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數控高速磨床床身的(de)有限元分析與優化
2015-8-28  來源: 湖南(nán)海捷精密工業有(yǒu)限(xiàn)公司   作(zuò)者:何濤, 朱健(jiàn)毅, 彭克立, 周棟(dòng)

  

     摘要:運用SolidWorks 軟件建立了數控高(gāo)速磨床床身的三維模型,並在Simulation 軟件模塊中(zhōng)對其分別進行了靜力學和模態(tài)分析,根據分析結果,對床身筋板的布局(jú)、壁厚以及掏沙孔形狀等不合理結構進行優化。優化後的床身經過有限元分析後,其最大(dà)應力可以減少20.63%,最大(dà)變形量可以減少22.18%,第(dì)一階固有頻率可以提高9.40%,總體質量可以減少10.48%。


     0 引言


     高速化是數(shù)控外(wài)圓類磨床的重要發展方向,同時也對機床的綜(zōng)合剛性提出了更高的要(yào)求。影響機床剛性最關(guān)鍵的一個部件是床身,它承受著各種交(jiāo)變載荷的作用,比如工作台的往複移動、頭架電機(jī)的振(zhèn)動、砂(shā)輪架電機(jī)的振動以及(jí)重力和磨削力。床身是一種框架結構(gòu),它裏麵筋板的布(bù)局、厚(hòu)度和掏沙孔形狀、大小對整個機床的剛性影響非常大 。一方麵,床身剛性不足時,發生變形和振動,影響磨削精度;另一方麵(miàn),床身剛性過(guò)大時,會增加機床的重量,增加企業的(de)生產成本。因此,有必要對床身的結構進行分析與(yǔ)優化。
 
 
     本文運用SolidWorks 軟件中的Simulation 模(mó)塊對本公司(sī)已有的(de)一種數(shù)控高速磨床床身進(jìn)行(háng)了有限元分析,找出現有床身(shēn)存在的(de)缺陷,提出優化方案,並對該方案再次進行了有限元分析,其(qí)中分析步驟如(rú)圖1 所示。分析結果表明,優化後床身的整體性能有了顯著的提高。


    1 、床身結構分析


    本文研究的機(jī)床(chuáng)床身采用T 型整體(tǐ)鑄件結構,前部為V-平導軌(guǐ),頭架、尾架等部件安裝在工作台上,後部為平麵,安裝砂輪架移動墊板。運用SolidWorks 軟件(jiàn)進行三維建模,模型如圖2 所示。


     2 、床身有限元建模(mó)

 

     床身的一些工藝特征,如油(yóu)孔、鑄造圓角、安(ān)裝凸台及台階麵等,會影響網格(gé)劃(huá)分而無(wú)法求解。因此,有必要去除這些小特征,方便網格劃分,提高計算經濟性。根據聖維南原理(lǐ),這些細小特征對力學性能影響較(jiào)小,不(bú)會改變有限元分析的結果 ]。在Simulation 模塊中對模型進行分析,材料型號為HT200,密度7 200 kg/m3,彈性(xìng)模量125 GPa, 泊鬆比0.27。由於床身結(jié)構比較複雜,本文采用自由網格劃分方式,單元大小設置為44.6mm,雅可比點數4 點。劃分完成後節點總數為76 286,單元總數為39 066,有限元模(mó)型如圖(tú)3 所示。


      3 、靜力分析

      

 

    

 

     靜力分(fèn)析用於計算固定不變的載荷作用在床身上(shàng)引起的應力和應變。根據靜力分析的結果,可以掌握床身的應(yīng)力、應(yīng)變分布(bù)情況,為後續的(de)優化提供依據 。本文研究的數控高速(sù)磨床(chuáng)床身通過若幹個機床墊鐵固(gù)定在水泥(ní)地麵上,在前部V-平導軌上有工作台、頭架、尾架和工件,在後部有砂輪架(jià)和墊板。其(qí)中:頭架質量為50 kg,尾(wěi)架為25 kg,工件
為25 kg,工作台為(wéi)200 kg,砂輪架和墊板質量為(wéi)250 kg。通過計算,床身前部V-平導軌承受(shòu)的重力(lì)為2 940 N,床身後部(bù)承受的重力為2 450 N,方向均與接觸麵垂直(zhí)。在Simulation 模塊中進行靜應力分析,計算結束後,可以查看整個床身的(de)應力、變形結果,如圖4(a)、圖4(b)所示。從圖4(a)應力雲圖中可以看出,最大應力值出現在床身(shēn)前部V-平導(dǎo)軌處,其值(zhí)為315 030 N/m2,遠小於HT200 的許用應力值;從圖4(b)變形雲圖中可以看出,最大變形也出現在床身前部V-平導軌處,其值為2.39μm,小於設計要求的0.013 mm。以上分析(xī)可以得出(chū)床身的安全係數很高。因此可以通過優化結構(gòu)來合理、經濟地使用材料,為企業降低成本。


