。兩種方案都是通過改變滑鞍部分的結(jié)構(gòu)，來改善滑鞍尾部的受力情況，減小滑鞍尾部的變形量，下面對(duì)兩種方案分別進(jìn)行分析，并對(duì)兩種方案做比較，選擇更好的方案[3]。

1）增加滑鞍的傾斜角的方案。

當(dāng)前臥式車銑復(fù)合加工中心的斜床身當(dāng)前的傾斜角為45°，為了改善滑鞍尾部的受力，可以選擇將斜床身的傾斜角度增加到60°，這樣滑鞍的安裝角度就由45°變成了60°。增加滑鞍傾斜角后，整機(jī)的立柱、主軸箱等位于滑鞍上端的零件重力在滑鞍上支撐面法向方向的分力會(huì)減小，這樣可以減小滑鞍由于零部件重力產(chǎn)生的變形量。

分析過程與前文分析的相似，利用滑鞍原有的有限元模型，按方案要求輸入包括滑鞍重力、支撐力等受力，固定約束位置與原方案相同，將滑鞍所受的零部件壓力與重力按不同的傾斜角度計(jì)算分力，輸入條件后，利用SolidWorks的有限元仿真功能計(jì)算滑鞍的變形量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 增加滑鞍傾斜角度后滑鞍的有限元仿真分析結(jié)果示意圖

由滑鞍的有限元仿真分析結(jié)果可以看出，滑鞍結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，變形量的趨勢(shì)與優(yōu)化前基本相同，都是滑鞍的頭部變形量最小，滑鞍尾部的變形量最大，滑鞍頭部到尾部變形量逐漸增大。從滑鞍的變形量上分析，滑鞍整體的變形量減小了很多，滑鞍頭部的變形量由0.004 mm減小到0.003 mm，滑鞍尾部的變形量由0.05 mm減小到0.035 mm，可以說結(jié)構(gòu)優(yōu)化后滑鞍的靜力分析變形量減小，滑鞍的受力變形有了很大的改善。

2）增加滑鞍支撐導(dǎo)軌間跨距的方案。

當(dāng)前滑鞍兩根支撐導(dǎo)軌的位置，分別位于滑鞍的前部和中部，滑鞍的尾部處于相對(duì)懸空的狀態(tài)，因此當(dāng)整機(jī)X軸行程位于終點(diǎn)位置時(shí)，立柱、主軸箱等零件的重力會(huì)施加在滑鞍的尾部，造成滑鞍尾部的變形量較大。為減小滑鞍的變形量，可以將滑鞍支撐導(dǎo)軌間距變大，使滑鞍支撐導(dǎo)軌向滑鞍的尾部移動(dòng)，設(shè)置在接近滑鞍尾部的位置，這樣可以對(duì)安裝在滑鞍上部的零部件重力形成有效的支撐，減小滑鞍尾部的變形量。

受力分析過程與優(yōu)化結(jié)構(gòu)之前的受力分析過程一樣，按要求輸入滑鞍自身重力、支撐力、切削力等受力，并在導(dǎo)軌的支撐位置設(shè)置成固定約束，與優(yōu)化結(jié)構(gòu)前相比，滑鞍支撐導(dǎo)軌的跨距加大，這樣滑鞍固定約束位置會(huì)向滑鞍尾部移動(dòng)。設(shè)置好滑鞍受力情況和約束情況后，同樣利用SolidWorks的有限元仿真功能進(jìn)行靜力學(xué)分析，可以得到滑鞍結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的受力變形情況，如圖5所示。

圖5 增加支撐導(dǎo)軌跨距后的滑鞍的有限元仿真結(jié)果示意圖

由受力分析結(jié)果可知，滑鞍結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，增加支撐導(dǎo)軌跨距后的滑鞍，其受力變形量的趨勢(shì)與優(yōu)化前大致相同，同樣是滑鞍前部最小，從頭部到尾部逐漸會(huì)增大，而滑鞍尾部的變形量是最大的。在滑鞍變形量的數(shù)值上，則有了很大的改善，滑鞍頭部的變形量由0.004 mm減小到0.002 mm，滑鞍尾部的變形量由0.05 mm減小到0.01 mm，與結(jié)構(gòu)優(yōu)化前相比，靜力分析的變形量大幅減小，滑鞍受力有了很大的改善。

3 兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的比較

為了更加直觀地分析滑鞍的靜力變形對(duì)滑鞍自身主要形位公差和幾何精度的影響，以及滑鞍的兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案對(duì)滑鞍的影響，將滑鞍優(yōu)化前及兩種優(yōu)化方案優(yōu)化后的主要幾何精度與滑鞍的靜力變形量做對(duì)比，結(jié)果如表1[4]所示。

表1 滑鞍變形量對(duì)滑鞍自身精度的影響

通過表1的數(shù)據(jù)比較可知，滑鞍結(jié)構(gòu)的原方案，其靜力分析的變形量對(duì)滑鞍的主要幾何精度和形位公差的影響比較大，因此滑鞍結(jié)構(gòu)優(yōu)化是有必要的。對(duì)比兩種滑鞍的優(yōu)化方案，第二種優(yōu)化方案增加滑鞍支撐導(dǎo)軌跨距，與第一種增加滑鞍傾斜角度的方案相比，在滑鞍變形量的減小上更加明顯。

總結(jié)上面的滑鞍的有限元仿真靜力學(xué)分析結(jié)果，可以得到結(jié)論，當(dāng)臥式車銑復(fù)合加工中心整機(jī)X軸行程位于終點(diǎn)位置時(shí)，滑鞍的變形量是最大的，尤其是滑鞍尾部，這種受力變形會(huì)對(duì)滑鞍部分的形位公差和幾何精度造成不良的影響，需要對(duì)滑鞍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，本文中兩種滑鞍優(yōu)化方案，分別是增加滑鞍傾斜角度和增加滑鞍支撐導(dǎo)軌的跨距，兩種方案都可以有效減小滑鞍的變形量，其中，第二種方案增加滑鞍支撐導(dǎo)軌跨距，可以使滑鞍的受力情況比第一種增加滑鞍傾斜角度的方案更好，變形量也更小，是滑鞍優(yōu)化的更好的方案，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可以采用第二種增加滑鞍支撐導(dǎo)軌跨距的方案[5]。

4 結(jié)論

本文利用SolidWorks的有限元分析功能對(duì)臥式車銑復(fù)合加工中心滑鞍部分模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到結(jié)論后，對(duì)滑鞍模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終獲得了滑鞍的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，采用這種方法設(shè)計(jì)零件，不僅可以有效縮短機(jī)床的設(shè)計(jì)周期，還可以避免機(jī)床零件設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤，提高了機(jī)床整機(jī)的精度和穩(wěn)定性，并為后續(xù)機(jī)床改進(jìn)設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。