〇引言
立柱是加工中心的重要部件之_,其结构的静、动 态特性对机床的整体性能起着举足轻重的作用,其强 度、刚度及稳定性将直接影响到机床的加工精度、加工 效率、抗振性及寿命[1 ]。通过大量实践探索和实验模 拟,本文以4种不同立柱内部筋板形式为研究对象,利 用ANSYS软件对立柱进行静力学分析和模态分析, 研究对比4种筋板对立柱的静、动态性能的影响,最后通 过数据比照给出了内部筋板的最佳结构形式[2-3]。
1立柱的有限元模型 1.1 建立三维CAD模型
通过UG NX8. 0建立的某五轴联动加工中心立 柱模型如图1所示。模型的外形为方形,长946 mm, 宽850 mm,高2 235 mm,壁厚15 mm。为增加立柱的 刚性,在立柱内部布满了筋板,筋板厚度为30mm,4 种不同形式的筋板结构如图2所示。立柱内部筋板排 列不一样,会造成其性能存在一定的偏差,重量、制造 成本及铸造难度也不一样。对此设计人员应综合考虑 各种情况,确定实际可行并且有利于运输及成本最低 的结构方案。
1.2模型的简化
本文对立柱进行静力和模态分析,以得到其刚度、 强度和固有频率的变化趋势。有限元模型的好坏将直 接影响到分析结果的准确度和计算效率,由于立柱是 _个铸造件,具有结构复杂、体积庞大的特点,要对它 建立精确的有限元模型是很不容易的,因此为减少计 算的工作量,应对立柱模型进行必要的简化。根据圣
维南原理,对模型中的倒角、退刀槽、凸台、螺纹孔等进 行删除或简化[4],其目的是为了避免在位置狭小的局 部生成大量的网格单元,防止计算量过大和解算时间 过长,以影响分析结果的准确性和拖慢有限元分析的 效率。
1.3材料定义与网格划分
给模型赋予材料属性是有限元分析的第_个步 骤。不同的部件其材料不一样,承受载荷大小也不_ 样,故材料属性就不一样。因灰铸铁HT250各向同 性、金相组织分布均匀、抗拉强度高,因此很适合作为 加工中心立柱的材料使用。灰铸铁HT250的弹性模 量为1. 1X10uPa,泊松比为0. 28,密度为7 200 kg/m3。立柱的整体构造比较复杂,利用自适应网格划分 方法对其进行网格划分[5],如图3所示。4种立柱结构 有限元模型的节点总数和单元总数见表1。
表1 4种立柱筋板形式有限元模型节点总数和单元总数
筋板形式 |
节点总数 |
单元总数 |
A |
54 055 |
29 191 |
B |
47 569 |
25 602 |
C |
56 581 |
32 124 |
D |
45 796 |
23 055 |
1.4施加载荷及约束
立柱底部安装滑块与床身上的导轨接触,因此对 立柱与床身接触部位施加固定约束,固定住其6个自 由度。工作时立柱承受复杂的空间载荷,主要包括其 自重、主轴箱、拖板及铣头等配置的重量以及切削力对 立柱的作用,将立柱所受的各载荷转换成集中载荷施 加在立柱上表面。
2静力结构分析
静力结构分析是指对其强度和刚度的分析,即对 应力和位移变形的分析。通过静力结构分析,设计人 员可以根据立柱在受力过程中的变形趋势,为立柱的 后续优化设计提供重要理论依据[6]。
立柱静刚度是衡量机床整体性能好坏的一个重要 指标,它因立柱的材料、尺寸大小、筋板的布置形式等 因素而不同。为使加工中心在加工零件时因切削力而 引起的机床变形以及因立柱的抗振性而引起的刀具变 形达到最小值,就要求立柱的静态刚度足够高m。通 过静态分析得出的4种立柱筋板结构的位移量、合应 力及质量对比如表2所示。
表2 4种立柱筋板结构位移量、合应力及质量对比
筋板形式 |
位移量(pm) |
合应力(MPa) |
质量(kg) |
A |
10. 036 |
1. 116 7 |
2 137.4 |
B |
