大型加工中心床身热变形及其结构优化


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大型、重型装备制造是装备制造业的重要组成部分,在提升中国制造业整体水平上具有不可忽视的作用,也是我国由“制造大国”向“制造强国”转变的必由之路。作为齿轮加工装备中的基础部件,大型床身在保证加工中心自身精度和零件加工质量方面的作用不容忽视。随着生产自动化和精密加工技术的迅猛发展,床身的精度以及精度的稳定性有了更高的要求。然而在长时间生产加工过程中,加工中心电机、机械运动部件、工件切削等会产生大量的热,这些热一部分会散发到空气中,另一部分会传递给加工中心本身,造成加工中心各部分的温升不均匀,出现温度场并产生相应的热变形,最终对加工中心的形态精度和加工精度造成显著影响。其中,床身热变形是影响加工中心加工精度的重要因素,最高可达加工中心总加工误差的70%

针对加工中心热变形对工件加工精度的影响,国内外众多专家学者进行了大量的研究工作[24]。德国柏林工业大学运用有限元软件对加工中心部件及整机的温度场建立变形场模型并进行了分析[7]。龚伟等运用三维软件Pro/Engineer对矩台平面磨床床身进行了精确的虚拟样机建模,并对该虚拟样机模型进行了热变形仿真,得出了加工中心变形的实测结果与仿真结果非常吻合的结论[8]。李立新等从加工中心主要部件的结构出发,对加工中心热变形进行了简略推导,研究了加工中心热误差对刀具与工件间的相对位置的影响规律@。唐开勇运用几种不同的方法建立了导轨热变形的数学模型,既可方便数控编程,又可保证和提高工件的加工质量李郝林等通过将近似模型和数值模拟技术相结合,建立了导轨热误差有限元计算目标函数,并对导轨有限元模型边界条件进行了优化选择,得到了导轨热变形误差优化计算值,从而提高了加工中心的加工精度。Em SK等运用有限元方法建立并分析了加工中心滚珠丝杠系统的温度场模型

虽然众多专家和学者从理论建模、数学模拟等方面对加工中心床身热变形进行了广泛而又深入的研究,但由于尺寸庞大、结构复杂,再加上温度场分布不均匀等,使得大型床身的温升及各部位热变形情况十分复杂,单纯从理论计算的角度难以精确评价其热变形程度。因此,为了优化床身结构、减少其热变形量、降低成本、提升加工中心的加工精度,以某大型加工中心床身为研究对象,采用Pr〇/EiigiiiiT软件建立其三维几何模型,运用该软件的Pro/MnlKiiiii.'a模块对该模型进行了热变形有限元分析,得到了热平衡状态下的床身温度分布及热变形情况。依据分析结果,对其结构进行了优化设计及热变形分析,并通过热变形实验把实际检测结果与有限元分析结果进行对比,验证了床身结构优化的可行性与准确性。

1床身热变形分析及结构优化

0. 1床身的几何建模

图1、图2分别为某大型床身的三维几何模型及其内部结构剖面图。该床身全长超过4.3 m,宽度超过1.5 m,由床体和定向导轨两部分组成。其中床体整体采用灰铸铁HT300铸造而成,床体上表面两侧各有一条进行了表面精磨处理的承压导轨,主要起承重支撑作用;定向导轨采用55钢并进行精加工处理,主要是对立柱起定向引导作用,在与床体组装时需严格遵循装配图的要求:该床身结构复杂,内部采用了三角形的加强筋结构,底部采用多个垫铁进行支撑并通过嵌入地下的地脚螺钉与地基固定,使得床身整体具有良好的承载和抗弯曲变形能力


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结束语:


 

针对大型床身尺寸庞大、结构复杂、温度分布不均匀的特点,采用丨>1.0 /ET软件及其Pm A1 e-clumia模块,对其进行了三维几何建模与热变形有限元分析依据床身温度分布及热变形情况,优化和完善了床身的内部结构,并利用有限元方法验证了三维几何模型的优化效果,通过现场热变形实验,结果表明:优化后的床身实际检测值与有限元分析值的一致性和准确性较好,温升与热变形量大大降低,达到了产品设计、生产要求,通过对床身的热变形分析,验证了运用热变形有限元分析的方法,可以有效了解床身的热特性、提升床身的加工质量、缩短产品开发时间、节约生产成本,从而使加工中心的整体的加工精度进一步提升。


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