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        某數(shù)控臥式加工中心整機(jī)有限元分析

        2019-03-29 10:17:16李帥
        科學(xué)與技術(shù) 2019年12期

        摘要:首先應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件建立某數(shù)控臥式加工中心的三維模型。將三維模型轉(zhuǎn)化為整機(jī)的有限元模型,并對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析,得出了三個(gè)方向的靜剛度和整機(jī)1-5階固有頻率和振型,尋找出了機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié),為機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

        關(guān)鍵詞:機(jī)床有限元法;靜力分析;模態(tài)分析

        引言

        機(jī)床是由多個(gè)零部件組成的復(fù)雜組合結(jié)構(gòu),僅對(duì)個(gè)別零部件進(jìn)行分析,無法全面反映機(jī)床整體的性能,必須對(duì)機(jī)床進(jìn)行整機(jī)有限元分析。

        有限元分析是一種分析計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算方法,為機(jī)床的靜、動(dòng)態(tài)特性分析提供有力的工具。本文以某臥式加工中心為研究對(duì)象,采用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析,徐找機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié),為機(jī)床設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供依據(jù)。

        1 有限元模型建立

        利用Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行機(jī)床整機(jī)的CAD建模。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間,提高分析效率,盡可能如實(shí)地反映機(jī)床的主要力學(xué)特征前提下。需要對(duì)CAD模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化,比如刪除掉倒角、圓角、螺紋孔等小特性以及不涉及力傳遞的小零件。簡(jiǎn)化后的CAD模型如圖1所示。

        將CAD模型導(dǎo)入ANSYS軟件,根據(jù)零部件之間實(shí)際的接觸情況,設(shè)置接觸面的接觸形式,所有外購件的剛度來自供應(yīng)商的樣本手冊(cè),其剛度特性由假想材料模擬。采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元模型由259565個(gè)單元,811144個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,有限元模型如圖2所示。

        2整機(jī)靜力學(xué)分析

        首先進(jìn)行只受重力狀態(tài)下的整機(jī)計(jì)算,然后分別在刀具和工件的對(duì)應(yīng)面上施加X,Y,Z三個(gè)方向的力并觀察機(jī)床各個(gè)部件的變形情況,在X方向受力變形情況如圖3。

        3 機(jī)床薄弱環(huán)節(jié)查找

        數(shù)控機(jī)床工藝系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)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(jī)中剛性最低的部件,因此分析各部件對(duì)工藝系統(tǒng)剛性的影響,找出薄弱環(huán)節(jié),提高機(jī)床剛度。

        機(jī)床各部件對(duì)Fx,F(xiàn)y,F(xiàn)z分別作用下所引起變形的影響如圖4所示。

        圖中橫坐標(biāo)為機(jī)床的各個(gè)部件,縱坐標(biāo)為各部件變形在工藝系統(tǒng)變形中所占的比例情況。

        4 整機(jī)模態(tài)分析

        模態(tài)分析是整機(jī)動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ),也是研究整機(jī)動(dòng)態(tài)特性的必要工作。通過模態(tài)分析可以判斷陣型是否影響加工精度,為機(jī)床結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化提供判斷依據(jù)。

        如圖5所示為整機(jī)的一階固有頻率為35.338Hz,振型為繞機(jī)床Z軸擺動(dòng)。

        其余幾階的固有頻率及振型情況如表2所示。

        5 結(jié)論

        通過對(duì)某臥式加工中心的整機(jī)有限元分析,得到了整機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)性能,并尋找出機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié),為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。得出以下結(jié)論:

        1.機(jī)床的三個(gè)方向的剛性比較好,X方向剛性相對(duì)較低,但可以保證正常工作。

        2.整機(jī)的固有頻率均較高,保證了機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。

        3.分析得出立柱為相對(duì)薄弱環(huán)節(jié),進(jìn)行合理的改進(jìn)可以進(jìn)一步提高機(jī)床的靜、動(dòng)態(tài)性能。

        參考文獻(xiàn)

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        [2] 袁松梅.數(shù)控機(jī)床整機(jī)有限元分析[J].機(jī)床與液壓,2008(4):17-18.

        [3] 曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008:447-452.

        作者簡(jiǎn)介:李帥,男,1986年生,畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè),工學(xué)碩士。工作單位:沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研究院,工程師。主要研究方向:金屬切削機(jī)床切削測(cè)試、切削仿真、機(jī)床整機(jī)性能優(yōu)化等。

        (作者單位:沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司)

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