一種數控磨床床身的建模與分析

　　摘 要：本文通過建立某數控磨床床身的三維實體模型和有限元分析模型，對筋板不同布局型式下的床身進行受力分析，最終以最大變形最小為影響要素確定了合理的數控磨床床身設計方案，這對數控磨床床身的加工制造提供了非常重要的現實意義。
　　關鍵詞：數控磨床床身 建模 筋板布局 受力分析
　　中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791(2011)04(a)-0000-00
　　1 引言
　　床身作為數控磨床的主要支撐件，它支撐著工件，連接著工作臺、立柱等關鍵零部件，承受著重力、摩擦力等靜態力和動態力，若結構設計不合理，會導致床身的剛度不足，產生各種變形、振動，直接影響著數控磨床的加工精度、精度穩定性、工作效率和壽命等等。
　　本文從實際出發，將某數控磨床的床身設計成具有筋板的框形結構，合理的選擇筋板的布局形式不但可以提高床身的動態特性，而且可以節約材料和降低生產成本。
　　2 床身的建模與分析
　　2.1 數控磨床簡介
　　該數控磨床是一種五軸數控磨床，包括X、Y、Z三個進給軸、砂輪主軸和工件主軸，砂輪最大磨削速度為40m/s。該數控磨床由床身、X、Y、Z三個方向的工作臺、砂輪主軸箱和工件主軸箱等部件組成，運動部件總重量約1.8噸。
　　2.2 床身的實體建模及簡化
　　首先根據該數控磨床的總體方案，應用Pro/E軟件建立床身的三維實體模型，然后將床身模型導入到ANSYS軟件中，并利用ANSYS強大的有限元前處理功能對床身進行有限元模型的建立。在建模時應該注意，為減少計算量，提高計算速度，須對模型進行一系列的簡化，例如：去掉外部擋板；去掉安裝定位用的螺釘、螺栓孔；去掉結構中的倒角、小臺階和某些小孔，這些結構對實際的分析影響很小。預設置的床身材料為鑄鐵HT150，密度為7.2×10-9kg/mm3，泊松比為0.27，彈性模量為1.55×105Mpa。
　　2.3 床身內部筋板的布局分析
　　該數控磨床在工作時，主要受到水平方向的徑向磨削力和垂直方向的主磨削力以及運動部件自重的作用，使數控磨床床身在水平面和垂直面內發生彎曲，以及在這些分力聯合作用下的扭轉。因此，為了提高數控磨床床身的抗彎和抗扭剛度，我們在設計數控磨床床身截面時，應合理布局床身內部筋板的結構形式，并且在滿足使用、工藝的前提下，應采用空心截面。
　　經過分析，床身內部筋板的布局形式呈網格分布，主要分垂直導軌和平行導軌兩個方向。在垂直導軌方向上，所有筋板均勻分布，共6條筋板。在平行導軌方向上，有兩種情況：一是所有筋板均勻分布，其分布截面圖如圖1（1）所示，共4條筋板；一是筋板設置在導軌下，其余筋板均勻分布，其分布截面圖如圖1（2）所示，共5條筋板。
　　
　　2.4 床身的受力分析
　　數控磨床床身的受力分析對數控磨床的性能是至關重要的，磨床其它部件受力的大小是隨床身受力變化而變化的。取該數控磨床常用加工狀態（磨削工件材料：高速鋼，切削液：乳化液，磨削線速度：30m/s）下的主磨削力以及運動部件自重作為床身有限元分析的載荷F，即F=主磨削力（1167N）+運動部件自重（18000N）=19167N。將載荷F平均分配到床身導軌的各滑塊上，分析滑塊分別位于前、中、后不同工作位置時床身的變形量，并且以最大變形最小為確定要素來設計床身，最終確定床身的設計方案。
　　經過分析，在垂直導軌方向上，所有筋板均勻分布，床身的受力均勻，變形最小。在平行導軌方向上，我們將筋板設置在導軌下，支撐點位于筋板下方，滑塊分別位于前、中、后3點的床身受力分析結果和筋板均布，支撐點位于筋板下方，滑塊分別位于前、中、后3點的床身受力分析結果進行了比較，為了更清晰的表達最大變形何時最小，現特將這兩種筋板布局型式下床身的最大變形量列表說明，如表1所示。
　　
　　由表1可以看出，當筋板不同布局時，床身的最大變形量只相差0.001213mm（也就是約1），變形量相差極小，考慮到床身是鑄造成型的，從鑄造工藝性角度看，當所有筋板均勻分布時，鑄造結構簡單，生產成本低，加工效率高，因此，我們選擇在平行導軌方向上和垂直導軌方向上，所有筋板都均布來作為該數控磨床床身的設計方案。
　　3 小結
　　本文通過對某數控磨床床身進行三維實體建模和有限元分析建模，分析了其床身筋板的不同布局型式，并對其進行受力分析。經過分析，在垂直筋板方向上，所有筋板均勻分布受力變形最小；在平行筋板方向上，所有筋板均勻分布和筋板設置在導軌下兩種情況的受力變形相差不大，綜合考慮床身的鑄造工藝性，在兩者受力變形相差不大的情況下，我們選擇在垂直筋板方向上和平行筋板方向上，所有筋板都均勻分布來設計數控磨床床身，這對數控磨床床身的加工制造提供了非常重要的現實意義。
　　參考文獻
　　[1] 王延忠、唐超權、劉強、袁松梅、高見、劉景袢.基于有限元方法的機床床身熱特性參數化分析.機床