加工中心立柱與床身螺栓聯接對立柱靜剛度的影響*

2012-10-23 05:49:32張功學韓兵兵

制造技術與機床 2012年6期

關鍵詞：分析

張功學韓兵兵

（陜西科技大學機電工程學院，陜西西安 710021）

在研究DVG850高速立式加工中心整機靜剛度的過程中，影響剛度的因素眾多，部件結構、布筋方式和聯接方式都將對加工中心主體的剛度產生影響。以往我們多把研究重點放在結構和布筋方式的改變上，往往忽略了聯接剛度的影響。聯接剛度的影響是不容忽略，它主要受到聯接處的材料、幾何形狀、接觸面硬度、幾何精度和加工方法等因素影響。因此我們可以考慮從此角度來增加聯接部位的剛度，從而提高加工中心的整體剛度［1］。

1 加工中心結構及簡化模型

高速立式加工中心是由床身、滑座、工作臺、立柱、主軸箱、主軸等主要部件組成，此外還包括刀庫、導軌、滑塊、絲杠、機電座、聯接螺栓等零部件，潤滑系統，數控系統，液壓系統等。在利用workbench分析中，為了節省時間和受分析能力的限制，要對一些細小的結構進行簡化。本文主要對床身和立柱兩大部件間的螺栓連接進行分析，故對距螺栓較遠且不會影響到分析的一些部件。例如，對模型中的倒角、地腳螺栓、冷卻系統和刀庫等進行了忽略，加工中心的簡化結構模型和有限元模型如圖1所示。

2 基于workbench的位移分析

2.1 加載及網格劃分

表1 立柱在不同螺栓凸緣組合下的位移 μm

加工中心在工作過程中，力是通過刀具加到主軸箱上，再由主軸箱通過滑塊作用到立柱上，在分析過程中我們在刀具位置施加遠程力作用在立柱上。遠程力的大小為 300 N，作用坐標x為 11.345 mm;y為721.33 mm;z為760.00 mm。網格劃分采用 workbench中的自動網格劃分功能，共劃分nodes數目為7 704，單元elements數目為4 004個，如圖1a所示。床身通過地腳螺栓同地面聯接，由于研究的是立柱同床身之間的螺栓聯接對整機靜剛度的影響，直接在簡化模型的床身底面施加固定約束［2］。

2.2 分析的數據結果

通過workbench軟件分析，我們可以找出不同凸緣厚度和螺栓直徑配合下的立柱位移，共100組數據，其中數據的選取是在原有數據螺栓直徑26 mm，凸緣厚度50 mm的基礎上進行的變化，得出的位移數據見表1。

2.3 建立三維曲面圖及二維曲線圖

根據剛度公式:

和表1中的位移數據進行三維曲面圖繪制，以凸緣厚度和螺栓直徑為自變量，整機靜剛度為因變量，建立的三維曲面圖如圖2所示，從圖中可以看出在不同螺栓直徑、凸緣厚度配合下的剛度分布情況［3］。

以螺栓直徑為27 mm為代表，繪制出立柱剛度隨凸緣厚度的變化曲線（圖3），通過曲線圖我們可以看出立柱剛度隨凸緣厚度的變化情況。

2.4 圖表分析

從圖2可以看出立柱的位移情況整體上隨螺栓直徑的增加而波動變化;同時位移的情況受凸緣厚度影響，隨著凸緣厚度的增加立柱位移先減小后增大，即立柱的剛度并不會一直隨著凸緣厚度的加大而增大，而是剛度首先得到了提高，當厚度繼續增加時剛度受到削弱。

表3 凸緣厚度為58 mm時的螺栓直徑－立柱剛度數據

從表1和圖2中我們可以看出在凸緣厚度為50 mm、螺栓直徑為26 mm的周圍能找到最佳組合點，使得立柱的剛度得到優化。最優組合點況如下:螺栓直徑、凸緣厚度分別為23、58 組合，28、56 組合，27、54 組合，29、40組合時立柱的剛度值相對較大，組合相對合理。

圖3為螺栓直徑為27 mm時立柱位移隨凸緣厚度改變的變化情況，位移先減小后增大，隨后又有減小的趨勢。分析變化情況得知首先位移的減小為凸緣厚度的影響，隨后的位移增加為螺栓長度的增加使得螺栓承受拉力的能力減弱，從而使得剛度變小;之后位移又出現減小的情況為螺栓組抵抗一定轉矩時，凸緣厚度的增加使得抵抗轉矩M=F×L中的L增大，從而使得F減小的緣故，即螺栓承受的力減小（如圖4）。