徐作恒　馬治軍

引言

機床已經(jīng)成為當前工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的加工設(shè)備，橫梁的機械性能對機床的加工精度起著重要的影響。本文采用有限元方法對其靜態(tài)特性進行了分析計算，得到橫梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與形變云圖。本文所采用的有限元方法可以，不僅節(jié)約數(shù)控車床橫梁的設(shè)計周期，還可以針對特定要求進行優(yōu)化。

1.數(shù)控立式車床結(jié)構(gòu)特點

（1）立柱與橫梁采用對稱性結(jié)構(gòu)。

（2）橫梁不僅設(shè)有分級定位機構(gòu)，還采用了自鎖功能的機械、液壓聯(lián)鎖夾緊機構(gòu)。

（3）主軸采用短主軸形式，徑向和軸向分別采用采用高精度雙列向心短圓柱滾子軸承和大型推力球軸承。

（4）機床主傳動潤滑采用自動循環(huán)潤滑；其它部件的潤滑采用間隙式定時、定量強制潤滑。

2.橫梁結(jié)構(gòu)建模

CK5116數(shù)控立式車床橫梁是由長方形中空結(jié)構(gòu)的鑄鋼件，切削加工而成；導軌布置在橫梁的另一側(cè)并采用絲杠與立柱相連。依據(jù)二維圖紙，利用solidworks軟件繪制其三維圖樣如圖2.1所示。

3.橫梁的靜力學分析

3.1定義單元的屬性

定義單元的屬性包括對其單元類型、材質(zhì)特性以及參數(shù)量的單位三個主要方面。ANSYS軟件提供多種的單元類型適用實體、梁/管、桿/索、彈簧等分析對象。本文中的橫梁結(jié)構(gòu)為方形中空的不規(guī)則幾何體，因此選用SOLIDl85單元。

材質(zhì)特性定義時按橫梁設(shè)計所使用的材料的屬性進行定義并注意單位的統(tǒng)一。

3.2網(wǎng)格的劃分

ANSYS軟件具有智能劃分網(wǎng)格功能以方便計算和減少分析計算的時間。智能劃分網(wǎng)格依據(jù)模型的曲率以及線與線的接近程度自動進行網(wǎng)格劃分，在分析復雜的結(jié)構(gòu)時通常采用智能劃分網(wǎng)格。本文所分析的橫梁結(jié)構(gòu)復雜因此采用智能劃分網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，在軟件中網(wǎng)格劃分有1-10的精度等級，本文采用默認的6級精度來格劃分。

3.3施加邊界條件和載荷

3.3.1切削力的計算

（1）切削力的計算

在切削加工過程中，工件和車刀受到的合力，大小相等而方向相反。

數(shù)控機床車削時的切削力計算公式：

式中：為切削條件和工件材料對切削力的影響系數(shù)；

為背吃刀量對切削力的影響指數(shù)；進給量對切削力的影響指數(shù)；為各種因素對切削力影響的修正系數(shù)之乘積。走刀抗力Ff；吃刀抗力Fp。

3.3.2邊界條件和載荷

靜力分析不考慮慣性和阻尼的影響，通常計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。靜力分析所施加的載荷包括：

（1）外部施加的作用力和壓力；

（2）穩(wěn)態(tài)的慣性力；

（3）位移載荷。

本次分析中的載荷為計算得來的切削力、橫梁的自重還有在橫梁上垂直刀架的重力。約束條件為橫梁xy面。

3.4計算結(jié)果與分析

3.4.1剛度分析

橫梁位移云圖為如圖3.1所示。從圖中可得橫梁變形最大值為0.0171mm，位于在橫梁頭部處達。

橫梁結(jié)構(gòu)的剛性會影響機床的加工精度。由圖3.1可以得出，橫梁導軌變形符合設(shè)計要求，橫梁的剛度不會對機床的加工精度造成很大的影響，加工精度完全符合要求。

3.4.2應(yīng)力分析

橫梁的應(yīng)力云圖如圖3.2所示。由圖中可以得出橫梁最大的應(yīng)力為6.70Mpa。其余等效應(yīng)力均較小，最大應(yīng)力位于橫梁頭部處。橫梁所使用的材料的強度極限為300Mpa，安全系數(shù)大于40。

本文橫梁采用鑄鋼件，經(jīng)過精加工而成。其材料的抗拉強度為355Mpa，由云圖所得最大應(yīng)力為6.7Mpa，安全系數(shù)大于50。因此可以得出其設(shè)計余量較大，在后期可進行優(yōu)化分析，可針對結(jié)構(gòu)形式或加強筋布置分布進行優(yōu)化，當?shù)玫捷^為合理的結(jié)構(gòu)布置后還可根據(jù)其重量進行優(yōu)化。

結(jié)論

本文依據(jù)CK5116數(shù)控立式車床橫梁的結(jié)構(gòu)特點，通過有限元軟件分析靜態(tài)特性，得出了橫梁的剛性和應(yīng)力特性。通過對結(jié)果的分析提出了可以應(yīng)用的優(yōu)化方法。在后續(xù)的試驗中論證了有限元計算的準確性，因此利用有限元分析橫梁是一種節(jié)約設(shè)計時間，提高橫梁設(shè)計質(zhì)量的方法。

（作者單位：沈陽機床股份有限公司沈一車床廠）