2加工中心立柱的静动态特性分析
机床的结构性能是保证机床具有一定的加工精度稳定性的基础,一台机床的基础结 构性能的好坏直接关系到其最终的加工精度、加工精度稳定性和切削效率等。为了提高 其结构性能,除了合理配置机床的部件型式外,首先要求在设计上要保证其结构有良好 的静动特性性能。当卧式加工中心处于工作状态时,会产生各种变载荷,导致机床产生 振动进而影响机床的精度和稳定性,这里首先对其静动态特性做相关分析。
立柱联系床身和主轴箱,处于加工中心的中间位置,对其质量、抗振性能和刚度等 结构性能要求较高。故本章主要以立柱为研究对象,对其进行静动态性能分析。对于加 工中心的其他部件如床身、主轴箱等,也可利用此节所述思路来分析和优化,这里不再 赘述。
2. 1加工中心立柱的静力分析
该卧式加工中心的立柱釆用整体铸造的形式,其在X方向的快速移动速度为 36m/min,竖直之后高1900mm、长890mm、宽794mm、顶板厚110mm、底板厚120mm, 左右侧壁厚度为155mm,重量为1400kg。
分析立柱与其他主要部件的关系,主轴箱通过四个滑块和直线导轨正挂在立柱之 上,并通过滚轴丝杠传递的动力沿直线导轨在Y向作上下运动。床身上也有两条直线导 轨,立柱底面通过导轨上的滑块与床身连接,可沿X轴方向左右移动。虚拟装配图和实 际装配图分别如图2.2-a与2.2-b所示。 -
结构的静力分析是指作用在结构上载荷是固定不变的,在这种情况下,进而计算结 构所受到的应力和产生的变形。当然,一个结构只有在非常理想的情况下才会受到固定 不变的载荷,这里将随时间变化很缓慢的载荷也看作是固定载荷。这样,在进行静力分 析时,除了约束载荷和重力载荷外,只需施加静力固定载荷
2.1.1加工中心的受力分析
加工中心的刀具通过对所加工的工件施加切削力进行切削过程,然后工件会对刀具 产生反作用力,刀具所受到的力通过刀柄、主轴和主轴箱(包括导轨上的四个滑块)传 递到立柱上。为了更好的模拟立柱的受力变形,工件对立柱的作用力应该利用力的等效 原则将力传递到立柱导轨上。根据高速卧式加工中心的受力特点,对其在钻孔和铣削两 种工况时的受力情况分别进行了分析。
对该工序加工内容进行分析可知,该工序主要完成缸体的铣面和钻孔工作(图2.3), 铣刀和钻刀均为硬质合金刀具。这里利用切削力的功率估算方法对一把直径45mm,转 速400 r/min的铣刀进行铣削力计算。对于电主轴来说,其最大功率为30Kw,由于没有 齿轮传动功率耗散比较少,故令传动效率为0.98,则可得出实际切削效率为:
pc = TJPE = 0.98x30 = 29AKw (2-1)
已知刀具直径和转速,进而得到切向切削力也即主切削力:
分析可知,当主轴箱位于立柱导轨行程的不同位置时,切削力的杠杆率也不同,会 导致立柱的变形量产生变化。这里取其在实际加工过程中(图2.4)最常用的工作位置, 即下滑块底面距离导轨地面600mm。
2. 1.2加工中心的静力分析
首先利用CAD建模软件Pro/E对立柱结构进行三维建模,由于模型结构较为复杂, 将对立柱性能分析影响较小的一些特征如小倒圆角、螺纹孔、小凸台等省略去,这能够 避免接下来的有限元网格划分过程中出现错误,且节省计算时间。
三维模型建完导入ANSYS分析软件中,对立柱进行材料属性定义(表2.1):
表2.1各部件的主要材料属性 Tab.2.1 Material properties of the parts
部件 |
材料 |
弹性模量(N/m2) |
泊松比 |
质量密度(kg/m3) |
立柱 |
HT250 |
1.38E+11 |
0.156 |
7.28E+03 |
主轴箱 |
HT300 |
1.57E+11 |
0.270 |
7.25E+03 |
主轴 |
轴承钢 |
3.8E+11 |
0300 |
7.82E+03 |
之后对结构进行网格划分。主轴箱与立柱的接触类型定义为bounded,对主轴施加 上小节计算出的切削力,对立柱与底座(床身)连接处的滑块位置以及与滚珠丝杠连接 处施加约束。
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