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        基于Workbench的數(shù)控銑床可靠性仿真分析

        2020-08-31 05:42:24高海兵
        機電信息 2020年20期

        摘要:簡要分析了數(shù)控銑床工裝夾具的設(shè)計要點,利用有限元仿真軟件,對數(shù)控銑床夾具固定架進(jìn)行了應(yīng)力和變形仿真分析,以期提高數(shù)控銑床的運行可靠性,為相關(guān)技術(shù)人員提供一定參考。

        關(guān)鍵詞:數(shù)控銑床;可靠性;有限元仿真;工裝夾具

        0 引言

        在我國傳統(tǒng)機械加工行業(yè)中,受到材料、設(shè)備、技術(shù)等方面的限制,產(chǎn)品的加工精度和加工效率無法滿足市場需求。機械加工企業(yè)采用數(shù)控銑床加工技術(shù),可以有效提高金屬零件的加工質(zhì)量,數(shù)控銑床的普遍使用,不僅推動了機械制造行業(yè)的健康發(fā)展,還在很大程度上解放了生產(chǎn)力,降低了工作人員的勞動強度。但是數(shù)控銑床在實際使用過程中,依然存在成本較高、容易發(fā)生故障、維修不便等問題。本文主要對數(shù)控銑床的工裝夾具進(jìn)行分析和優(yōu)化,通過減小數(shù)控銑床夾具的集中應(yīng)力和變形量的方式,提高數(shù)控銑床的運行可靠性和穩(wěn)定性。

        1 數(shù)控銑床工裝夾具的設(shè)計要點

        數(shù)控銑床的工裝夾具對于保證整體設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)具有非常重要的影響。在設(shè)計工裝夾具時,必須使其與數(shù)控銑床的應(yīng)用完全匹配。數(shù)控銑床的工裝夾具設(shè)計必須符合以下幾點要求:(1)增加夾具的固定范圍,數(shù)控銑床加工工件時,需要在保持一定工作空間和安全距離的同時,將加工工件完全固定在機器上,如果夾緊機構(gòu)所在位置相對較低,可以避免主軸、工裝和夾具之間的摩擦干擾。(2)工裝夾具必須使用全方位安裝方法,以滿足機床零件的安裝方向與編程坐標(biāo)系相匹配的要求。(3)提高夾具的剛性和穩(wěn)定性,以滿足數(shù)控銑床對加工精度的要求。

        2 數(shù)控銑床的金屬加工技術(shù)及其應(yīng)用

        2.1? ? 數(shù)控銑床的換刀操作

        在數(shù)控銑床加工過程中,夾具執(zhí)行相關(guān)動作的動力來源是壓縮空氣,通過壓縮機的工作,可實現(xiàn)工件的自動夾緊和松動,方便人員操作,并可自動更換控制裝置,但是換刀過程相對煩瑣,會浪費大量時間。因此,要充分考慮加工時間的長短,盡量減少換刀次數(shù),還可以根據(jù)數(shù)控銑床工件的尺寸來改進(jìn)夾具,一次夾緊多個工件,根據(jù)實際情況調(diào)整工件數(shù)量,使加工時間盡可能縮短。

        2.2? ? 數(shù)控銑床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

        在數(shù)控銑床夾具設(shè)計中,結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常重要的環(huán)節(jié)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,必須注意載荷的分布問題。在多數(shù)情況下,數(shù)控銑床的工裝夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計很少考慮連續(xù)加工和切屑去除的問題,這將不可避免地影響到數(shù)控銑床的性能。合理的排屑結(jié)構(gòu)能夠保證機床正常運轉(zhuǎn),確保切屑不會掉落在工裝夾具的定位元件上,可以使切屑順暢彈出,提高了定位精度和效率。

