立式數控車床運動部件有限元分析及優化設計*

王核心,李小飛

(1.寶雞職業技術學院,陜西 寶雞 721000;2.寶雞機床集團有限公司,陜西 寶雞 721013)

立式數控車床的運動部件要求其具有良好的快速響應動態特性,但在立式數控車床設計中,由于設計人員選擇安全系數大以及憑經驗設計等因素的影響,結構設計趨于保守,影響動態特性,整個運動部件系統在質量和結構上存在裕量,其結構還具有較大的抵抗破壞和變形的潛力[1]。此時就需要對其進行結構優化及運動部件優化設計,優化設計的目的是在立式數控車床具有足夠加工精度的情況下,即從靜力分析角度保證足夠的強度、剛度的條件下,通過改變運動部件結構尺寸,以期減輕重量,最大程度節省并合理分配材料,提高材料的利用率和立式數控車床運動部件快速響應特性[2]。

1 立式數控車床建模

經過市場調研發現,寶雞機床集團有限公司開發了一款雙刀架數控立式車床,該機床主要面向汽車輪轂加工行業有針對性地開發的一款高效加工機床。設計之初,技術人員根據機床加工參數及以往設計經驗完成了機床的三維模型的建立(見圖1),主要加工零件如圖2所示。該機床的運動部件主要包括左右床鞍、左右滑枕、左右刀架及刀座、刀具等附件。機床有2個X軸和2個Z軸,X軸移動時床鞍移動,滑枕、刀架及刀架附件不動,主要進行加工零件的端面加工[3];Z軸移動時床鞍不動,滑枕、刀架及刀架附件運動,主要進行加工零件的外圓加工。機床運行時左右刀架同時對零件內外圓進行加工(見圖2零件的粗線區域),這樣既可提高加工效率,又能依靠內外圓同時加工抵消加工應力,減少此類薄壁零件因自身結構原因引起的震動,提高加工表面質量[4]。

圖1 雙刀架立車光機模型

圖2 機床車削示意圖

2 立式數控車床有限元分析

立式數控車床是一個復雜的機電一體化系統,因篇幅關系,本文只針對立式數控車床加工精度比較敏感的X軸運動部件進行優化設計及有限元分析。Z軸運動部件可參考X軸進行。

2.1 機床加工工況設定

根據前期三維建模,給定各零部件的材料,最終確定X軸床鞍部件質量為m1=530 kg,滑枕部件質量為m2=400 kg,刀架部件質量為m3=320 kg,快移速度vmax=16 m/min,摩擦因數μ=0.04。

根據國家標準JB/T 11562—2013《數控立式卡盤車床和車削中心技術條件》[5]第8條,通過主傳動系統最大扭矩試驗,用強力車削外圓進行試驗。切削抗力的主分力按下式計算。

(1)

式中,F是切削抗力的主分力,單位為N;P是切削時電動機的輸入功率(指電網輸給電動機的功率),單位為kW;P0是機床裝有工件時的空運轉功率(指電網輸給電動機的功率),單位為kW;r是工件的切削半徑,單位為m;n是主軸轉速,單位為r/min。

具體試驗數據見表1。

表1 試驗數據

綜上,根據結果,經過圓整最終取切削力為FZ=4 750 N。

2.2 有限元分析

根據上節給定和計算的結果對機床左右床鞍進行有限元分析,X軸在移動時要克服運動部件的滑動阻力和切削力,最終受力情況為:

F=μ(m1+m2+m3)g+FZ=5 230 (N)

(2)

將最終合力等效轉移到左右床鞍上,對左右床鞍進行受力分析,首先應用Simulation軟件對左右床鞍材料進行給定,根據設計要求,給定材料為灰鑄鐵HT300,從而確定各項分析參數[6](見表2)。

表2 材料的各項指標

同時為簡化分析流程,根據左右床鞍移動軌跡將左右床鞍與機床立柱的各結合面按固定安裝面進行固定約束,視其為剛性固定連接,因此可以假定左右床鞍導軌面所有節點為全約束,即可近似模擬其實際位移狀態,故將左右床鞍導軌面使用6個自由度全部位移予以約束,左右床鞍施加外力載荷并進行邊界約束,根據上節計算結果對其受力面進行加力約束[7]。完成受力約束后再進行網格劃分,一般情況下網格劃分越小分析結果越準確,但所需分析過程及運行時間相對增加,本文設定單元格大小為10 mm,單元格公差為0.5 mm,在不影響分析結果的情況下壓縮部分螺紋孔并運用標準實體網格對其進行劃分,其中左床鞍劃分節點817 606,劃分單元格533 183,右床鞍劃分節點347 747,劃分單元格226 921。通過上述條件約束及網格劃分后,運行Simulation對左右床鞍進行有限元分析[8](見圖3～圖8)。

