呂 虹，王利平，林 夔，曾晨輝，王 超，高 敏

（1.昆明臺(tái)工精密機(jī)械有限公司，云南 昆明 650206；2.云南正成工精密機(jī)械有限公司，云南 玉溪 653106；3.云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南省先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，云南 昆明650031）

Z540鉆削中心底座有限元分析

呂 虹1,2，王利平1,2，林 夔1,2，曾晨輝1,2，王 超3，高 敏3

（1.昆明臺(tái)工精密機(jī)械有限公司，云南 昆明 650206；2.云南正成工精密機(jī)械有限公司，云南 玉溪 653106；3.云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南省先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，云南 昆明650031）

利用solidworks建立了Z540鉆削中心底座的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行了靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。分析結(jié)果表明，底座的動(dòng)靜剛度完全可以滿足使用要求。

鉆削中心；有限元

0 引言

鉆削中心是機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較廣泛的金屬切削工藝之一，目前由于高速主軸技術(shù)、直線電機(jī)技術(shù)、高速控制技術(shù)以及刀具技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，以加工的高速化實(shí)現(xiàn)加工的高品質(zhì)、高效率已成為鉆削加工技術(shù)發(fā)展的重要特征。Z540鉆削加工中心是專門(mén)用于針對(duì)小型多孔零件的鉆削及攻絲加工的高速、高效、高精度的產(chǎn)品。適用于航天航空、汽車機(jī)車、儀器儀表、輕工輕紡、電子電器和機(jī)械制造等行業(yè)的中小型箱體、蓋、板、殼、盤(pán)等零件的加工。

1 有限元模型

本文通過(guò)SolidWorks進(jìn)行三維建模并導(dǎo)入Abaqus中進(jìn)行有限元建模。本產(chǎn)品采用材料為HT200，主要壁厚為20mm。材料屬性通常由以下物理量表示：抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等。立柱模型的材料參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 立柱材料參數(shù)Tab.1 The mechanical properties of the base material

2 載荷及約束

底座靜態(tài)分析的計(jì)算載荷包括立柱重量載荷、工作臺(tái)重量載荷、工件重量載荷、鉆孔時(shí)的軸向載荷等。在載荷計(jì)算時(shí)，要考慮工況載荷組合情況。在底座接地面要分別施加六個(gè)自由度的約束。

（1）工況一載荷。當(dāng)工作臺(tái)位于最靠近立柱時(shí)，建立載荷施加耦合點(diǎn)，并將該點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的導(dǎo)軌工作面進(jìn)行Coupling耦合。再將工作臺(tái)重量載荷、工件重量載荷、鉆孔時(shí)的軸向載荷之和通過(guò)耦合點(diǎn)施加于該耦合點(diǎn)。

（2）工況二載荷。當(dāng)工作臺(tái)位于最中間時(shí)，在工作臺(tái)導(dǎo)軌最中間工作面施加載荷，作用點(diǎn)用Coupling耦合單元鏈接至工作面。

（3）工況三載荷。當(dāng)工作臺(tái)位于最遠(yuǎn)立柱時(shí)，在工作臺(tái)導(dǎo)軌最右工作處施加載荷，作用點(diǎn)用Coupling耦合單元鏈接至工作面。三種工況載荷具體的施加位置分別見(jiàn)圖1（a）、（b）、（c）中紅色箭標(biāo)部位。

圖1 三種工況載荷Fig.1 Load of three condition

3 動(dòng)靜剛度分析

影響底座性能的主要是結(jié)構(gòu)本身的剛度，結(jié)構(gòu)所受的等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力，可以不考慮。底座的剛度主要關(guān)注工作臺(tái)導(dǎo)軌面工作時(shí)的總變形。

通過(guò)對(duì)三種工況的分析可以得到工作臺(tái)在每種工況下的最大變形情況，并將每種工況下最大變形量統(tǒng)計(jì)于表2。

表2 不同工況下工作臺(tái)導(dǎo)軌面最大變形量Tab.2 Maximum deformation of the guide under different conditions

4 分析與評(píng)價(jià)

對(duì)底座底面固定，其模態(tài)分析在求解時(shí)采用Lanczos法求解，經(jīng)過(guò)計(jì)算其前6階固有頻率及振形見(jiàn)表3。

底座所承受的振動(dòng)激勵(lì)主要來(lái)自電機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。該機(jī)床選用的電機(jī)主軸的基本轉(zhuǎn)速參數(shù)如下：

（1）主軸電機(jī)1：15000r/min

（2）主軸電機(jī)2：24000 r/min

（3）xyz三軸電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)：3000r/min

因此，電機(jī)對(duì)機(jī)床的激勵(lì)頻率為：

主軸電機(jī)1激振頻率：f=15000/60×2=500

主軸電機(jī)2激振頻率：f=24000/60×2=800

xyz三軸電機(jī)激振頻率:f=3000/60×2=100

若機(jī)床結(jié)構(gòu)模態(tài)與上述頻率相耦合，將會(huì)使其產(chǎn)生共振，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生抖振，影響加工精度。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，機(jī)床經(jīng)常工作頻率都在100Hz以上，已經(jīng)遠(yuǎn)大于其結(jié)構(gòu)彈性模態(tài)頻率。因此，機(jī)床主要部件底座在正常使用時(shí)不會(huì)引起共振。

表3 頻率及振形表Tab.3 Table of frequency and mode shape

5 總結(jié)

本文建立了Z540鉆削中心主要部件底座的有限元模型，應(yīng)用有限元軟件對(duì)其基本力學(xué)性能進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示，剛度可滿足使用要求，機(jī)床主要部件在機(jī)床工作頻率范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]石亦平，周玉蓉.ABAQUS_有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]王愛(ài)玲.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1999.

[3]萬(wàn)鵬程，周建軍.BT-30鉆削中心立柱建模及其有限元分析[J].杭州電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，4.

Finite Element Analysis of the Base of Drilling Machining Center Model Z540

LV Hong1,2，WANG Li-Ping1,2，LIN Kui1,2，ZENG Chen-Hui1,2，WANG Chao3，GAO Min3
（1.Kunming Taigong Precision Machine Tool Co.,Ltd.，Kunming Yunan 650206,China；2.Yunan Zhengchenggong Precision machine tool Co.,Ltd.,Yuxi Yunan 653106,China；3．Mechatronics Technology and Key Applications Laboratory of Yunnan Province，Advanced Manufacturing Technology Research Centre of Yunnan Province，Kunming Yunnan 650031，China）

A three dimensional model of the base of drilling machining center model Z540 is medeled by using solidworks,its static and dynamic is analyzed with abaqus.?Analysis results show that,?the?static and dynamic stiffness?can fully meet the use requirements.

drilling machining center；finite element

TG68

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.066

1002－6673（2014）03－174－02

2014－03－17

呂虹（1965-），女，工程師，昆明臺(tái)正、臺(tái)成、臺(tái)工、云南正成工精密機(jī)械有限公司信息辦主任，昆明臺(tái)工精密機(jī)械有限公司總經(jīng)理，多年來(lái)一直從機(jī)電一體化技術(shù)、信息化技術(shù)研究及企業(yè)管理工作；王利平（1985-），女，2008年進(jìn)入公司至今，一直從事機(jī)床設(shè)計(jì)研究，在鉆削中心的開(kāi)發(fā)中承擔(dān)主要設(shè)計(jì)工作。