黑龍江 曹英志

臥車刀板有限元分析

黑龍江 曹英志

本文采用了Proe軟件對臥式車床進行建模，并對刀板所受載荷和伸長量進行了變形及對應力進行了有限元分析。

刀板；有限元；建模；載荷；應力分析

刀板是數(shù)控臥式車床保證加工的精度的關鍵部件，安裝在刀架上，刀板在刀架的移動由交流伺服電機驅動，半閉環(huán)控制，到位停止時自動夾緊。我單位自行設計制造的HTⅢ630×120/120L-NC數(shù)控超重型臥式車床刀板的行程為1000mm，可全部縮進刀架體內以防與其他的機床附件干涉。

刀板的結構強度、剛度和制造精度對整個數(shù)控臥式車床的性能有很大影響，是進行優(yōu)化設計的主要對象。當機床工作時，切削運動所產生的切削力通過主刀體傳遞到刀夾上，最后傳遞到刀板上，作用在刀板上的力進而使得刀板產生一定的變形，影響刀板的剛度。

為了了解在機床的切削過程中刀板伸長量和切削力對車削精度的影響，故對主刀板的伸長量和剛度進行綜合分析計算。

1 刀板參數(shù)

HTⅢ630×120/120L-NC數(shù)控超重型臥式車床刀板結構參數(shù)：刀板長度：1260mm；刀板厚度：150mm；刀板行程：1000mm；主切削力：150KN。

2 刀板的計算條件

刀板剛度計算條件為：主切削力加在刀板刀尖上，刀板與上刀架把合面按固定支承處理，刀板伸長取,切削力的分配：圓周力：徑向力：軸向力 =Py：Px：Pz=1:0.5:0.5=150:75:75（KN）刀板采用厚度為150mm的鍛鋼材料，其材料的彈性模量為1.2e11、泊松比為0.25，密度為7530。

3 刀板載荷的特點

刀板的受力結構為懸臂梁的支承形式，造成刀板變形的主要原因是刀板自身的重力和加工工件時的切削力。在加工零件的過程中，切削力是造成刀板變形的主要原因，當驅動刀板的交流電機驅動刀板運行到不同位置時，由于懸臂梁的伸長量有所變化，導致切削力作用在刀板上的力有所不同，進而影響刀板的剛度發(fā)生一定的變化，刀板體產生一定的變形。除了切削力，刀板自身重量也會對刀板的剛度產生一定的影響，刀板發(fā)生一定的變形。刀板伸長量越大，懸臂梁的伸長量越大，對刀板變形影響越大。因此，進行受力分析時必須同時考慮切削力和刀板伸長量的影響，由于在兩個變化元素下，分析比較復雜，所以選擇分析刀板固定的伸長量在固定切削力下的受力結構和刀板變形。

4 刀板實體模型的建立

為了對刀板剛度進行載荷分析和應變分析，根據(jù)設計圖紙通過proe軟件對刀板進行三維建模，制作刀板實體模型。

5 刀板有限元網(wǎng)格的劃分

Proe軟件的功能主要是對實體進行模型的建立，對建立的模型進行有限元網(wǎng)格的劃分，對建立的模型設置具體的參數(shù)，包括固體結構的彈性模量的設定，泊松比的設定和熱膨脹系數(shù)的設定等等。當采用ANSYS對刀板進行建模完成后，接下來的任務就是對其進行有限元網(wǎng)格的劃分，單元類型的定義，單元屬性的定義，約束條件的定義和邊界條件的定義等一系列操作。由于需要完成的任務比較多，本文采用ANSYS軟件自帶的mesh的模塊對數(shù)控臥式車床進行有限元網(wǎng)格換分，才有四面體網(wǎng)格，采用此方法劃分的網(wǎng)格基本上是能夠滿足分析要求的。

有限元網(wǎng)格的劃分是有限元求解前要做的最重要的工作，網(wǎng)格劃分的合理與否直接影響到求解過程的復雜性和可靠性，在整個分析過程中，屬于關鍵部分。它包括節(jié)點數(shù)據(jù)和單元信息的建立。目前，對復雜機構模型的有限元網(wǎng)格劃分方式可分為兩種類型：直接建立法和自動生成法。

為了更好的對刀板進行剛度分析，分析刀板在固定的載荷下，刀板伸長量不同的條件下，刀板的載荷變形和應力變形。我們對刀板進行有限元網(wǎng)格劃分。劃分結果見圖1-1：

圖1 -1刀板有限元網(wǎng)格劃分圖

6 刀板的變形和應力分析

刀板剛度分析是在固定載荷圓周力：徑向力:軸向力 =Py：Px：Pz=1:0.5:0.5=150:75:75（KN）的條件下，刀板伸長量不斷變化，以至于刀板產生不同程度的變形，進而影響刀板的剛度，由于當?shù)栋迳斐隽繛?00時刀板受力最大，變形最大，故本論文只對刀板伸出量為800時刀板的變形和應力分析。

圖1 -2刀板伸出量為800時刀板受力面選擇圖

①刀板受力面選擇見圖1-2。

②刀板伸出量為800時刀板應變圖見圖1-3。

③刀板伸出量為800時刀板的應力圖見圖1-4。

圖1 -3刀板伸出量為800時刀板的應變圖

圖1 -4刀板伸出量為800時刀板的應力

運用有限元軟件對刀板進行分析，通過圖中可以觀察到，刀板伸出量為800mm時刀板最大變形量為0.63mm，小于1mm，最大應力為50.97Mp,小于200Mp，滿足工件剛度分析的變形范圍，刀板符合設計要求。

[1]黃秋波，張德臣，孫艷平.立式車床卸荷裝置中橫梁的設計及有限元仿真研究[J].機床與液壓，2005(3):86-92.

[2]劉惟信.機械最優(yōu)化設計[M].清華大學出版社，2006:89-100.

[3]王慶五，左昉，胡仁喜．ANSYS10.0機械設計高級應用實例[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2007:10-24.

[4]鄧凡平.ANSYS 10.0有限元分析自學手冊[M].北京：人民郵電出版社,2007:56-74.

[5]周長城，胡仁喜，熊文波.ANSYS 11.0基礎與典型范例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007:32-45.

（編輯 王旸）

（作者單位：齊重數(shù)控裝備股份有限公司）