        2.3? ? 數(shù)控銑床夾緊方式的優(yōu)化

        設(shè)計人員在對數(shù)控銑床的夾緊工件進(jìn)行設(shè)計時,必須優(yōu)化夾緊方法,確保夾具和工件有足夠的安全距離,以保證夾具可同時夾緊多個組件。目前,數(shù)控銑床在工件加工過程中,無法有效地區(qū)分粗加工和精加工,并且夾具的夾緊力可能會出現(xiàn)太大和太輕的情況,這不僅會影響加工的效果,還會導(dǎo)致工作表面出現(xiàn)凹痕或損壞整個工件。

        3 數(shù)控銑床夾具固定架的可靠性有限元仿真

        3.1? ? 三維模型的建立及網(wǎng)格劃分

        數(shù)控銑床內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,其中銑床夾具固定架起到固定和支撐加工零件的作用,對數(shù)控銑床的安全運行具有重要影響。本文主要以應(yīng)用最為普遍的圓柱形銑床夾具固定架為例進(jìn)行分析,數(shù)控銑床加工零件在夾具的作用下,固定在數(shù)控銑床上,固定架上設(shè)計有螺栓孔與夾具進(jìn)行連接,本文主要考慮圓柱形固定架的靜力分布情況,考慮到計算機性能的限制,對數(shù)控銑床夾具固定架的三維模型進(jìn)行了簡化,采用SolidWorks三維建模軟件建立了銑床夾具固定架的模型,數(shù)控銑床夾具固定架三維模型如圖1所示。

        由于數(shù)控銑床夾具固定架模型較為規(guī)則,本文采用meshing模塊對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,經(jīng)統(tǒng)計,網(wǎng)格數(shù)為872 596,網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

        3.2? ? 優(yōu)化前有限元求解結(jié)果分析

        設(shè)定數(shù)控銑床加工零件重量為20 kg,銑床夾具固定架重量為28 kg,固定架剛度為0.68 kN/mm,固定架材料為Q235鋼,固定架底部接觸面為固定面。當(dāng)載荷為200 N時,其應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

        此時數(shù)控銑床夾具固定架的最大應(yīng)力為169.69 MPa,最大應(yīng)力分布在中心圓孔處,最小應(yīng)力分布于固定架外表面,此時的最大應(yīng)力在最大屈服強度以下,但其數(shù)值相對較大,如果數(shù)控銑床長時間運行,有可能出現(xiàn)固定架磨損和斷裂的現(xiàn)象。

        數(shù)控銑床夾具固定架的最大變形量為0.029 mm,最大變形分布在中心孔處,最小變形分布在固定螺栓孔處。此時的最大變形量較大,無法保證數(shù)控銑床加工零件的表面精度,因此有必要對固定架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

        3.3? ? 優(yōu)化后有限元求解結(jié)果分析

        為了進(jìn)一步提高零件加工精度,將下固定螺栓孔的孔徑增加2 mm,固定架的直徑增加5 mm,厚度增加5 mm。優(yōu)化完成后對其進(jìn)行有限元仿真求解,當(dāng)載荷依然為200 N時,數(shù)控銑床夾具固定架的應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

        數(shù)控銑床夾具固定架的最大應(yīng)力為151.03 MPa,最大應(yīng)力分布在中心圓孔處,最小應(yīng)力分布于固定架外表面,與優(yōu)化前相比較,最大應(yīng)力明顯降低。

        此時,數(shù)控銑床夾具固定架最大變形量為0.005 6 mm,最大變形分布在中心圓孔連接處,最小變形分布在外表面,與優(yōu)化前相比較,此時最大變形量明顯降低,不會引起數(shù)控銑床的振動,能夠保證數(shù)控銑床加工工件的精度。

        4 結(jié)語

        數(shù)控銑床是機械加工的重要設(shè)備之一,在進(jìn)行數(shù)控銑床設(shè)計時,設(shè)計人員要盡可能提高數(shù)控銑床設(shè)備的運行可靠性。本文通過仿真分析發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后的數(shù)控銑床夾具固定架具有更高的運行可靠性和穩(wěn)定性。

        收稿日期:2020-06-29

        作者簡介:高海兵(1978—),男,內(nèi)蒙古錫盟人,高級技師,研究方向:機械制造。

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