圖3 左床鞍

圖4 右床鞍

圖5 左床鞍應力云圖

由Simulation運行分析結果(見表3)可知,根據受力情況目前設計的左右床鞍滿足原始設計要求,可用于進行生產試制。

表3 Simulation運行分析結果

設計分析完成后,寶雞機床集團有限公司對該機型進行了投產試制,試制完成后根據國家標準GBT 16462.2—2017《數控車床和車削中心檢驗條件 第2部分:立式機床幾何精度檢驗》[9]和GBT 16462.4—2007《數控車床與車削中心檢驗條件 第4部分:線性和回轉軸線的定位精度及重復定位精度》[10]對其進行了檢驗,檢驗結果位置精度中最大定位精度為0.024 mm,最大重復定位精度為0.006 mm,最大反向差值為0.009 5 mm,符合國家標準要求(見圖9～圖12)。

圖10 X2軸位置精度

圖11 Z1軸位置精度

圖12 Z2軸位置精度

3 優化設計

在試制總結過程中,設計人員和裝配人員在最后的裝配和檢驗環節發現,存在該機床X軸、Z軸反向間隙較大,兩軸預緊鑲條過長強度不夠,Z軸電動機空載負載較大等問題,最終導致兩軸定位精度接近國家標準限定值,機床精度儲備值較小。為解決上述問題,設計人員對兩軸結構進行了設計優化,具體如下。

1)為解決Z軸方向床鞍變形問題,對床鞍內部筋板進行了重新布置(見圖13和圖14)。

圖13 原床鞍內部筋板結構

圖14 改進后床鞍內部筋板結構

2)為解決Z軸方向電動機空載負載較大問題,在Z軸方向增加液壓平衡裝置,降低Z軸方向運動部件上下運動時重力的影響(見圖15和圖16)。

圖15 原床鞍裝配體結構

圖16 改進后床鞍裝配體結構

3)為解決兩軸預緊鑲條過長強度不夠問題,將X軸和Z軸鑲條重新設計,改為兩端預緊方式增加鑲條厚度和強度,同時根據床鞍工作時的受力情況,更改了鑲條受力面(見圖17和圖18)。

圖17 原鑲條結構

圖18 改進后鑲條結構

經過優化設計,筆者對優化結果進行了有限元分析,運用上節分析過程控制流程對左右床鞍進行受力約束和網格劃分,對比初次設計結果,左右床鞍在最大應力和最大位移上都有了較為明顯的減小(見圖19～圖22)。優化后Simulation運行分析結果見表4。

圖19 左床鞍應力云圖

圖20 左床鞍位移云圖

圖21 右床鞍應力云圖

圖22 右床鞍位移云圖

表4 優化后Simulation運行分析結果

綜上可知,在左右床鞍質量基本不變的情況下,左床鞍最大應力由優化前的4.15 N/mm2降低為1.59 N/mm2,最大位移由0.009 mm降低為0.003 7 mm;右床鞍最大應力由優化前的2.04 N/mm2降低為1.55 N/mm2,最大位移由0.005 1 mm降低為0.004 8 mm。優化結果顯著,之后寶雞機床集團有限公司對其進行了小批試制,并委托第三方檢測機構對其進行了檢驗和可靠性檢測。檢測結果顯示,機床各項指標均滿足國家標準要求,其MTBF值達到了2 250.8 h。可靠性檢測完成后,該公司根據國家標準對其進行了工作精度檢驗,通過檢驗結果可知,位置精度中最大定位精度為0.011 9 mm,相比改進前提升50.4%;最大重復定位精度為0.003 4 mm,相比改進前提升43.3%;最大反向差值為0.009 mm,相比改進前提升6%;符合國家標準要求,機床精度儲備值大幅提升(見圖23～圖26)。

圖23 X1軸位置精度

圖24 X2軸位置精度

圖25 Z1軸位置精度

圖26 Z2軸位置精度

4 結語

本文通過應用Simulation有限元分析軟件對立式數控車床的運動部件進行了有限元受力分析,并通過分析和試制結果對其進行優化設計,最終達到寶雞機床集團有限公司承擔的國家重大專項要求。為今后同類型機床運動部件設計提供了很好的借鑒作用。