      4 、模態分析


     床身除了受到靜態載荷以外,還會受到一些交變載荷作用,比如頭(tóu)架和砂輪的轉動、工作台和砂輪架的移(yí)動等 。當交變載(zǎi)荷的頻率與床身某階固有頻率接近或相等時,就會
發生共振,這在設計時是必須(xū)避免的。

    

     

     

               圖(tú)5 原始(shǐ)床身各階振型圖(tú)

      在Simulation 模塊中進行頻率分析,計(jì)算床身的固有頻率和振型,由於高階模態(tài)的固有頻率已遠高於(yú)實際工況所能達到的激勵頻率,不會發生共振[5]。故本文隻計算(suàn)床身前10 階固有頻率,結果見表1。前4 階(jiē)振型如圖5(a)~圖5(d)所示。


     從表1 和圖5 中可以得到以下兩點分析結果(guǒ):1)1 階振型(xíng)與2 階(jiē)振型為前後擺動,3 階振型與4 階振型為彎曲振型,均屬於局(jú)部模態,一方麵說明床身(shēn)的(de)整體剛性較好,另一(yī)方麵說明(míng)床身的剛性分布不均勻,結構的薄弱環節位於床(chuáng)身前部V-平導軌處。2)由於床身上頭架電機和砂輪(lún)架(jià)電機的轉速分別為800 r/min、1 500 r/min,
對應為40 Hz、50 Hz,遠小於床身的第1 階固有頻率213.16 Hz,而且階數(shù)越高,固(gù)有頻率(lǜ)越高,因此在工作中不會發生共振現象。


     從上(shàng)麵的分析不難看出,本床身靜態和動態(tài)特性都很好,即安全係數很高,因此有必要對其進行優化,來減輕它(tā)的重(chóng)量,在滿足剛性要求的同時,降低成本。


     5 、結構的改進與優化

 

     通過(guò)對原床身進行分析,得出如下優化方案:
 
     1) 最大應力和變(biàn)形(xíng)均出現在床身前部V-平(píng)導軌上,說明此處相對薄弱,故將V-平導(dǎo)軌下麵的筋板(bǎn)厚度由20 mm 增加(jiā)到25 mm,個數由均勻(yún)分布的(de)9 個增加到(dào)11 個,從而增加
V-平導軌的剛度。


    
 

     2)床身內部筋板布局由“W”型改成“井”字型、筋板上淘沙孔的形狀(zhuàng)由長方形修改為圓形或橢圓形、筋板厚度由20mm 修改為15 mm 等措施來優化床身的結構,一方麵(miàn)可以提高床身的靜、動態特性;另一方麵可以減輕床身的重量。優化前後床身內部筋板布置如圖6(a)、圖(tú)6(b)所(suǒ)示。

    

    


     

 

     對(duì)優化後的床身結構分別進行靜力學和模態分析,優化前後床身結構性能比較結果見表(biǎo)2。從表(biǎo)2 可以看出,最大應力由315030 N/m2 降到250031 N/m2;最大變形量由2.39 μm 降到1.86 μm,床(chuáng)身應力、變(biàn)形雲圖如圖7(a)、圖7(b)所示,優化後床身的質量由1 730 . 26kg 降到1 549.01 kg。床身前(qián)10 階固有頻率均有所提高(gāo),1 階固有頻率由(yóu)213.16 Hz 增加(jiā)到233.2 Hz,結果見(jiàn)表(biǎo)3,前四階振型如圖(tú)8(a)~圖8(d)所示,其中(zhōng)1 階振型與2階振型為前後擺動(dòng),3 階振型與4 階振型(xíng)為彎曲振型,最大位移值均有所下降。通過上麵的分析可以看出(chū)優(yōu)化後的床(chuáng)身結構,筋(jīn)板布局(jú)簡單合理,易於鑄造,不僅床身的(de)靜、動剛度提高(gāo)了(le),而且床身的重量也減輕了。

   

    

 

     6 、結語


    針對(duì)本公司已有數控高速磨床床身進行了靜(jìng)力學和模態分析,根據分析結果,找出薄弱環節,通過改(gǎi)變床身內部筋板的布局形式和厚度,以及把(bǎ)淘沙孔(kǒng)的形狀由長方形改為圓(yuán)形或橢圓形等,對(duì)優化後的床(chuáng)身再進行(háng)有限元分析。結果表明,床身最大應力降(jiàng)低了20.63%,最大變(biàn)形減小了22.18%,一階固有頻率提高了9.40%,質量減輕了(le)10.48%。優化後的床身已應用於實際生產中,效果良好,並為企業帶來了一定的經濟效益。

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