沈陽機(jī)床股份有限公司 畢巖

臥式加工中心立柱結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)選

沈陽機(jī)床股份有限公司 畢巖

立柱是臥式加工中心的重要組成部分，對(duì)機(jī)床整機(jī)的結(jié)構(gòu)具有重要影響。本文應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件建立三維模型，對(duì)臥式加工中心關(guān)鍵部件立柱的不同布筋方式進(jìn)行了流體力學(xué)分析和有限元分析，比較不同筋板布置方案對(duì)立柱的影響，分析當(dāng)前結(jié)構(gòu)的合理性，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

一、引言

HMC50m是沈陽機(jī)床股份有限公司開發(fā)的一款中小型臥式加工中心，最適合零件多工作面的銑、鉆、鏜、鉸、攻絲、二維和三維曲面等多工序加工，具有在一次裝夾中完成箱體孔系和平面加工的良好性能，廣泛應(yīng)用于汽車、內(nèi)燃機(jī)、航天航空等行業(yè)。HMC50m機(jī)床體整體結(jié)構(gòu)緊湊，是比較典型的精密臥式加工中心。

機(jī)床的整體剛性不僅受機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的影響，更與機(jī)床的鑄件結(jié)構(gòu)有直接聯(lián)系。因此，在設(shè)計(jì)過程中對(duì)機(jī)床立柱采用了最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過合理的結(jié)構(gòu)程度和加強(qiáng)筋的搭配，實(shí)現(xiàn)盡可能低的重量承載最大的載荷。

二、機(jī)床主要結(jié)構(gòu)及三維模型建立

此款機(jī)床整機(jī)主體由床身、立柱、主軸箱、滑枕、刀庫、工作臺(tái)和交換站七部分組成?？v橫床身呈倒T字型布局，立柱橫向移動(dòng)為X軸，主軸箱縱向移動(dòng)為Y軸，滑枕前后移動(dòng)為Z軸。立柱導(dǎo)軌采用平行等高布局，具有良好的剛性；工作臺(tái)固定，并采用直接回轉(zhuǎn)式雙交換工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，交換快捷；排屑器置于床身后部，床身中間采用冷卻液沖刷方式排屑，減少機(jī)床熱變形，利于提高精度?？傮w結(jié)構(gòu)布局的整機(jī)裝配如圖1所示。

三、立柱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.立柱結(jié)構(gòu)在鑄造工藝上的優(yōu)化

圖1 HMC50m臥式加工中心結(jié)構(gòu)模型

機(jī)床的基礎(chǔ)大件大部分是鑄件，這些鑄件對(duì)機(jī)床整體靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)特性有著密切影響。鑄件內(nèi)部筋板的布局方面一定要合理。首先，從鑄造工藝方面考慮，鑄件結(jié)構(gòu)便于排沙，不能形成死腔結(jié)構(gòu)；其次，避免材料堆積，因?yàn)椴牧隙逊e將導(dǎo)致在冷卻過程中，鑄件內(nèi)部縮孔的形成和低應(yīng)力的出現(xiàn)。例如可以用T型節(jié)點(diǎn)取代十字節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用環(huán)形設(shè)計(jì)代替多個(gè)筋板匯集一個(gè)節(jié)點(diǎn)以及不同厚度的筋板交匯采用漸變的筋板厚度均可解決此類問題。在立柱的設(shè)計(jì)中，最初的方案如圖2（a）所示?？紤]到立柱是移動(dòng)部件，最初的方案中重量太大，不利于機(jī)床傳動(dòng)，基于鑄件筋板的布置原則，又出現(xiàn)了后來的方案一和方案二，如圖2（b）、（c）所示。方案一即減輕了立柱的重量，十字節(jié)點(diǎn)改成T字節(jié)點(diǎn)形式；方案二中的筋板布置成蜂窩結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)剛性。

