基于有限元的重型落地銑鏜床身結(jié)構(gòu)分析

王莘澳

（齊齊哈爾二機床集團有限責(zé)任公司 設(shè)計院，黑龍江齊齊哈爾 161005）

1 引言

床身是重型落地銑鏜床基礎(chǔ)部件，承載著整機全部重量，因此靜態(tài)特性顯得尤為重要，要求其具有高強度、高剛度、高抗震性。鏜軸直徑為160mm的數(shù)控落地銑鏜床一般總噸位為70t 左右，床身為箱體筋板結(jié)構(gòu)，內(nèi)部筋板布置形式，筋板形狀及落沙孔形狀對床身靜態(tài)特性影響巨大，合理選擇筋板布置形式及尺寸，不僅可以提高剛度，也可以節(jié)約材料，降低成本。

2 床身有限元模型建立

圖1 床身截面圖

床身長5300mm，高500mm，寬1700mm，導(dǎo)軌寬度為350mm，內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)為中間腰型孔型結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。應(yīng)用Inventor 建立床身3D 模型，由Inventor 輸出轉(zhuǎn)換文件，導(dǎo)入ANSYS Workench中的靜態(tài)分析模型中，設(shè)置床身材料為HT300，楊氏模量為1.2×105MPa，密度為7210kg/m3，泊松比為0.22，采用整體智能網(wǎng)格劃分方法，床身導(dǎo)軌為主要承載面，導(dǎo)軌局部網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格晶體單元設(shè)置為六面體，如圖2 所示。

圖2 床身網(wǎng)格劃分

3 床身靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

在分析床身靜態(tài)特性過程中必須考慮其他部件對床身產(chǎn)生的影響，為了便于計算，立柱、重錘、主軸箱滑枕等均以質(zhì)點形式加載在空間位置。床身靜態(tài)分析須從兩種情況入手：（1）主軸箱位于立柱下限位，滑枕、鏜軸未從主軸箱伸出；（2）主軸箱位于立柱上限位，滑枕、鏜軸伸出極限位置。

3.1 滑枕、鏜軸未伸出時邊界條件

床身地腳部位設(shè)置為固定共42 處，ANSYS中默認(rèn)床身端面底腳部位為0 點位置，主軸箱位于立柱下極限位置，主軸箱行程為3m，立柱裝配質(zhì)心位置坐標(biāo)為X-572、Y-2630、Z-2600，加載力為-3.72×105N，主軸箱裝配體質(zhì)心位置坐標(biāo)為X-572、Y-1920、Z-3555，加載力為-1.014×105N，作用平面為兩導(dǎo)軌距離2700mm 處為滑座長度，加載情況如圖3 所示。

圖3 滑枕、鏜軸未伸出時加載情況

結(jié)果分析。經(jīng)ANSYS 內(nèi)部運算得出結(jié)果圖，如圖4所示。從圖中可以看出最大變形量發(fā)生在主導(dǎo)軌面，這與實際情況相符合，最大變形量為0.019429mm，最大應(yīng)力為5.6962MPa，根據(jù)落地銑鏜床身檢驗標(biāo)準(zhǔn)直線度公差為0.02mm/m，全長上的允差為0.03mm，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 滑枕、鏜軸未伸出時分析結(jié)果

3.2 滑枕、鏜軸伸出時邊界條件

床身固定位置設(shè)置與滑枕未伸出時設(shè)置相同，主軸箱位于立柱上極限位置，主軸箱行程為3m，立柱裝配質(zhì)心位置坐標(biāo)為X-572、Y-2630、Z-2600，加載力為-3.72×105N，主軸箱裝配體質(zhì)心位置坐標(biāo)為X-167、Y-920、Z-3555，加載力為-1.014×105N，作用平面為兩導(dǎo)軌距離2700mm處為滑座長度，與滑枕未伸出時加載方式相同。

結(jié)果分析。經(jīng)ANSYS 內(nèi)部運算得出結(jié)果圖，如圖5 所示。最大變形量為0.020997mm，最大應(yīng)力為6.1602MPa，由于床身導(dǎo)軌在加工過程中允許上凸，不允許下凹。直線度誤差為0.01mm/m，全長直線度誤差為0.025mm，根據(jù)落地銑鏜床身檢驗標(biāo)準(zhǔn)要求的直線度公差0.02mm/m，全長允差為0.03mm，因此符合設(shè)計準(zhǔn)則，主軸箱位于上極限滑枕、鏜軸伸出與主軸箱位于下限位滑枕、鏜軸未伸出時床身的變形情況相差不大，符合床身高剛度性能要求。

4 結(jié)論

從兩種不同情況入手，結(jié)合有限元分析軟件，對床身進行靜態(tài)分析，從結(jié)果中表明變形情況符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，為以后計算機輔助設(shè)計、理論分析設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

圖5 滑枕、鏜軸伸出時分析結(jié)果

［1］李景涌.有限元法［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］王艷輝，等.精密機床床身結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計［J］.機械設(shè)計與研究，2003（6）：35-37

［3］王新榮，陳永波.有限元法基礎(chǔ)及ANSYS 應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.