复合化是数控机床一个普遍发展趋势,在现代机 械加工中复合化数控机床发挥着愈来愈大的作 用[1]。车铣复合加工中心具有多轴联动功能,机床 动力刀架配合Y轴移动能实现强力铣削,Y轴立柱作 为动力刀架的一个重要支撑零件,必须对其进行最优 化设计以减少机床在强力切削时的振动,使加工零件 获得较高的加工精度和很好的表面粗糙度。目前国 内复合机床偏重于结构布局研究,对复合后机床支撑 件力学性能研究不足。笔者通过对车铣复合加工中 心Y轴立柱有限元仿真和分析,完成了对Y轴立柱 的优化设计,并在机床的实际使用中,证明优化后的 Y轴立柱很好的满足了机床的加工要求。
1.1立柱的三维建模及材料的定义
利用Solidworks进行立柱二维模型建立,在此过 程中,三维模型中的一些细小特征,比如加工倒角、螺 纹孔、工艺凸台等会影响有限元网格模型的建立,因 此对这些不影响力学性能的特征进行了简化,进行简 化后的三维模型如图1所示。根据立柱的使用情况 选择其材料为HT300铸铁,通过查阅相关参考文献 可得出材料弹性模量为150 GPa、泊松比为0. 27、密 度为 7 400 kg/m3[2]。
1.2立柱有限元网格模型的建立
对简化后的立柱三维模型利用Simulation进行网格划分。在进行网格划分时,如果网格划分太细, 虽然会提高运算精度但也会加大运算时候的运算量, 因此,在对计算的精度不会有较大影响前提下选择合 适的网格单元大小就很重要[3]。笔者进行模型网格 划分时,朱用的网格单元大小12. 96 mm,经过网格划 分后,共有69 419个节点,43 337个单元,网格划分 后的模型如图2所示。
1.3载荷的施加及边界约束
立柱的受力主要是机床切削加工时的切削力和 刀架的重力,其中切削力通过刀具及刀架传递给立 柱。通过已知的切削参数及查阅相关参考文献,可计 算出切削力三个方向的分力大小:切向力2 029 N,径向力Fy = 569 N,轴向车削力& = 620 N[4]。刀 架的质量为396 kg,由于机床切削力和刀架重心与立 柱受力点之间存在一定距离,经过将切削力与刀架重 力进行合成并经过施加远程载荷,可以模拟机床进行加工时的状态。
立柱通过螺钉与机床床鞍进行刚性连接,因此可 以将立柱下面的六个自由度全部约束,对立柱进行约 束并施加远程外力载荷后,得出立柱的受力示意如图 3所示。
1.4计算结果
将各条件确定后,经过Simulation模块进行运算 分析,得到了立柱的应力、应变图解及总位移图解 (见图4 ~6所示)。
2对运算结果分析及结构优化
2.1受力分析
通过图4、5可以看出立柱左端的筋柱上受到的 应力及应变较大,最大应力为21.37 N/mm2,在设计 中应该是结构优化的关键位置,而其他位置并没有出 现较高的应力及应变。
2.2位移分析
通过图6可以看出,立柱最大变形位移出现在立 柱左端的筋柱上部区域,最大变形位移为0.027 mm, 由于结构布局需要,立柱左端处布置有Y轴电机,因 此左端处留有较大空位,这就使得立柱局部变形位移 较大。由于立柱是机床加工时受力关键部件,该局部 变形会在一定程度上直接影响机床的加工精度,因此 有必要对立柱进行结构优化设计。
2.3结构优化
通过以上分析可知,立柱左端的筋柱区域是结构 优化的重点,可以做有针对性结构加强。首先将立柱 左端处筋壁的厚度进行了改进,由原来的20 mm增加 为25 mm,其次,在与Y轴电机不发生干涉的前提下,将立柱左端的空位尺寸改小,提高此处的结构刚性。 另外,在立柱受应力、应变较小的顶部设计了三个减重 孔,改进后的立柱重量比原来的重量只增加了 2 kg。
经过结构改进后的立柱再此利用Simulatiom进 行有限元仿真和分析[5],其应力、应变图解及总位移 图解如图7 ~9所示,从分析结果可知,优化后的立柱 最大的变形位移由之前的0.027 mm减少到了 0.009 mm,而重量只增加了 2 kg。该机床装配完成,实际使 用效果良好,加工精度和加工表面粗糙度都达到了设 计要求。
3结语
车铣复合加工中心凭借其高效率、高精度及较强 的加工性能,越来越受到广大机床用户的青睐,因此, 如何构思、设计车铣复合加工中心,已经成为机床企 业工程师当下任务[6]。笔者利用Simulatiom对车铣 复合加工中心Y轴立柱进行有限元仿真和分析过 程,完成了对Y轴立柱的优化设计,通过对机床的实 际使用,证明优化后的Y轴立柱很好的满足了机床 的加工要求,实践证明利用有限元仿真和分析方法, 能够缩短机床设计周期和提高设计效率。
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