引言
龙门加工中心在制造业中是很重要的加工设 备之一,由于其具有跨距大、结构合理、刚性好、通 过工件宽度大等优点,因此被广泛应用在航空、航 天、汽车工业、模具、大型复杂零件制造等诸多领 域,以实现其高速度、高精度、高效率的“三高”加工 要求[13].其工作台是龙门加工中心的重要组成部 件,_方面,它的静刚度将直接影响机床的加工精 度和精度稳定性;另_方面,在机床的设计和制造 过程中,人们总是希望在满足机床的强度和刚度的 条件下尽可能地减轻零部件的质量[],因此,对加 工中心工作台进行静刚度研究是十分必要的.机床 的静刚度是指机床在静态力作用下抵抗变形的能 力,其值越大,表明机床的静刚度越好[5].
1工作台几何模型的建立
用SolidWorks建立龙门加工中心工作台的三 维实体模型,其整体尺寸为1 000X582X140 mm, 考虑到_些细小结构对工作台整体性能影响很小, 根据圣维南原理[],在不影响工作台刚度和强度的 条件下,为提高有限元分析的效率,对部分局部特 征如工艺孔、凸台、倒角、螺纹特征等进行了合适的 简化处理,即去除这些局部特征[7 8].在有限元分析 时,为方便、准确地施加载荷和约束,用Solid- Works建立工件和丝杠母座的三维实体模型,并 将它们装配在一起.根据工作台筋板的不同,有以 下三种方案的工作台设计形式:
(1) 方案1:0形筋工作台
筋板在工作台内部左右、前后对称分布,0形 直径为75 mm,相距498 mm,每个0形筋分布等 夹角为60 °的6条轮辐,筋板厚度为15 mm,高度 为120 mm.并且筋板上有几何尺寸为120 X 24 mm和60 X 24 mm的矩形槽孔,槽孔的圆角半径 为10 mm.这种类型的筋板结构是目前龙门工作 台应用的最普遍的形式之_,其三维模型如图1 (a)所示.
(2) 方案2:椭圆形筋工作台
工作台内部分布着5条椭圆形筋板,工作台中 心为椭圆圆心,长、短轴上两条相邻筋板间距分别 为50 mm和52 mm,筋板厚度为10 mm,高度为 120 mm.其结构相对0形筋较简单,易于加工制 造,这种类型的筋板结构也适用于龙门工作台,是 较为新颖的设计,其三维模型如图1 ( b )所示.
(3) 方案3:井字形筋工作台
在工作台内部分布着间隔均匀的筋板,长度方 向7条,间距为118 mm,宽度方向6条,间距为75 mm,筋板厚度为10 mm,高度为120 mm,组成井 字形,并且筋板上有几何尺寸为72 X40 mm和60 X40 mm的矩形槽孔,槽孔的圆角半径为10 mm. 这种筋板同样结构简单,易于加工制造,也是龙门 加工中心工作台应用较为普遍的筋板类型之一,其 三维模型如图1(c)所示.
2分析方案设计
工件在加工时,为顺利完成作业,可能会装夹 到工作台上的不同位置,就会使工作台有不同的静 变形,从而测定的静刚度也会有所不同.
为了准确地表述工作台的静刚度,又由于工作 台是对称的,因此可在工作台的1/4处均匀的取 5 4个点,以起始侧边角处为坐标原点,第一点距工 作台X向边界50 mm, Y向边界50 mm,记为1.然 后,按两点之间X向和Y向分别相距50 mm和 38. 2 mm再取53个点,分别记为2,3,…54.将尺 寸100X100X50 mm的工件与工作台装配,并使 工件的底面中心分别位于这些点上,再将丝杠母座 也装配到工作台上.其中,工件底面中心位于1点 处的装配体如图2所示.
