沈陽機床股份有限公司 畢巖 陳冉

基于ANSYS的臥式加工中心靜剛度分析

沈陽機床股份有限公司 畢巖 陳冉

一、引言

為了滿足我國汽車、模具、航空航天及國防軍工等行業(yè)的裝備需要，我廠自主研發(fā)出一款臥式加工中心HMC50e。此款機床具有高效率、高精度和高剛性的特點，靜剛度是金屬切削機床重要的性能指標之一，所以提升機床的靜剛度更有利于提高機床的效率、加工精度和表面加工質(zhì)量。

本文通過ANSYS有限元分析軟件對HMC50e臥式加工中心進行靜剛度分析，并尋找機床的薄弱環(huán)節(jié)。

二、建立有限元模型

有限元分析方法是簡單有效的剛度分析方法，其基本思想是將結(jié)構(gòu)進行有限元離散化，各個單元之間通過有限元節(jié)點連接，根據(jù)有限元基本理論建立有限元總體平衡方程，最后求解分析。

HMC50e的有限元模型依據(jù)其三維SolidWorks模型建模，包括主要的基礎(chǔ)大件和傳動部件。首先對模型進行簡化，去掉機床外圍件，如水箱排屑器、氣動液壓潤滑件；忽略機床內(nèi)外防護件，刀庫本體（因刀庫本體有地腳支撐）；保留床身、立柱、主軸箱、轉(zhuǎn)臺及交換臺站等；保留傳動部組件。如圖1和圖2所示為簡化前后機床結(jié)構(gòu)對比圖。

圖1 簡化前的機床模型

圖2 簡化后的機床模型

然后將簡化好的三維模型傳送到ANSYS中，開始進行單元的選擇、實常數(shù)的確定、材料特性的確定、網(wǎng)格劃分。最后劃分的模型由240596個單元，522713個節(jié)點組成，如圖3所示。

圖3 有限元模型

三、整機分析過程及結(jié)果

在做HMC50e臥式加工中心整機的剛度分析時，需要確定主軸工作時刀具端在各個自由度方向的變形，同時還要確定工件端各個自由度方向的變形，從而確定整個機床的剛度。

首先進行只受重力狀態(tài)下的整機變形情況，然后分別在刀具端和工件端的對應(yīng)面上施加X、Y、Z三個方向的模擬切削力觀察機床整機的變形情況。

1.重力作用下的變形

機床在自身重力作用下的變形情況，如圖4所示。刀具端的最大位移為0.082mm，工件端的最大位移為0.036mm。

2.X方向切削力作用下的變形

機床在X方向10000N切削力作用下的變形情況如圖5所示，刀具端的最大變形為0.20854mm，工件端的最大變形為0.0946mm，得到工藝系統(tǒng)的剛性為，kx=Fx/Δx=10000/（0.20854+0.0946）=3N/μm。

圖4 重力作用下的變形情況

圖5 Fx作用下的變形情況

3.Y方向切削力作用下的變形

機床在Y方向10000N切削力作用下機床的變形情況如圖6所示，刀具端的最大變形為0.173mm，工件端的最大變形為0.011mm，得到工藝系統(tǒng)的剛性為，kz=Fz/Δz=10000/（0.099+0.162）=38N/μm。

圖6 Fy作用下的變形情況

4.Z方向切削力作用下的變形

機床在Z方向10000N切削力作用下機床的變形情況如圖7所示，刀具端的最大變形為0.099mm，工件端的最大變形為0.162mm，得到工藝系統(tǒng)的剛性為：ky=Fy/Δy=10000/（0.173+0.011）=54N/μm。

圖7 Fz作用下的變形情況

綜上，情況如表1所示，Y軸方向的剛度最大，X軸和Y軸方向的剛度稍低。接下來再根據(jù)各個關(guān)鍵件的最大變形量以及所占比重來查找機床的薄弱環(huán)節(jié)。

表1 臥式加工中心整機變形和剛度

四、薄弱環(huán)節(jié)查找

數(shù)控機床工藝系統(tǒng)是一個機床、刀具、工件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)剛性低于整機中剛性最低的部件，因此分析各部件對工藝系統(tǒng)剛性的影響，找出薄弱環(huán)節(jié)，提高機床剛度。

根據(jù)有限元分析的數(shù)據(jù)，總結(jié)HMC50e臥式加工中心各部件在X、Y、Z方向分別作用下所引起變形的影響，分析各部件引起機床的位移值，如圖8所示；分析各部變形在整個系統(tǒng)中變形的比重，如圖9所示。

通過圖8和圖9得知，床身對X、Y方向的變形影響較大。由此可通過改進床身件，可提高機床整體剛度。

圖8 機床各部件變形引起工藝系統(tǒng)變形的真實值

圖9 機床各部件變形在工藝系統(tǒng)變形的比重

五、結(jié)語

從上述分析可以看出，應(yīng)用ANSYS軟件對HMC50e臥式加工中心進行有限元分析，計算機床在三個方向切削力作用下的靜剛度，找到機床床身件為整機的薄弱環(huán)節(jié)。這種有限元軟件分析機床整機的剛度比較準確和簡便，有利于快速修改設(shè)計缺陷，減少設(shè)計成本。這對于提高機床產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)水平，具有重要的理論意義和實用價值。

機床整體靜剛度是機床抵御恒定載荷的能力，是機床的重要性能指標之一。本文利用ANSYS有限元軟件，分析研究HMC50e臥式加工中心整機剛度，尋找機床的薄弱環(huán)節(jié)，并對整機的結(jié)構(gòu)改進提供理論基礎(chǔ)。