11. 235 |
1. 214 |
1 962.7 |
C |
18. 258 |
2. 566 |
2 544. 9 |
D |
15.154 |
1. 657 |
2 391 8 |
单从静态分析所表现出的数据上可以看出蜂窝形 的筋板形式(结构A)是这4种结构中最好的:其最大 位移量只有10.036 ^m,主要发生在立柱顶部区域,其 最大应力为1. 116 7 MPa,主要发生在导轨顶部区域, 这些区域较其他区域容易铁的许用应力240 MPa。具有蜂窝形筋析的立柱的位 移云图和应力云图如图4、图5所示。
3模态分析
通过模态分析能够知道结构的固有频率及振型, 这可以对结构提供优化指导以便提高加工质量和效 率。_般来说,固有频率有无限多个模态,但真正有实 际意义的只有低阶模态,而高阶模态在振动中起的作 用很小[8]。在对立柱进行模态分析之前要对模型进行 网格划分,划分方法与静态结构分析是_样的。不加 载荷时4种筋板结构的立柱在自由状态下的前6阶频 率及振型见表3。对比发现:具有蜂窝形筋板的立柱 的动态性能最好,其1阶频率只有36. 309 Hz,是4种 筋板结构中1阶频率最小的,说明蜂窝型筋板结构最 适合此立柱结构设计。具有蜂窝形筋析的立柱的前6 阶振型图如图6所示。
表3 4种立柱结构的前6阶频率及振型 Hz
阶数 |
筋板形式 |
振型描述 |
|||
结构A |
结构B |
结构C |
结构D |
||
1 |
36. 309 |
85.267 |
52.312 |
75.243 |
绕Z轴扭弯 |
2 |
107.85 |
149. 32 |
109. 25 |
124. 35 |
绕Y轴扭弯 |
(1) 应用ANSYS Workbench对具有4种不同形 状筋板的立柱结构进行静态分析和模态分析,得到其 相对应的位移、应力以及前6阶固有频率。
(2) 立柱的最大位移主要发生在其顶部区域;最 大应力主要发生在导轨顶部区域,4种立柱的最大应 力都远小于灰铸铁抗拉强度240 MPa,设计完全满足要求。
(3) A结构的刚度最好,B结构其次;A结构的低 阶模态频率最低,C结构其次。
(4) 综合考虑立柱筋板的铸造成本、复杂程度以综合考虑立柱筋板的铸造成本、复杂程度以 =2>所示。
本文由伯特利数控整理发表文章均来自网络仅供学习参考,转载请注明!
2021-09
星瀚系列是宇匠数控打造的颠覆性产品,在高精度加工的情况下保证高速、高刚的特性,是真正意义的高速加工中心,其性能及质量可媲美进口高速加工中心。同时可配置超声波系统与石墨集尘系统,亦可运用在陶瓷等硬脆料、石墨等高粉尘料的加工;… [了解更多]
2021-09
星瀚S系列是宇匠数控打造的颠覆性产品,采用全闭环设计,在高精度加工的情况下保证高速、高刚的特性,是真正意义的高速加工中心,其性能及质量可媲美进口高速加工中心。同时可配置超声波系统与石墨集尘系统,亦可运用在陶瓷等硬脆料、石墨等高粉尘料的加工;… [了解更多]
2021-09
TC系列超声波陶瓷雕铣机,是利用了超声波高频振动原理作用于刀具,使刀具产生了16KHz-40KHz(每秒16000-40000次)的连续高强度脉冲冲击,带动磨头冲击工作。当工件的局部应力远远超过材料脆裂极限,材料局部破碎去除。 适用范围 特别适用于陶瓷(氧化锆、氧化铝、氮化铝… [了解更多]
2020-10
1 问题的提出数控加工夹具是数控CNC机械制造加工过程中用来 固定加工对象,使之占有正确的位置,以满足加工工艺条件、迅速、方便、安全地安装工件的装置。夹具通常由定位元件、夹紧装置 、对刀引导元件、分度装置、连接元件及夹具体等组成[1]。图1所示零件是应用于系列矿用防爆电器产品上的… [了解更多]