臥式車銑復合加工中心滑鞍部分的靜力學分析與結構優化

趙雷

（沈陽機床（集團）有限責任公司，沈陽 110142）

0 引言

車銑復合加工是一種先進的制造技術，其可將車削加工和銑削加工在一臺機床上完成，可以有效提高復雜零件的加工精度和加工效率。車銑復合加工中心就是能同時實現一臺數控車床和一臺數控銑床的功能的機床。目前，在機械加工領域，車銑復合加工的發展很快，是未來機械加工發展的重要方向之一，在航空航天、精密儀器等領域有廣泛的應用。

由于車銑復合加工中心機床的加工過程比較復雜，其零件的受力同樣也是比較復雜的，如滑鞍部分位置在床身和銑削主軸箱之間，同時受到床身的支撐力、零件的重力、主軸的切削力等多種力的影響，因此滑鞍部分是車銑復合加工中心整機的關鍵零件，對機床整機剛度和加工精度有很大影響。因此，在臥式車銑復合加工中心整機的設計過程中，需要對滑鞍部分模型進行力學分析和剛度計算，優化滑鞍的結構，提高滑鞍的剛度，以滿足整機的力學要求。本文使用SolidWorks軟件，對臥式車銑復合加工中心滑鞍部分進行模型建立和有限元分析，并對其結構進行優化，得出滑鞍結構的最優方案。

1 滑鞍的三維模型和有限元模型建立

臥式車銑復合加工中心的整機結構如圖1所示，其中滑鞍部分位于床身和立柱之間，滑鞍下面為整機Z軸導軌連接的斜床身，滑鞍上面為整機X軸導軌支撐的立柱，滑鞍部分相對床身做Z向運動，立柱相對滑鞍做X向運動。

圖1 臥式車銑復合加工中心中滑鞍部分的位置

對滑鞍部分進行靜力學有限元仿真分析之前，首先利用SolidWorks軟件的建模功能，SolidWorks軟件同時具有較強的三維建模能力和有限元仿真分析能力，因此可以在設計過程中不需要對零件模型進行轉換，直接使用同一模型進行模型建立和有限元仿真分析，可以大大縮短了設計時間，提高設計的效率。對滑鞍部分進行模型建立，滑鞍部分結構比較復雜，包括各種受力面、支撐面、加強筋等特征，建立的滑鞍模型如圖2所示。建立滑鞍部分的三維模型后，再利用SolidWorks軟件的有限元仿真力學分析功能，在滑鞍部分三維模型的基礎上，建立滑鞍部分的有限元仿真模型，為減少分析時間，可對滑鞍模型做適當簡化，省略掉孔、倒角，臍子面等對受力分析影響不大的特征，然后設置滑鞍的屬性、材料、質量等各種參數，設置有限元網絡，完成滑鞍的有限元模型建立，如圖3所示[1]。

圖2 滑鞍部分的三維模型和有限元仿真網絡模型

圖3 滑鞍的有限元仿真分析結果示意圖

2 滑鞍的靜力學分析與結構優化

2.1 滑鞍的靜力學分析

對滑鞍進行有限元仿真靜力學分析，根據滑鞍部分的幾何結構和臥式車銑復合加工中心整機的工作情況可知，當整機的X軸在行程的終點位置時，此時滑鞍尾部的伸出量最大，滑鞍整體的變形量也最大。因此，對滑鞍的靜力學分析，選擇在當整機X軸行進到行程終點位置時進行計算，可以得到滑鞍的最大變形量。在SolidWorks軟件中的滑鞍有限元仿真模型上輸入滑鞍的主要受力，包括滑鞍自身的重力、滑鞍下部Z軸滑塊安裝面的支撐力、滑鞍上部X軸導軌安裝面的壓力、整機工作時的切削力等。同時，在滑鞍的支撐導軌處設置成固定約束，然后就可以利用SolidWorks的有限元仿真功能進行靜力學分析，可得滑鞍部分的受力變形情況。

從圖3滑鞍的有限元仿真結果上可以看出滑鞍各部位的靜力分析的變形量，分析滑鞍變形量的結果可知，滑鞍的變形量從滑鞍頭部到滑鞍尾部是逐漸增大的?；邦^部到滑鞍中部的變形量為0.004～0.008 mm，是比較理想的數值，對滑鞍的形位公差及整體幾何影響較小，而從滑鞍中部到滑鞍尾部，變形量明顯增加，達到0.01～0.05 mm，在滑鞍尾端，變形量達到最大值，在0.05 mm以上，對滑鞍的形位公差及整體幾何精度有很大的影響了，因此有必要對滑鞍結構進行優化，減小滑鞍的變形量，降低其對滑鞍形位公差和幾何精度的影響[2]。

2.2 滑鞍的優化

由上述的滑鞍靜力學分析結果可知，滑鞍的變形量對自身的形位公差和幾何精度有一定的影響，特別是滑鞍的尾端，由于伸出量較大，是整個滑鞍的受力薄弱環節，對滑鞍形位公差和幾何精度影響很大。因此，為減小滑鞍尾端的變形量，降低其對滑鞍形位公差和幾何精度的影響，需要對滑鞍結構進行優化。具體方案具體有兩種：一是增加床身的傾斜角；二是增加滑鞍支撐導軌之間的跨距。兩種方案都是通過改變滑鞍部分的結構，來改善滑鞍尾部的受力情況，減小滑鞍尾部的變形量，下面對兩種方案分別進行分析，并對兩種方案做比較，選擇更好的方案[3]。