3静力学分析
ANSYS Workbench 是 ANSYS 公司开发的 新一代协同仿真集成平台,是做有限元分析的大型 通用CAE软件,其易用性、通用性及兼容性相比 传统ANSYS有了很大提高.其典型的静力学分析 步骤为:前处理(导入几何模型、材料属性选择、划 分网格)、施加载荷和约束、求解[911].
3. 1前处理
通过 SolidWorks 和 ANSYS Workbench 无缝 连接导入ANSYS Workbench中,这样避免了因 格式转换重新生成有限元模型时,模型特征的丢 失,省去了模型重建的时间[12].工作台装配体各部 分的材料属性如表1所示.
划分网格时精度选取高精度 其余选项均按默认进行网格划分13 网格划分后工作台的有限元模型如图3所示.
3.2 施加载荷和约束
工作台沿 X向做进给运动 滑块与线性导轨的约束可以设定为X向自由运动 Y向 Z向不能移动 丝杠母座与丝杠属于过盈配合 不允许发生相对运动 故对丝杠母座的一个端面施加约束时Y向 Z向自由运动 X向不能移动.
3.3计算结果与分析
因要计算静刚度,所以需要求解工作台的变形 量,因此设置求解结果为变形量,得到三种不同布 筋方案的工作台在各个位置处的总变形量,由于篇 幅有限,在此只列出工件在井字形筋工作台上1处 时的工作台总变形,如图4所示.
计算工件在0形筋工作台、椭圆形筋工作台 和井字形筋工作台54个位置处的复合静刚度,考 虑到在实际加工时,工件不会被装夹到工作台边缘 处,因此没有在边缘处取点.再由工作台的对称性, 得到整个工作台除边缘处的复合静刚度.将各组数 据导入到MATLAB软件中,
在1/4工作台上:0形筋工 作台的最大复合静刚度为1 563 N/pm,位置坐标
为(250,291);最小复合静刚度为563 N/>m,位置 坐标为(100,252. 8).椭圆形筋工作台的最大复合 静刚度为1 740 N/>m,位置坐标为(300,291);最 小复合静刚度为703 N/"m,位置坐标为(500, 138. 2).井字形筋工作台的最大复合静刚度为 2 009 N/"m,位置坐标为(300,291);最小复合静 刚度为600 N/>m,位置坐标为(100,252. 8).综上 看来,三种不同的工作台最小复合静刚度都位于边 缘处和了形槽附近,应尽量避免工件装夹于工作 台这些区域的附近;其最大复合静刚度都位于支座 附近,工件装夹于工作台的这些区域,可提高其加 工精度.
井字形筋工作台的平均复合 静刚度最大,工件在其上加工时,变形最小,加工精 度最高.但是,井字形筋的静刚度标准差也是最大 的,其静刚度分布不均匀,在进行加工时,位置的选 择对工件的加工精度影响很大.
4结论
用SolidWorks软件建立了龙门加工中心工作 台3种三维实体模型,在ANSYS Workbench软件 中进行了静力学分析,最后使用MATLAB软件绘 制了工作台的静刚度图谱,可得到以下结论:
从工作台质量上看:井字形筋工作台质量 比椭圆形筋工作台质量轻10. 14kg,比0形筋工作 台轻14. 11kg,其惯性力对工作台的影响最小当
工件加工需要工作台经常做高速运动时,建议选用 井字形筋工作台.
(1) 从工作台平均复合静刚度上看:井字形筋 工作台平均复合静刚度比椭圆形筋工作台高 11. 85%,比0形筋工作台高18. 68%,其变形最 小,加工精度最高.当工件的某些部位加工精度要 求较高时,可参考静刚度图谱,将工件装夹于合适 位置,建议选用井字形筋工作台.
(3 )从工作台静刚度标准差上看:井字形筋工 作台的静刚度标准差比0形筋工作台和椭圆形筋 工作台分别高23. 10%和12. 46%,0形筋工作台 的静刚度波动范围最小,分布更均匀.当工件的加 工要求其加工精度整体分布比较均匀时,建议选用 0形筋工作台.
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