崔東英

（齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

基于Inventor平臺上的BMT 110型銑鏜立柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

崔東英

（齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

數(shù)控落地銑鏜床的立柱是一個關(guān)鍵部件，因?yàn)樗休d著銑鏜床的主軸箱，所以說銑鏜床的主軸精度與立柱結(jié)構(gòu)剛性的好壞有著至關(guān)重要的關(guān)系，所以在設(shè)計(jì)立柱時，對立柱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元的分析工作就顯得十分必要，針對同一零件不同的筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比對，選擇較優(yōu)的計(jì)算結(jié)果用于實(shí)踐。

立柱；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；變形量

數(shù)控落地銑鏜床是采用當(dāng)代機(jī)械、電氣、液壓等新技術(shù)，用途廣泛的重型金屬切削機(jī)床。此機(jī)床具有扭矩大，轉(zhuǎn)速范圍寬等特點(diǎn)。適用不同材質(zhì)不同尺寸的刀具，對不同材質(zhì)不同尺寸的工件進(jìn)行重切削和精加工。

1 立柱的三維建模

因?yàn)殂婄M立柱的重要位置，它決定著主機(jī)的主軸精度，所以就要求立柱的結(jié)構(gòu)剛性一定要好，立柱選用優(yōu)質(zhì)鑄件，立柱的材料為HT300，立柱內(nèi)腔的四壁附有加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)有十字型和米字型的，文章的立柱的加強(qiáng)筋為十字形加強(qiáng)筋，因?yàn)榻?jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有十字形加強(qiáng)筋的立柱能夠承受更大的徑向彎矩，而且立柱的變形小，立柱經(jīng)過二次人工時效處理，消除零件的內(nèi)應(yīng)力，立柱外有兩條垂直方向的用于主軸箱移動導(dǎo)向和支撐的恒壓閉式靜壓的導(dǎo)軌。所以立柱所受的外力及熱量傳遞都是通過這兩條導(dǎo)軌傳遞到立柱本體的，對這兩條導(dǎo)軌的要求一是導(dǎo)軌硬度要高，二是導(dǎo)軌剛性要好。文章所分析的立柱的主要尺寸如下：立柱橫截面尺寸長830mm，寬800mm，導(dǎo)軌寬120mm,導(dǎo)軌厚度50mm，側(cè)板壁厚30mm，筋板厚度25mm，立柱高度3300mm，頂板厚度60mm，底板厚度80mm，立柱底部采用9個M24的螺栓與滑座相連。

2 立柱的有限元分析

在Inventor的三維設(shè)計(jì)軟件中集成了強(qiáng)大的有限元的分析模塊，因?yàn)榱⒅娜S模型是用Inventor建模的，所以在三維建模和模型的應(yīng)力分析環(huán)境之間的界面切換非常方便。

在對三維模型有限元分析之前，需要對立柱進(jìn)行靜態(tài)的受力分析，根據(jù)主機(jī)實(shí)際的工作狀態(tài)分析立柱的受力情況，立柱主要受三部分力的作用，第一部分就是主軸箱和平衡錘通過立柱頂部支架對立柱頂部產(chǎn)生壓力的作用，第二部分是主機(jī)切削工件時由切削進(jìn)給抗力所產(chǎn)生的X、Y、Z三個方向的切削分力的作用，第三部分，立柱本體的重力的作用。

（1）材料設(shè)定，立柱的材料是HT300，其參數(shù)如下：

彈性模量：E=1.45e11（N/2）

泊松比：u=0.26，密度：ρ=7400（kg/m3）

（2）添加約束，由于立柱是由螺栓與滑座相連接的，立柱的底面相對于主軸的關(guān)系是固定不動的，所以在立柱的底面添加固定約束。

（3）載荷，本產(chǎn)品的主軸箱的重量為3000kg，重錘的重量為 3000kg，所以立柱的頂面受到的壓力為 F1=GⅢ+GⅡ=60000N。主機(jī)主軸的最大扭矩為1070N·m，主機(jī)功率30kW，由此可推出主軸的圓周切向力為FⅡ=19450N，所以主機(jī)在銑削時的各軸切削力為：Fx=0.35FⅡ=6000N

FY=0.9FⅡ=17500N；FZ=0.525FⅡ=10000N

立柱的重量G=Mg=45000N。

（4）網(wǎng)格，Inventor分析模塊的網(wǎng)格設(shè)置中選擇網(wǎng)格的大小為0.05，分級的系數(shù)選擇1.5，網(wǎng)格的形狀及分布是Inventor分析模塊根據(jù)模型的自動完成的。

（5）分析結(jié)果。結(jié)果分析：由圖1、圖2中可以看到，立柱的總體位移的最大值發(fā)生在立柱頂面的中間的方孔部分，數(shù)值達(dá)到了 0.04081mm，而立柱的導(dǎo)軌部分的變形量在0～0.02mm之間，而機(jī)床在Y軸的加工精度范圍在0～0.03mm，機(jī)床的移動精度主要體現(xiàn)在機(jī)床導(dǎo)軌上面，所以該立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合機(jī)床的設(shè)計(jì)要求。

圖1 優(yōu)化前總體位移云圖

圖2 優(yōu)化后總體位移云圖

優(yōu)化設(shè)計(jì)：從X向位移云圖和Y向位移云圖可以看到，該立柱在X、Y兩個方向的位移都很小，從立柱的受力特點(diǎn)上，可以解釋立柱頂部變形最大的原因，立柱的頂部受到的壓力是最大的達(dá)到了60000N，所以優(yōu)化立柱的頂部結(jié)構(gòu)以達(dá)到增加立柱頂部剛性的目的。經(jīng)過對立柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，采用增加立柱頂板厚度和增加立柱頂部豎直筋板厚度的方法，立柱的頂板厚度由60mm修改為70mm，立柱頂部筋板厚度由25mm修改為30mm，經(jīng)過的優(yōu)化后的立柱再進(jìn)行有限元分析。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型的剛度分析的結(jié)果表明，總體位置的最大值仍然在立柱頂部的方孔部分，但是變形量達(dá)到了0.02839，立柱導(dǎo)軌的部分的變形量達(dá)到0～0.01mm，優(yōu)化后的模型的整體剛度明顯高于未優(yōu)化的立柱的模型。

3 結(jié)語

利用Inventor三維設(shè)計(jì)分析軟件對銑鏜立柱的建模與有限元分析的這一工具，大大提高了工程設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作效率，并且通過分析軟件分析的結(jié)果與實(shí)際的工況相結(jié)合，優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，為產(chǎn)品精度的保證提供有力的技術(shù)支持，利用這一技術(shù)手段，為企業(yè)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型升級提供可靠的保障。

Optimum Design of BMT110 M illing and Boring Column Based on Inventor Platform

CUI Dong-ying
（Qiqihar Second Machine Tool（Group）Co.，Ltd.，Qiqihar，Heilongjiang 161005，China）

The column of the CNC floormilling and boringmachine isa key componentbecause itcarries themain shaftbox of themilling and boringmachine.Therefore，the spindle accuracy of themilling and boringmachine has a crucial relationship with the rigidity of the column structure.Therefore，when designing the column，it is necessary to analyze the structure of the column by finiteelementanalysis.For the same partof the differentpartsof the structure of the same comparison，select the better results forpractice.

column；finite elementanalysis；structuraloptimization；deformation

TG536

A

2095-980X（2017）05-0119-01

2017-04-20

崔東英（1984-），男，吉林洮南人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：機(jī)床設(shè)計(jì)。