1）增加滑鞍的傾斜角的方案。

當前臥式車銑復合加工中心的斜床身當前的傾斜角為45°，為了改善滑鞍尾部的受力，可以選擇將斜床身的傾斜角度增加到60°，這樣滑鞍的安裝角度就由45°變成了60°。增加滑鞍傾斜角后，整機的立柱、主軸箱等位于滑鞍上端的零件重力在滑鞍上支撐面法向方向的分力會減小，這樣可以減小滑鞍由于零部件重力產生的變形量。

分析過程與前文分析的相似，利用滑鞍原有的有限元模型，按方案要求輸入包括滑鞍重力、支撐力等受力，固定約束位置與原方案相同，將滑鞍所受的零部件壓力與重力按不同的傾斜角度計算分力，輸入條件后，利用SolidWorks的有限元仿真功能計算滑鞍的變形量，結果如圖4所示。

圖4 增加滑鞍傾斜角度后滑鞍的有限元仿真分析結果示意圖

由滑鞍的有限元仿真分析結果可以看出，滑鞍結構優化后，變形量的趨勢與優化前基本相同，都是滑鞍的頭部變形量最小，滑鞍尾部的變形量最大，滑鞍頭部到尾部變形量逐漸增大。從滑鞍的變形量上分析，滑鞍整體的變形量減小了很多，滑鞍頭部的變形量由0.004 mm減小到0.003 mm，滑鞍尾部的變形量由0.05 mm減小到0.035 mm，可以說結構優化后滑鞍的靜力分析變形量減小，滑鞍的受力變形有了很大的改善。

2）增加滑鞍支撐導軌間跨距的方案。

當前滑鞍兩根支撐導軌的位置，分別位于滑鞍的前部和中部，滑鞍的尾部處于相對懸空的狀態，因此當整機X軸行程位于終點位置時，立柱、主軸箱等零件的重力會施加在滑鞍的尾部，造成滑鞍尾部的變形量較大。為減小滑鞍的變形量，可以將滑鞍支撐導軌間距變大，使滑鞍支撐導軌向滑鞍的尾部移動，設置在接近滑鞍尾部的位置，這樣可以對安裝在滑鞍上部的零部件重力形成有效的支撐，減小滑鞍尾部的變形量。

受力分析過程與優化結構之前的受力分析過程一樣，按要求輸入滑鞍自身重力、支撐力、切削力等受力，并在導軌的支撐位置設置成固定約束，與優化結構前相比，滑鞍支撐導軌的跨距加大，這樣滑鞍固定約束位置會向滑鞍尾部移動。設置好滑鞍受力情況和約束情況后，同樣利用SolidWorks的有限元仿真功能進行靜力學分析，可以得到滑鞍結構優化后的受力變形情況，如圖5所示。

圖5 增加支撐導軌跨距后的滑鞍的有限元仿真結果示意圖

由受力分析結果可知，滑鞍結構優化后，增加支撐導軌跨距后的滑鞍，其受力變形量的趨勢與優化前大致相同，同樣是滑鞍前部最小，從頭部到尾部逐漸會增大，而滑鞍尾部的變形量是最大的。在滑鞍變形量的數值上，則有了很大的改善，滑鞍頭部的變形量由0.004 mm減小到0.002 mm，滑鞍尾部的變形量由0.05 mm減小到0.01 mm，與結構優化前相比，靜力分析的變形量大幅減小，滑鞍受力有了很大的改善。

3 兩種結構優化方案的比較

為了更加直觀地分析滑鞍的靜力變形對滑鞍自身主要形位公差和幾何精度的影響，以及滑鞍的兩種結構優化方案對滑鞍的影響，將滑鞍優化前及兩種優化方案優化后的主要幾何精度與滑鞍的靜力變形量做對比，結果如表1[4]所示。

表1 滑鞍變形量對滑鞍自身精度的影響

通過表1的數據比較可知，滑鞍結構的原方案，其靜力分析的變形量對滑鞍的主要幾何精度和形位公差的影響比較大，因此滑鞍結構優化是有必要的。對比兩種滑鞍的優化方案，第二種優化方案增加滑鞍支撐導軌跨距，與第一種增加滑鞍傾斜角度的方案相比，在滑鞍變形量的減小上更加明顯。

總結上面的滑鞍的有限元仿真靜力學分析結果，可以得到結論，當臥式車銑復合加工中心整機X軸行程位于終點位置時，滑鞍的變形量是最大的，尤其是滑鞍尾部，這種受力變形會對滑鞍部分的形位公差和幾何精度造成不良的影響，需要對滑鞍結構進行優化，本文中兩種滑鞍優化方案，分別是增加滑鞍傾斜角度和增加滑鞍支撐導軌的跨距，兩種方案都可以有效減小滑鞍的變形量，其中，第二種方案增加滑鞍支撐導軌跨距，可以使滑鞍的受力情況比第一種增加滑鞍傾斜角度的方案更好，變形量也更小，是滑鞍優化的更好的方案，在實際設計過程中，可以采用第二種增加滑鞍支撐導軌跨距的方案[5]。

4 結論

本文利用SolidWorks的有限元分析功能對臥式車銑復合加工中心滑鞍部分模型進行靜力學分析，得到結論后，對滑鞍模型進行結構優化，最終獲得了滑鞍的最優設計方案。在機械設計過程中，采用這種方法設計零件，不僅可以有效縮短機床的設計周期，還可以避免機床零件設計的錯誤，提高了機床整機的精度和穩定性，并為后續機床改進設計提供必要的依據。