攪拌摩擦焊接龍門機床的橫梁受力分析

田 來 ，姜 迪

（1.安徽理工大學(xué)，安徽淮南 232001；2.黃山學(xué)院，安徽黃山 245021）

0 引言

攪拌摩擦焊接龍門機床是攪拌摩擦焊接機床結(jié)構(gòu)中很常用的方式，具有兩大優(yōu)勢：一是龍門機床穩(wěn)定性高，加工效果好，且負(fù)載大，可以制作重型機床；再者攪拌摩擦焊接機床恰好符合龍門機床的使用場合，并且可以使工作臺范圍廣，加工行程大。但是龍門機床也有缺點，就是重心過高，為了得到很好的剛度，一般龍門機床均采用大而厚重的橫梁作為中間支撐，這使得重心上升，對于機床的穩(wěn)定性很不利，同時給材料的使用和加工都帶來一定的難度。

通過分析橫梁強度要求，找出可以進(jìn)行更換的板材以及改變導(dǎo)軌的壓塊寬度，來調(diào)整整體質(zhì)量和導(dǎo)軌的變形量。

為了更好的經(jīng)濟(jì)要求，使用現(xiàn)有厚度為50 mm和40 mm的板材，導(dǎo)軌的寬度可以適當(dāng)放寬，考慮到加工問題，變?yōu)樵瓉淼?倍。

1 分析板材的強度要求

利用Solidworks中的simulation功能模塊對橫梁的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在分析之前的參數(shù)設(shè)定中，板材均被設(shè)置成普通碳鋼，滑塊以及導(dǎo)軌材料為合金鋼，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。載荷8000 kg，材料為普通碳鋼，接觸類型全局接觸

由于實際限值是6000 kg，分布在8個滑塊上，且板材均為焊接件，考慮到焊接的強度為母材的60%，因此安全系數(shù)擴大一倍，以簡化焊縫的處理，加快運算的速度。具體的使用要求：安全系數(shù)5，導(dǎo)軌變形量0.06 mm，整體變形量0.1 mm，重量上限1400 kg。

在Solidworks simulation中設(shè)置好參數(shù)變量，畫好網(wǎng)格進(jìn)行分析，分析過程中網(wǎng)格的參數(shù)設(shè)置選擇默認(rèn)，為了更快得到結(jié)果，焊縫選擇裝飾焊縫，滑塊定義為合金鋼，以及在滑塊之間定義為剛性連接。

得到應(yīng)力結(jié)果如圖2所示。

圖1 橫梁的整體結(jié)構(gòu)

圖2 60 mm板厚下的應(yīng)力

可見，應(yīng)力最大處是內(nèi)部加強筋的拐點，最大值為231.5 kgf/mm2（1 kgf/mm2=9.8 MPa），符合要求（圖3）。

圖3 60 mm板厚下的位移

可見，最大合位移出現(xiàn)在滑塊上，最大值為0.056 mm，在允許的范圍之內(nèi)。其中，URES表示合位移。

在變形量和強度均保證的情況下，求出受力較多的部分以及受力很少的位置，用來指導(dǎo)優(yōu)化。結(jié)果如圖4所示。

透明部分即為受力很小的位置，可以看出上側(cè)板以及下面的板材受力很小，可以進(jìn)行改變至較薄的板材。

2 改變參數(shù)變量

2.1 改變板材厚度

根據(jù)圖4的結(jié)果，將導(dǎo)軌支撐部分的板材變?yōu)?0 mm，再次進(jìn)行強度分析（圖5）。

可見，最大應(yīng)力沒有發(fā)生太大的突變，依舊在許用范圍之內(nèi)。位移量為 0.0532 mm，也在允許范圍內(nèi)。

同理，將板材改為40 mm，得到如圖6所示的應(yīng)力圖解。

由圖4可知，整體板厚已經(jīng)減少了1/3，但強度改變并不大且在允許的范圍之內(nèi)。可見，這個方法是有效的。

圖4 板材受力的透明圖

圖5 50 mm板厚下的應(yīng)力圖解

2.2 改變導(dǎo)軌壓塊的寬度

根據(jù)以往的經(jīng)驗，導(dǎo)軌壓塊是很好的控制導(dǎo)軌變形的措施，但是壓塊的寬度一直是依照經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計的，這里作者采用改變寬度的做法，來求解壓塊寬度對變形量的影響，初步推斷，壓塊越寬，變形量越小。實際分析如圖7所示。但是，實際變形量并非想象的那樣減小，達(dá)到0.0623 mm，反而超過了要求。這是不符合使用要求的，因為壓塊的寬度不能改變。

3 結(jié)果分析

使用趨勢迭代器進(jìn)行跟蹤分析，可以得到整個結(jié)果的趨勢變化曲線（圖8）。由圖8可知，在控制變形量和強度的允許的范圍內(nèi)，整體質(zhì)量減少了240 kg，對整體重心的降低起到很大作用，在一定程度上增強設(shè)備的穩(wěn)定性，提高加工精度。所以，本次的改變可以指導(dǎo)生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）減少橫梁上側(cè)板的厚度，不僅對減輕重量很有好處，同時可以很好地控制導(dǎo)軌變形量。

圖6 40 mm板厚下的應(yīng)力圖

（2）減少導(dǎo)軌壓塊的數(shù)量和寬度，可以達(dá)到與經(jīng)驗相反的結(jié)果，導(dǎo)軌的變形量會變小，而不是增加。這是因為支撐面的剛度下降，使得整體發(fā)生小幅位移，從而減輕導(dǎo)軌局部的變形。

（3）將導(dǎo)軌的支撐板厚度減少至40 mm，不僅可以滿足要求，同時對經(jīng)濟(jì)成本和整體效果均有益處。

圖7 壓塊寬度改變1倍的變形圖解

圖8 趨勢迭代結(jié)果