臥式車床支承件結(jié)構(gòu)性能分析

王天東 曲 成

云科智能制造（沈陽）有限公司 遼寧沈陽 110142

臥式車床支承件結(jié)構(gòu)性能分析

王天東 曲 成

云科智能制造（沈陽）有限公司 遼寧沈陽 110142

支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計方法主要有三種：經(jīng)驗類比法、力學(xué)方法和數(shù)字化設(shè)計方法,前兩者為傳統(tǒng)設(shè)計方法,后者已逐漸成為當(dāng)前主流的設(shè)計方法,本文主要采用有限元工具對支承件靜動態(tài)性能分析，得出了臥式車床支承件在切削載荷作用下的變形情況以及支承件的剛度分布；為支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考和對比依據(jù)；模態(tài)分析可獲得支件各階的振型和固有頻率，同樣可為支承件構(gòu)型設(shè)計提供對比依據(jù)。

支承件；靜態(tài)分析；模態(tài)分析

一、 有限元建模

（一）模型處理

1、幾何模型處理

為了更真實的模擬支承件在受載情況下的狀態(tài),建模時將結(jié)合六面因素考慮在內(nèi),幾何實體模型為裝配體,包括支承件本身和導(dǎo)軌、絲杠功能部件。導(dǎo)入有限元分析軟件前去掉可能影響網(wǎng)格劃分的一些局部小結(jié)構(gòu)。

2、有限元模型處理

模型導(dǎo)入ANSYS后,進(jìn)行如下模型處理,建立有限元模型。

（1）限元模型中對各個支承件材料進(jìn)行定義。（2）螺栓和滑動導(dǎo)軌結(jié)合面建立接觸對,分析過程中將自動實現(xiàn)載荷和約束的傳遞。（3）螺栓結(jié)合面中起固定作用的螺栓需施加螺栓預(yù)緊力:主軸箱一床鞍螺栓為40000N;尾座一床身螺栓為2000N。（4）X向和Z向絲杠分別由兩個彈簧單元模擬,兩向彈簧剛度值分別為4.4e6N/ mm和1.24e6N/mm。（5）彈簧單元與絲杠螺母座和絲杠軸承座之間使用自由度耦合的方式進(jìn)行簡化。（6）邊界條件施加。主軸箱、尾座、滑板和床鞍約束施加于與之相連的床身導(dǎo)軌下表面;床身約束施加于地基板的下表面,約束方式為自由度全約束。

（二）有限元模型

圖1.1給出了5個支承件的幾何實體模型、邊界條件施加位置和在ANSYS中建立的有限元模型。

二、靜動性能分析

本文選取主軸箱和尾座總結(jié)它們的變形趨勢,并提取模態(tài)前5階的振型和固有頻率。

（一）靜態(tài)分析

1、主軸箱

圖2.1中曲線圖為主軸箱靜態(tài)位移曲線上部為主軸回轉(zhuǎn)軸線X向位移，主軸回轉(zhuǎn)軸線下部為Y向位移。

圖2.2中曲線圖為尾座靜態(tài)位移曲線上部為套筒回轉(zhuǎn)軸線X向位移，套筒回轉(zhuǎn)軸線下部為Y向位移。

通過觀察主軸箱和尾座的靜態(tài)位移云圖和曲線發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)相似的變形趨勢,主要為繞軸X和Y軸的扭轉(zhuǎn)。現(xiàn)將臥式車床三類支承件的變形特點總結(jié)如下,床身主要為誰平面和垂直面內(nèi)的彎曲；導(dǎo)軌呈現(xiàn)局部的彎曲和扭轉(zhuǎn)；滑板和床鞍主要呈現(xiàn)整體的傾覆趨勢，表現(xiàn)為左前部的下沉和右后部的上翹；導(dǎo)軌出現(xiàn)了局部下凹；主軸箱和尾座主要圍繞X軸和Y軸的扭轉(zhuǎn)。

圖1.1　床身、床鞍、滑板、主軸箱和尾座的載荷約束施加

圖2.1　主軸箱靜態(tài)位移云圖

圖2.2　尾座靜態(tài)位移云圖

（二）模態(tài)分析

模態(tài)分析分為自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析。本文為了更準(zhǔn)確地模擬各支承件的振動特性,進(jìn)行了有約束的模態(tài)分析,其有限元模型同靜態(tài)分析。

由于在進(jìn)行支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計時,一般不會大幅改變支承件的主體結(jié)構(gòu)(外形輪廓)和結(jié)合面位置及約束形式,而是對其進(jìn)行一定的改進(jìn),如構(gòu)型尺寸、筋板布置形式和壁板筋板厚度的改變等,則改進(jìn)前后其應(yīng)具有大致相同的振型,只是各階固有頻率的數(shù)值會有所差異。本文針對主軸箱和尾座進(jìn)行了模態(tài)分析,提取了前五階的振型和固有頻率。

1、主軸箱模態(tài)振型和固有頻率：一階頻率為328.95振型為整體前后擺動；二階頻率為473.23振型為整體左右擺動；三階頻率為639.81振型為繞Y軸扭轉(zhuǎn)，四階頻率為883.87振型為上下擺動，五階頻率為1089.7振型為繞X軸扭轉(zhuǎn)。

2、尾座模態(tài)振型和固有頻率：主軸箱模態(tài)振型和固有頻率：一階頻率為391.68振型為整體前后擺動；二階頻率為537.28振型為整體左右擺動；三階頻率為763.26振型為繞Y軸扭轉(zhuǎn)，四階頻率為1002.26振型為沿Y向壓縮與伸長，五階頻率為1097.25振型為前壁板內(nèi)凹與外凸。

通過觀察各支承件的模態(tài)振型和固有頻率發(fā)現(xiàn):主軸箱和尾座前四階的振型相同、固有頻率數(shù)值較為接近。造成這種現(xiàn)象的原因為：兩者的結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)特征和體積(質(zhì)量)接近且約束位置和方式大致相同。

三、結(jié)論

本文對臥式車床支承件的主軸箱和尾座進(jìn)行了有限元建模和多載荷工況下的靜態(tài)特性分析以及模態(tài)分析。通過觀察支承件靜態(tài)移云圖和位移曲線,總結(jié)了支承件在切削載荷作用下的變形特點。本文可為支承件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)汁提供_定的參考和對比依據(jù)。

[1]秦穎,雷家騎,韓淼.我國裝備制造業(yè)國產(chǎn)化問題與對策研究[J].科學(xué)決策,2009(011)：1-8.