中北大學機電工程學院 鄭福祥 范國勇

前言

異形內腔曲面目前很難采用普通機床和常規(guī)工藝方法加工，長期以來一直是加工中難以解決的問題[1]。以鋼鐵行業(yè)大型連鑄機的核心部件結晶器為例，采用一種全新的專用工藝方法和設備。導軌是整套設備的核心部件，它可承載、固定、引導運動部件，而滑動導軌具有良好的剛性、抗振性和阻尼性，且結構簡單，維修方便，是機床上廣泛應用的部件[2]。導軌的剛度直接影響著加工工件的精度，導軌的剛度主要取決于在載荷作用下，運動件和承導件的彎曲變形和它們工作面接觸變形的大小。導軌的剛度與導軌截面的尺寸、材料等因素有關。

1 結構設計

導軌的結構形式、變形及剛度是影響導向精度的主要因素之一，導軌的剛度是在外力作用下導軌本身抵抗變形的能力，主要取決于導軌的形式、尺寸與支撐件的連接方式及受力狀況等因素[3]。因此合理進行導軌形式設計非常重要。根據結構要求，設計的導軌選用矩形導軌，因矩形導軌具有制造簡單、承載能力大等特點，但簡單的矩形截面無法保證滑塊在導軌中高度方向的定位，在切削加工過程中可能導致整個動力頭脫離導軌，將會導致十分嚴重的加工事故。為了解決這一問題，將矩形截面改為工字形截面。

弧形滑動導軌副由導軌、滑塊、壓板、間隙調整裝置等組成，圖1為導軌滑塊系統(tǒng)的結構圖。導軌1作為承載部件安裝在機床固定座上，起導向作用；滑塊6作為運動部件安裝在導軌1上，進行往復運動；卡板墊片7安裝在滑塊6與卡板8之間，調節(jié)導軌與滑塊之間上下的間隙；鑲條9安裝在滑塊與導軌之間，通過調節(jié)螺釘3來調節(jié)左右的間隙；壓板5安裝在兩個滑塊上。壓板上安裝有伺服電機，減速器，刀架。

圖1 導軌滑塊系統(tǒng)結構圖

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

利用Solidworks構造導軌的三維幾何模型，然后導入ANSYSWorkbench建立有限元模型，在ANSYSWorkbench中設置材料彈性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-9tonne/mm3?；瑒訉к壊捎昧骟w網格劃分，導軌有限元模型（如圖2所示）共有52161個節(jié)點，364284個單元。

2.2 施加載荷及邊界條件

導軌作為異形內腔曲面加工裝置的核心部件與關鍵受力件，根據模型的三維坐標及受力分析可知：導軌被看做是兩端固定的簡支梁結構，所以在導軌兩端的螺釘孔處施加x、y、z方向的全約束。當滑塊運行至導軌中間時，導軌所發(fā)生的撓度變形最大，所以將載荷加載在導軌的中間位置[4]。

2.3 強度分析

導軌作為本裝置動力裝置及刀架等的承載部件，在150N壓力的作用下，最大撓度變形為0.37248mm，導軌的變形圖如圖3所示；最大應力產生在導軌和導軌支撐座的連接處，最大應力為166.01MPa，導軌的應力云圖如圖4所示。已知材料的屈服極限為355MPa，取安全系數為1.5，則導軌所承受的最大應力為236.67MPa，所以安全裕度較大。

圖4 導軌應力云圖

3 結構優(yōu)化

利用ANSYSWorkbench進行結構優(yōu)化，采用線形靜力結構分析，將導軌的截面尺寸（如圖5所示）及作用在導軌上的外部載荷作為輸入參數，質量、等效應力及整體變形作為優(yōu)化的輸出參數[5,6,7]。優(yōu)化后的結果如表1所示。

圖5 導軌橫截面尺寸參數

由分析結果可以看出優(yōu)化4較其他方案更具有可行性，將優(yōu)化4重新建模進行強度校核，結果最大應力為127.54MPa，符合材料的強度要求，其應力云圖如圖6所示：

表1 優(yōu)化后的結果

圖6 校核后的應力云圖

4 結論

4.1 根據設計要求對異形內腔曲面加工裝置導軌的結構進行了設計，經分析可知導軌采用工字型結構更加具有實用性。

4.2 利用ANSYSWorkbench對導軌進行有限元建模，并進行強度分析，得出導軌的最大變形與應力云圖，最大變形為0.37248mm，最大應力為166.01MPa，由材料的強度極限可知，導軌的安全裕度較大。

4.3 利用ANSYSWorkbench對導軌的結構尺寸進行優(yōu)化，采用線形靜力結構分析，優(yōu)化后導軌的靜態(tài)特性有了很大的提高，經強度校核后符合設計要求。

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