吳鳳和 高東東 王振宇

(①燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004;②齊齊哈爾二機(jī)床(集團(tuán))有限公司設(shè)計(jì)院，黑龍江齊齊哈爾 161005)

數(shù)控落地銑鏜床是一種適用于大型零部件機(jī)械加工的通用機(jī)床，其最主要的結(jié)構(gòu)特征:一是采用立柱支承;二是由主軸箱和滑枕構(gòu)成懸臂式運(yùn)動(dòng)部件。超重型數(shù)控落地銑鏜床是指主軸直徑不小于320 mm、滑枕行程不小于2 000 mm、鏜軸行程不小于1 800 mm的落地銑鏜床，目前只有德國(guó)、意大利和中國(guó)等少數(shù)國(guó)家掌握其設(shè)計(jì)制造核心技術(shù)［1］。

TK6932是我國(guó)自主研發(fā)的超重型數(shù)控落地銑鏜床，其鏜軸直徑達(dá)到320 mm，滑枕行程為2 000 mm，機(jī)床各零部件的結(jié)構(gòu)尺寸較大，重量較重。由于機(jī)床自身及工裝和工件的重量大，切削力大，機(jī)床關(guān)鍵件變形控制問(wèn)題成為制約機(jī)床精度的重要因素。TK6932在工作過(guò)程中，滑枕在主軸箱內(nèi)的最大行程可達(dá)2 000 mm，主軸箱在立柱上的最高位置高達(dá)8 900 mm，因而使機(jī)床尤其是主軸系統(tǒng)可能因剛性不足而產(chǎn)生變形，引起加工誤差，從而降低了機(jī)床的加工精度，使加工出來(lái)的產(chǎn)品精度和表面質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求［2］。為保證機(jī)床的精度、可靠性及穩(wěn)定性，必須對(duì)機(jī)床整機(jī)及重要零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證該機(jī)床是否存在局部強(qiáng)度和剛度不足問(wèn)題，從而為該機(jī)床的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 有限元模型

TK6932超重型落地銑鏜床的主體結(jié)構(gòu)主要由床身、滑座、立柱、主軸箱、滑枕、鏜軸和銑軸組成。根據(jù)各部分結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)并考慮到計(jì)算規(guī)模，床身、滑座、主軸箱、滑枕、鏜軸和銑軸均用體建模(生成有限元模型時(shí)用體單元?jiǎng)澐?，立柱用面建模，實(shí)體模型如圖1所示。

實(shí)體建模時(shí)，詳細(xì)研究了設(shè)計(jì)圖紙和分析各部分之間的荷載傳遞，在保證精度的前提下，對(duì)無(wú)關(guān)緊要的細(xì)節(jié)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化處理。主要簡(jiǎn)化如下:

(1)在保證載荷正確向立柱傳遞的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了立柱頂端的滑輪系統(tǒng)。

(2)忽略實(shí)體模型中的小特征(包括倒角、小孔以及凸臺(tái)等)，避免因有限元網(wǎng)格大小懸殊而影響網(wǎng)格質(zhì)量。

(3)對(duì)實(shí)體模型中的小錐度、小曲率曲面進(jìn)行直線化和平面化處理，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤單元。

(4)為了控制求解規(guī)模，沒(méi)有對(duì)非主要的傳力構(gòu)件(例如零部件及各種輔助系統(tǒng))進(jìn)行實(shí)體建模，但這部分的重量在有限元模型中以質(zhì)量單元、載荷及變密度等方式加以考慮。

采用智能化網(wǎng)格離散技術(shù)并結(jié)合單元長(zhǎng)度控制對(duì)各部分進(jìn)行有限元單元?jiǎng)澐??？紤]到模型的復(fù)雜性和計(jì)算規(guī)模，體采用 SOLID45單元?jiǎng)澐帧Ｃ娌捎肧HELL63單元?jiǎng)澐?，其為任意的四邊形等參?shù)單元，具有彎曲和面內(nèi)剛度，有較好的計(jì)算精度。考慮到未建模零部件的質(zhì)量，在有限元模型中定義了6個(gè)質(zhì)量單元(MASS21單元)。在有限元模型中，應(yīng)用MPC(Multi－ point constrain)技術(shù)模擬接觸面間的接觸［3］，克服了傳統(tǒng)接觸法則和其他多點(diǎn)約束方法的缺點(diǎn)，對(duì)于小變形問(wèn)題，它代表了真實(shí)的線性接觸行為，能得到很好的計(jì)算結(jié)果。建立的整機(jī)有限元模型如圖2所示，共105萬(wàn)個(gè)單元，32萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 有限元靜力分析

2.1 整機(jī)的靜力剛強(qiáng)度分析

利用圖2所示的有限元模型，分析了機(jī)床在自重作用下的變形和應(yīng)力，給出了不同主軸箱高度和滑枕伸出長(zhǎng)度的變形和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果:主軸箱高度(主軸箱底面至滑座上面)分別為H=1 200 mm、H=2 500 mm、H=6 000 mm和H=8 900 mm;滑枕伸出長(zhǎng)度分別為 L=0(未伸出)、L=500 mm、L=1 000 mm、L=1 500 mm和L=2 000 mm。這樣，該部分共4×5=20個(gè)計(jì)算點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果以云圖和圖表的形式給出，圖3為主軸箱高度H=8 900 mm、滑枕伸出2 000 mm時(shí)整機(jī)的應(yīng)力云圖(單位為MPa)。

