車銑復合加工中心Y軸立柱的受力分析及結構優化*

蘇宏志,李文祥,王建軍,李小飛

(1.陜西工業職業技術學院數控工程學院,陜西咸陽 712000;2.寶雞機床集團有限公司,陜西寶雞 721013)

車銑復合加工中心Y軸立柱的受力分析及結構優化*

蘇宏志1,李文祥2,王建軍2,李小飛2

(1.陜西工業職業技術學院數控工程學院,陜西咸陽 712000;2.寶雞機床集團有限公司,陜西寶雞 721013)

在車銑復合加工中心Y軸立柱建模基礎上,利用Solidworks Simulation對模型進行有限元仿真和分析,完成了對立柱的結構優化設計,通過對機床的實際應用,證明了該有限元仿真和分析方法是一種有效的設計手段。

Y軸立柱;有限元仿真;結構優化

0 引 言

復合化是數控機床一個普遍發展趨勢,在現代機械加工中復合化數控機床發揮著愈來愈大的作用[1]。車銑復合加工中心具有多軸聯動功能,機床動力刀架配合Y軸移動能實現強力銑削,Y軸立柱作為動力刀架的一個重要支撐零件,必須對其進行最優化設計以減少機床在強力切削時的振動,使加工零件獲得較高的加工精度和很好的表面粗糙度。目前國內復合機床偏重于結構布局研究,對復合后機床支撐件力學性能研究不足。筆者通過對車銑復合加工中心Y軸立柱有限元仿真和分析,完成了對Y軸立柱的優化設計,并在機床的實際使用中,證明優化后的Y軸立柱很好的滿足了機床的加工要求。

1 立柱的建模

1.1 立柱的三維建模及材料的定義

利用Solidworks進行立柱三維模型建立,在此過程中,三維模型中的一些細小特征,比如加工倒角、螺紋孔、工藝凸臺等會影響有限元網格模型的建立,因此對這些不影響力學性能的特征進行了簡化,進行簡化后的三維模型如圖1所示。根據立柱的使用情況選擇其材料為HT300鑄鐵,通過查閱相關參考文獻可得出材料彈性模量為150 GPa、泊松比為0.27、密度為7 400 kg/m3[2]。

1.2 立柱有限元網格模型的建立

對簡化后的立柱三維模型利用 Simulation進行網格劃分。在進行網格劃分時,如果網格劃分太細,雖然會提高運算精度但也會加大運算時候的運算量,因此,在對計算的精度不會有較大影響前提下選擇合適的網格單元大小就很重要[3]。筆者進行模型網格劃分時,采用的網格單元大小12.96 mm,經過網格劃分后,共有69 419個節點,43 337個單元,網格劃分后的模型如圖2所示。

圖1 立柱三維模型

圖2 立柱網格模型

1.3 載荷的施加及邊界約束

立柱的受力主要是機床切削加工時的切削力和刀架的重力,其中切削力通過刀具及刀架傳遞給立柱。通過已知的切削參數及查閱相關參考文獻,可計算出切削力三個方向的分力大小:切向力Fz=2 029 N,徑向力Fy=569 N,軸向車削力Fx=620 N[4]。刀架的質量為396 kg,由于機床切削力和刀架重心與立柱受力點之間存在一定距離,經過將切削力與刀架重力進行合成并經過施加遠程載荷,可以模擬機床進行加工時的狀態。

立柱通過螺釘與機床床鞍進行剛性連接,因此可以將立柱下面的六個自由度全部約束,對立柱進行約束并施加遠程外力載荷后,得出立柱的受力示意如圖3所示。

1.4 計算結果

將各條件確定后,經過Simulation模塊進行運算分析,得到了立柱的應力、應變圖解及總位移圖解(見圖4～6所示)。將立柱左端的空位尺寸改小,提高此處的結構剛性。另外,在立柱受應力、應變較小的頂部設計了三個減重孔,改進后的立柱重量比原來的重量只增加了2 kg。

經過結構改進后的立柱再此利用Simulatiom進行有限元仿真和分析[5],其應力、應變圖解及總位移圖解如圖7～9所示,從分析結果可知,優化后的立柱最大的變形位移由之前的0.027 mm減少到了0.009 mm,而重量只增加了2 kg。該機床裝配完成,實際使用效果良好,加工精度和加工表面粗糙度都達到了設計要求。

圖3 立柱施加載荷后的網格圖

圖4 應力圖解

圖5 應變圖解

圖6 位移圖解

2 對運算結果分析及結構優化

2.1 受力分析

通過圖4、5可以看出立柱左端的筋柱上受到的應力及應變較大,最大應力為21.37 N/mm2,在設計中應該是結構優化的關鍵位置,而其他位置并沒有出現較高的應力及應變。

2.2 位移分析

通過圖6可以看出,立柱最大變形位移出現在立柱左端的筋柱上部區域,最大變形位移為0.027 mm,由于結構布局需要,立柱左端處布置有Y軸電機,因此左端處留有較大空位,這就使得立柱局部變形位移較大。由于立柱是機床加工時受力關鍵部件,該局部變形會在一定程度上直接影響機床的加工精度,因此有必要對立柱進行結構優化設計。

2.3 結構優化

通過以上分析可知,立柱左端的筋柱區域是結構優化的重點,可以做有針對性結構加強。首先將立柱左端處筋壁的厚度進行了改進,由原來的20 mm增加為25 mm,其次,在與Y軸電機不發生干涉的前提下,

圖7 應力圖解

圖8 應變圖解

圖9 位移圖解

3 結 語

車銑復合加工中心憑借其高效率、高精度及較強的加工性能,越來越受到廣大機床用戶的青睞,因此,如何構思、設計車銑復合加工中心,已經成為機床企業工程師當下任務[6]。筆者利用Simulatiom對車銑復合加工中心Y軸立柱進行有限元仿真和分析過程,完成了對Y軸立柱的優化設計,通過對機床的實際使用,證明優化后的Y軸立柱很好的滿足了機床的加工要求,實踐證明利用有限元仿真和分析方法,能夠縮短機床設計周期和提高設計效率。

[1]李憲凱,崔佩強,吳俊勇.車銑復合加工中心結構分析[J].設備管理與維修,2006(1):4-36.

[2]孫 桓,陳作模.機械原理[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3]龍馭球.有限元法概論[M].北京:人民教育出版社,1980.

[4]盧秉恒.機械制造技術基礎[M].北京:機械工業出版社,2001.

[5]葉修梓,陳超群.COSMOSWorks designer[M].北京:機械工業出版社,2007.

[6]王 玨.高速精密五軸聯動加工中心結構設計及性能研究[D].成都:四川大學,2005.

Force Analysis and Structure Optim ization to the Y-axial Column of Lathe-m ill Cutting Center

SU Hong-zhi1,LIWen-xiang2,WANG Jian-jun2,LIXiao-fei2
(1.School ofNumerical Control Engineering,Shaanxi Polytechnical Institute,Xianyang Shaanxi 712000,China; 2.Baoji Machine Group Co.,Ltd,Baoji Shaanxi 721013,China)

Based on modeling the Y-axial column of lathe-mill cutting center,the finite element simulation and analysis on thismodel is conducted with the Solidworks Simulation in this paper,and the structural optimization design of column is completed.Through the practicalapplication of themachine tool,itshows that themethod of finite element simulation and analysis is an effective design means.

Y-axial column;finite element simulation;structure optimization

TG659

A

1007-4414(2015)06-0023-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.009

2015-10-08

蘇宏志(1973-),男,陜西扶風人,副教授,碩士,主要從事數控加工技術方面教學、科研工作。