圖2 立柱的初次設(shè)計(jì)模型

方案一和方案二中，多處出現(xiàn)尖角，易形成應(yīng)力集中。在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在重量幾乎不變的情況下，方案一中的矩形開口設(shè)計(jì)成大的圓角形式，同時(shí)對(duì)方案二的尖角予以倒圓角處理，改進(jìn)方案如圖3所示。

圖3 立柱的二次改進(jìn)設(shè)計(jì)模型

2.流體力學(xué)方法分析鑄件結(jié)構(gòu)

本文采用FLOW-3D分析立柱結(jié)構(gòu)，F(xiàn)LOW-3D是三維工程流體力學(xué)分析軟件，用于模擬金屬液態(tài)流動(dòng)及凝固過程。首先進(jìn)行初始設(shè)置，材料HT300，網(wǎng)格大小0.01～0.05m，溶液溫度1300℃，自然冷卻。分別對(duì)三個(gè)基本模型進(jìn)行凝固分析。

通過分析，三種方案整體固化分析如圖4、圖5所示。圖4中三種結(jié)構(gòu)都能進(jìn)行鑄造澆注，由于方案一和方案二重量比原始模型減輕100Kg左右，建議選擇更好的材料球墨鑄鐵，能提高整體剛性。圖5中側(cè)壁的筋板布置蜂窩結(jié)構(gòu)優(yōu)于原始模式和方案一（原始模型和方案一的側(cè)壁筋板布局相似，以其中一個(gè)進(jìn)行了對(duì)比分析）。

圖4 FLOW-3D對(duì)立柱的分析結(jié)果

圖5 立柱的側(cè)壁固態(tài)分析

四、有限元?jiǎng)討B(tài)分析

采用ABAQUS軟件來進(jìn)行立柱的有限元分析。ABAQUS可以為常見的及復(fù)雜的研發(fā)過程遇到的問題提供完整的解決方案。

根據(jù)實(shí)際工況條件，立柱的受力如圖6所示，其中，F(xiàn)X=3000N、FY=17000N、FZ=3000N。分別以三種方案為基礎(chǔ)，用ABAQUS進(jìn)行模擬分析，在受綜合外力的情況下，立柱各個(gè)方向的變形量如圖7所示。方案二球墨中立柱材料為球墨鑄鐵，其余均為灰口鑄鐵HT300。

圖6 立柱受力示意圖

圖7 原始方案受力變形圖

由立柱受力變形數(shù)據(jù)分析表可以看出，原始方案中最大的變形量是0.0176μm，Y方向的變形量最大0.0156μm。變形量最大的地方在立柱上方電機(jī)座連接處，如圖7所示。方案一的最大變形量0.0105μm，方案二的最大變形量為0.0083μm，相比較發(fā)現(xiàn)，方案二優(yōu)于方案一、優(yōu)于原始方案。當(dāng)把鑄件材料變成球墨鑄鐵之后，變形量又進(jìn)一步減小到0.0069μm。通過圖8可以很清晰的反映出各個(gè)方案的變形量關(guān)系。

表 立柱受力變形數(shù)據(jù)分析表

圖8 立柱受力變形數(shù)據(jù)分析圖

綜合分析如下，原始模型封閉的側(cè)壁有助于提高剛性，缺點(diǎn)是重量大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)不好；方案一側(cè)壁開口和內(nèi)部加筋方式導(dǎo)致了整體剛性的降低；方案二側(cè)壁使用蜂窩結(jié)構(gòu)可以提升其剛性，比方案一減小側(cè)壁開口的大小可以進(jìn)一步提高剛性。將其材料改為球墨鑄鐵，整體剛性提高了16%。

五、結(jié)語

本文通過對(duì)立柱的流體力學(xué)分析和有限元分析，對(duì)立柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。通過這種模擬固態(tài)分析和有限元?jiǎng)討B(tài)分析方法，不但縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了機(jī)床設(shè)計(jì)效率。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，機(jī)床大件的內(nèi)部筋板對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響很大，對(duì)機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)性能的提高具有重要意義。