表1～表6分別給出了不同主軸箱高度H和不同滑枕伸出長(zhǎng)度L時(shí)床身、滑座、主軸箱、滑枕、銑軸、鏜軸的最大應(yīng)力。從表中可以看出，各部分的應(yīng)力水平很低，符合機(jī)床結(jié)構(gòu)高剛度低應(yīng)力的特點(diǎn)。

表1 床身最大應(yīng)力 MPa

表2 滑座最大應(yīng)力 MPa

表3 主軸箱最大應(yīng)力 MPa

表4 滑枕最大應(yīng)力 MPa

表5 銑軸最大應(yīng)力 MPa

表6 鏜軸最大應(yīng)力 MPa

機(jī)床整機(jī)變形云圖如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，立柱頂端非常小的區(qū)域內(nèi)總體位移很大(非真實(shí)應(yīng)力集中所致)，最大總體位移達(dá)到0.66 mm，但由于整體位移最大部位是不參與加工的部位，因此不能據(jù)此判斷機(jī)床的總體剛度不足，需提取對(duì)加工精度影響最直接的滑枕端部低頭量，來(lái)判斷機(jī)床的總體剛度是否不足。

2.2 滑枕的靜力剛度分析

為了保證加工精度，按照國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［4］規(guī)定，在滑枕伸出過(guò)程中，滑枕的直線度不應(yīng)大于0.02 mm/500 mm。所以重點(diǎn)考察滑枕懸伸過(guò)程中滑枕端部的低頭量。

表7 低頭量的判別點(diǎn)的Y向絕對(duì)位移 mm

機(jī)床的變形是由自重引起的，選擇滑枕端部位置作為低頭量的判別點(diǎn)。該點(diǎn)在自重作用下的Y向(見(jiàn)圖6)絕對(duì)位移如表7。以表7中的數(shù)據(jù)得曲線圖如圖7所示。

為了判斷滑枕伸出過(guò)程中滑枕移動(dòng)的直線度是否滿(mǎn)足國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求(不大于0.02 mm/500 mm)，取滑枕未伸出時(shí)低頭量判別點(diǎn)的Y向位置為基準(zhǔn)線(如圖6)。對(duì)一定的主軸箱高度，在滑枕伸出過(guò)程中，該基準(zhǔn)線的位置是固定不變的。這樣在滑枕伸出過(guò)程中，低頭量判別點(diǎn)與基準(zhǔn)線之間的距離可用來(lái)判斷是否滿(mǎn)足國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而滑枕伸出過(guò)程中，低頭量判別點(diǎn)與基準(zhǔn)線之間的距離可由表7得到，即表7中第2列以后各列的數(shù)據(jù)與第2列的數(shù)據(jù)作差，稱(chēng)之為低頭量的判別點(diǎn)Y向相對(duì)位移，如表8。以表8中的數(shù)據(jù)作的曲線圖如圖8所示。

表8 低頭量的判別點(diǎn)Y向相對(duì)位移 mm

在有限元模型中，僅對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)方案中各構(gòu)件的彈性變形進(jìn)行計(jì)算，沒(méi)有考慮加工誤差和油膜厚度變化引起的剛體位移。僅就彈性變形而言，從表8可以看出，低頭量判別點(diǎn)的Y向相對(duì)位移隨著滑枕伸出迅速增大，這與懸臂梁的變形特點(diǎn)一致。主軸箱位置越高，Y向相對(duì)位移越大，這是因?yàn)閅向相對(duì)位移中包含了立柱的變形成分，而立柱的變形從下至上逐漸變大。在滑枕行程1 000～2 000 mm范圍內(nèi)，Y向相對(duì)位移超過(guò)了國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，必須進(jìn)行變形補(bǔ)償。

3 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)落地銑鏜床進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，得到了整機(jī)及各組件的變形云圖和應(yīng)力分布云圖，并給出了滑枕?yè)锨冃闻c滑枕行程間的關(guān)系曲線，根據(jù)分析可以得出如下兩點(diǎn)結(jié)論:

(1)機(jī)床各部分的應(yīng)力水平很低，符合機(jī)床結(jié)構(gòu)高剛度低應(yīng)力的特點(diǎn)。

(2)當(dāng)滑枕行程為1 000 mm時(shí)，其Y向相對(duì)位移為28.886 μm，此變形量能夠滿(mǎn)足精度要求。在滑枕行程1 000～2 000 mm范圍內(nèi)，Y向相對(duì)位移超過(guò)了國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)行變形補(bǔ)償。

［1］吳鳳和，王少偉，楊育林，等.超重型數(shù)控落地銑鏜床滑枕?yè)锨冃窝a(bǔ)償研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010，21(20):2416 －2420.

［2］蔡有杰，陸義南.大型銑鏜床主軸滑枕變形分析與改進(jìn)方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(3):127－128.

［3］尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

［4］機(jī)械行業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，JB/T8490.1－96.數(shù)控落地銑鏜床、落地銑鏜加工中心精度檢驗(yàn)［S］.北京:中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部，1997.