Z540鉆削中心底座有限元分析

呂 虹，王利平，林 夔，曾晨輝，王 超，高 敏

（1.昆明臺工精密機械有限公司，云南 昆明 650206；2.云南正成工精密機械有限公司，云南 玉溪 653106；3.云南省機電一體化應用技術重點實驗室，云南省先進制造技術研究中心，云南 昆明650031）

Z540鉆削中心底座有限元分析

呂 虹1,2，王利平1,2，林 夔1,2，曾晨輝1,2，王 超3，高 敏3

（1.昆明臺工精密機械有限公司，云南 昆明 650206；2.云南正成工精密機械有限公司，云南 玉溪 653106；3.云南省機電一體化應用技術重點實驗室，云南省先進制造技術研究中心，云南 昆明650031）

利用solidworks建立了Z540鉆削中心底座的三維模型，并對其進行了靜力學及動力學分析。分析結果表明，底座的動靜剛度完全可以滿足使用要求。

鉆削中心；有限元

0 引言

鉆削中心是機械制造行業中應用較廣泛的金屬切削工藝之一，目前由于高速主軸技術、直線電機技術、高速控制技術以及刀具技術的發展和進步，以加工的高速化實現加工的高品質、高效率已成為鉆削加工技術發展的重要特征。Z540鉆削加工中心是專門用于針對小型多孔零件的鉆削及攻絲加工的高速、高效、高精度的產品。適用于航天航空、汽車機車、儀器儀表、輕工輕紡、電子電器和機械制造等行業的中小型箱體、蓋、板、殼、盤等零件的加工。

1 有限元模型

本文通過SolidWorks進行三維建模并導入Abaqus中進行有限元建模。本產品采用材料為HT200，主要壁厚為20mm。材料屬性通常由以下物理量表示：抗拉強度、彈性模量、泊松比等。立柱模型的材料參數見表1所示。

表1 立柱材料參數Tab.1 The mechanical properties of the base material

2 載荷及約束

底座靜態分析的計算載荷包括立柱重量載荷、工作臺重量載荷、工件重量載荷、鉆孔時的軸向載荷等。在載荷計算時，要考慮工況載荷組合情況。在底座接地面要分別施加六個自由度的約束。

（1）工況一載荷。當工作臺位于最靠近立柱時，建立載荷施加耦合點，并將該點與對應的導軌工作面進行Coupling耦合。再將工作臺重量載荷、工件重量載荷、鉆孔時的軸向載荷之和通過耦合點施加于該耦合點。

（2）工況二載荷。當工作臺位于最中間時，在工作臺導軌最中間工作面施加載荷，作用點用Coupling耦合單元鏈接至工作面。

（3）工況三載荷。當工作臺位于最遠立柱時，在工作臺導軌最右工作處施加載荷，作用點用Coupling耦合單元鏈接至工作面。三種工況載荷具體的施加位置分別見圖1（a）、（b）、（c）中紅色箭標部位。

圖1 三種工況載荷Fig.1 Load of three condition

3 動靜剛度分析

影響底座性能的主要是結構本身的剛度，結構所受的等效應力遠遠低于材料的許用應力，可以不考慮。底座的剛度主要關注工作臺導軌面工作時的總變形。

通過對三種工況的分析可以得到工作臺在每種工況下的最大變形情況，并將每種工況下最大變形量統計于表2。

表2 不同工況下工作臺導軌面最大變形量Tab.2 Maximum deformation of the guide under different conditions

4 分析與評價

對底座底面固定，其模態分析在求解時采用Lanczos法求解，經過計算其前6階固有頻率及振形見表3。

底座所承受的振動激勵主要來自電機主軸轉動時產生的振動。該機床選用的電機主軸的基本轉速參數如下：

（1）主軸電機1：15000r/min

（2）主軸電機2：24000 r/min

（3）xyz三軸電機轉數：3000r/min

因此，電機對機床的激勵頻率為：

主軸電機1激振頻率：f=15000/60×2=500

主軸電機2激振頻率：f=24000/60×2=800

xyz三軸電機激振頻率:f=3000/60×2=100

若機床結構模態與上述頻率相耦合，將會使其產生共振，嚴重時會使整個結構發生抖振，影響加工精度。經過分析計算，機床經常工作頻率都在100Hz以上，已經遠大于其結構彈性模態頻率。因此，機床主要部件底座在正常使用時不會引起共振。

表3 頻率及振形表Tab.3 Table of frequency and mode shape

5 總結

本文建立了Z540鉆削中心主要部件底座的有限元模型，應用有限元軟件對其基本力學性能進行了分析。分析結果顯示，剛度可滿足使用要求，機床主要部件在機床工作頻率范圍內不會出現共振現象，達到設計目標。

[1]石亦平，周玉蓉.ABAQUS_有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]王愛玲.現代數控機床結構與設計[M].北京：兵器工業出版社，1999.

[3]萬鵬程，周建軍.BT-30鉆削中心立柱建模及其有限元分析[J].杭州電子工業學院學報，2003，4.

Finite Element Analysis of the Base of Drilling Machining Center Model Z540

LV Hong1,2，WANG Li-Ping1,2，LIN Kui1,2，ZENG Chen-Hui1,2，WANG Chao3，GAO Min3
（1.Kunming Taigong Precision Machine Tool Co.,Ltd.，Kunming Yunan 650206,China；2.Yunan Zhengchenggong Precision machine tool Co.,Ltd.,Yuxi Yunan 653106,China；3．Mechatronics Technology and Key Applications Laboratory of Yunnan Province，Advanced Manufacturing Technology Research Centre of Yunnan Province，Kunming Yunnan 650031，China）

A three dimensional model of the base of drilling machining center model Z540 is medeled by using solidworks,its static and dynamic is analyzed with abaqus.?Analysis results show that,?the?static and dynamic stiffness?can fully meet the use requirements.

drilling machining center；finite element

TG68

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.066

1002－6673（2014）03－174－02

2014－03－17

呂虹（1965-），女，工程師，昆明臺正、臺成、臺工、云南正成工精密機械有限公司信息辦主任，昆明臺工精密機械有限公司總經理，多年來一直從機電一體化技術、信息化技術研究及企業管理工作；王利平（1985-），女，2008年進入公司至今，一直從事機床設計研究，在鉆削中心的開發中承擔主要設計工作。