立式加工中心立柱靜力分析與優化

國興洋 王加祥 胡 明

（山東省機械設計研究院，濟南 250031）

立柱是加工中心核心部件，同時也是主軸箱進給的承載部件，其剛性和動態響應能力關乎整個機床的加工精度與生產率[1]。相對于底座、滑板等結構鑄件，立柱的變形量對整機精度的影響最大，合理的立柱設計可以提高整個機床的系統剛性、加工質量和精度，減少各種變形、振動問題。因此，提高立柱的動靜剛度在現實生產中具有重要意義。本文利用Solidworks Simulation系統，對立柱進行靜態受力分析，并根據分析結果對立柱內部筋板及結構進行優化，提高了立柱的剛性。

1 Solidworks Simulation軟件簡介

SolidWorks Simulation是SolidWorks 內部集成的一套設計分析系統,可進行應力、頻率、扭曲以及熱分析，SolidWorks Simulation解算器運算精準、快速，而且三維模型可以直接由SolidWorks生成，避免了建模軟件與分析軟件間的兼容問題。此外，SolidWorks軟件易學易用、功能強大，用軟件集成的SolidWorks Simulation系統進行分析優化模型，可減少設計過程中的錯誤，提高產品質量。總之，利用SolidWorks Simulation系統對機械零件進行應力分析，具有方法簡單，容易實現等特點[2-5]。立式加工中心機床大件的CAE分析流程如圖1所示。

圖1 有限元分析流程

2 立柱CAE分析與優化

2.1 立柱有限元模型建立

利用Solidworks軟件建立立柱數字化模型，因為立柱結構復雜，為了保證分析速度，且獲得高質量分析數據，忽略立柱模型中對結果分析影響不大的部位，如倒（圓）角、凸臺、螺紋孔等，影響誤差忽略不計[6]，簡化后模型如圖2所示。

圖2 簡化后立柱模型

2.2 立柱靜力分析

2.2.1 立柱參數設定

該立柱材料為鑄鐵，各向同性，介質均勻。材料定義為HT300，具體屬性如表1所示。

表1 HT300材料屬性

2.2.2 單元選取與網格劃分

中心立柱網格劃分采用了Solidworks Simulation系統中網格自動劃分的方法，劃分后單元數為36389個，節點總數為72081個。

2.2.3 立柱加載與約束

忽略慣性和阻尼影響進行靜力分析，計算分析構件在受到靜力載荷過程中的應力、應變以及位移情況。結構的靜剛度是由構件的材料性能、截面形狀、截面尺寸以及筋板布置形式等多個方面決定的，構件靜剛度是衡量結構特性優劣的重要指標[7]。進行有限元結構分析時，計算結果只對邊界條件負責，只有所選的邊界條件滿足有限元平衡方程的求解要求，才能得出正確的結果。所選邊界條件與實際工況越接近，分析的精度就越可靠。

本立式加工中心立柱底部通過螺栓與機床底座固定，立柱頂部四個滑塊位置與滑板相連接，滑板可在立柱水平方向作X向進給。立柱除受自身重力載荷外，還受到滑板、主軸箱的重力載荷與加工時切削力的顛覆力矩。立式加工中心銑削加工的切削抗力如圖3所示，銑刀齒上受到的切削抗力的合力Fr可分別分解為徑向切削力Fx、切向切削力Fy和軸向切削力Fz。

圖3 銑削抗力分析

切向銑削力Fy是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗機床電機功率最多，如式（1）、式（2）所示。

式中，PE為主電機最大功率，kW；ηm為主傳動系統的傳動效率；Vmin為傳遞全部功率時的最低切削速度，m/min；dmax為最大銑刀盤直徑；nmin為主軸最低轉速。將本機床相關參數代入式（1）、式（2）中，可得Fx=521N，Fy=1251N，Fz=620N。

立柱所受工作載荷主要是主軸箱及滑板的重力以及切削抗力產生的扭矩。根據實際工況，將立柱底部結合面作為固定約束，在立柱導軌滑塊有效位置（兩滑塊間距離）施加主軸箱及滑板的重力載荷1373kN，按照鉆孔最大抗力，施加沿導軌結合面的翻轉扭矩4000N·m，進行靜力分析如圖4所示。

圖4 立柱網格、約束及載荷

2.2.4 立柱靜力分析

利用Solidworks Simulation系統對立柱受力位移云圖進行繪制，如圖5所示，可以看出立柱最大變形量為0.01835mm，發生在立柱頂端后部。立柱變形趨勢為中間彎曲。

2.3 立柱結構的優化

由于立柱是主軸箱的承載部件，因此加工過程中立柱的微小變形，通過滑板、主軸箱的傳遞在主軸箱刀具部位都會放大，對主軸加工精度產生非常大的影響。因此要盡量減少立柱變形，特別是立柱導軌面的變形。通過立柱靜力分析結果可以看出，立柱后側變形最大，立柱中間位置是機床加工的主要區域且是立柱的薄弱點，可以通過改變立柱內部筋板布置的方式進行結構優化，在不改變零件重量的前提下，詳細來說通過減少筋板厚度、增加筋板數量以及立柱底部加筋等措施實現。分別對立柱內部增加筋板及底部增加筋板建立三維模型，并按分析流程，依次增加相同的約束與受力，分析后的結果如表2所示。

圖5 立柱受力位移云圖

表2 立柱優化最大位移

從優化結果可以看出，通過增加筋板及底部筋板后，立柱剛性有了提高，立柱的最大變形量位移減少了0.004mm，達到了優化目的。

3 結語

本文應用Solidworks Simulation軟件.對三維建模的加工中心立柱進行了靜態受力分析，模擬實際加工過程中的受力及約束情況，獲得了立柱受力變形跟位移的關系，最后通過分析變形結果及位移云圖，決定了優化方向，通過多次優化分析，獲得最優立柱結構。可知利用Soildworks Simulation軟件對結構進行動有限元分析，可以快速有效確定結構最優優化方案，縮短產品試制周期，達到節省試驗時間及成本的目標。