肖婷婷，王李波，張旭中，鈄奕軼，趙川川

（浙江可勝技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310053）

0 引言

在機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)加工的過程中，許多因素都會影響到產(chǎn)品的精度，例如，設(shè)備長期使用出現(xiàn)的各種磨損、安裝是否到位、加工過程中可能會出現(xiàn)的振動等，都會對零件總體加工精度產(chǎn)生負(fù)面影響[1]。如何保證加工工藝中的精度成為保障產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要研究課題。

本文研究對象為主梁焊接件，該產(chǎn)品加工過程出現(xiàn)加工精度較差的問題[2]，尺寸誤差范圍可達(dá)±0.6 mm 以上，與要求的誤差還有較大差距。主梁焊接件是一個(gè)薄壁焊管與薄板的焊接件，典型的主梁焊接件如圖1 所示。

圖1 主梁焊接件

由于主梁焊接件長徑比大、管壁薄，在加工過程中很容易發(fā)生變形，如果僅考慮保證加工精度，可以在長度方向多加一些支撐點(diǎn)（目前只有兩個(gè)），但每增加一個(gè)支撐點(diǎn)需要增加1 個(gè)人約1 min 的工作量（而該焊接件生產(chǎn)的效率要求是5 min 生產(chǎn)一件），這樣就降低了加工效率。所以需要同時(shí)解決主梁焊接件加工精度和加工效率的問題是非常困難的。本文提出的是在不增加安裝支撐的情況下，通過分析得到恰當(dāng)?shù)募庸?shù)以解決問題。

本文首先基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工作經(jīng)驗(yàn)建立三維模型；接著將該三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件workbench 進(jìn)行簡化處理及有限元分析[3-4]；最后根據(jù)分析結(jié)果對加工過程提出改進(jìn)建議。通過本次有限元分析計(jì)算，找出了存在問題的主要原因，同時(shí)提出了解決方案，提升了產(chǎn)品精度，有效節(jié)約了設(shè)計(jì)和加工成本，也為今后的生產(chǎn)加工積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 主梁加工設(shè)備

主梁焊接件加工設(shè)備主要包括設(shè)備主體結(jié)構(gòu)、上下料結(jié)構(gòu)、主軸單元、固定支架、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、設(shè)備基座，在塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目鏡體加工車間中使用，用于主梁焊接件加工。本設(shè)備具備完成主梁焊接件加工功能以及自動進(jìn)給和自動退回的功能，可通過參數(shù)調(diào)節(jié)加工機(jī)器的進(jìn)給、退回速度。

2 有限元模型

2.1 劃分網(wǎng)格及定義材料屬性

為了提高計(jì)算效率，在將三維模型導(dǎo)入Workbench系統(tǒng)時(shí)，對模型做了簡化處理，僅采用一半結(jié)構(gòu)作為分析對象，如圖2 所示。

圖2 簡化模型

檢查幾何模型后，利用mesh 功能將其劃分為19 487 個(gè)單元，93 438 個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格模型，建立主梁及部分設(shè)備結(jié)構(gòu)的有限元模型。如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格模型

網(wǎng)格劃分后在材料庫定義所需的材料屬性參數(shù)，并在model 模型里對各零部件分別設(shè)置相應(yīng)材料。其中加工設(shè)備采用灰鑄鐵HT-200，主梁結(jié)構(gòu)采用Q235B 結(jié)構(gòu)鋼。材料參數(shù)定義見表1。

表1 材料參數(shù)表

2.2 施加載荷及約束

對支座底面施加Fix support 約束。主梁通過兩處氣缸力壓緊，氣缸力F=0.2 MPa。抱箍兩端施加螺栓預(yù)緊力擰緊，扭矩T=28125 N·m。此外對整個(gè)結(jié)構(gòu)施加豎直向下重力。

圖4 載荷及約束條件

3 分析結(jié)果及改進(jìn)措施

對分析模型劃分網(wǎng)格、施加載荷及約束后，將modal模塊的階數(shù)設(shè)置為前6 階，運(yùn)行solve 進(jìn)行模態(tài)求解[1-5]。求解完畢后處理圖形顯示輸出的計(jì)算結(jié)果。圖5 所示為結(jié)構(gòu)的前6 階固有頻率。圖6 所示為各階頻率對應(yīng)的振型。

圖5 結(jié)構(gòu)前6 階頻率

圖6 結(jié)構(gòu)前6 階振型

已知加工過程設(shè)備產(chǎn)生的激勵頻率約為33 Hz。對照上述模態(tài)分析仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該頻率與結(jié)構(gòu)一、二階固有頻率非常接近。由機(jī)械振動原理可知，當(dāng)外部激勵頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率接近時(shí)，結(jié)構(gòu)容易引起共振，從而導(dǎo)致加工精度差。

加工過程中出現(xiàn)精度過低問題，設(shè)計(jì)人員雖經(jīng)多次調(diào)整設(shè)備、更換配件、檢查安裝是否規(guī)范、是否安裝到位等，但加工精度仍無明顯提升。最后經(jīng)設(shè)計(jì)人員更改加工設(shè)備的工作頻率，避開共振頻率區(qū)，降低振動帶來的不良影響，加工現(xiàn)場將設(shè)備頻率降低，振動影響有所減少，加工精度才有了明顯的提高，最大尺寸誤差降低至±0.2 mm 內(nèi)，滿足了加工要求。

圖7 加工精度前后對比

4 結(jié)論

為了降低主梁焊接件加工精度誤差，通過建立與實(shí)際相符合的三維模型，應(yīng)用有限元分析軟件workbench建立有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)分析結(jié)果對加工過程做了改進(jìn)。通過有限元分析計(jì)算，解決了加工過程的實(shí)際問題，節(jié)約了設(shè)計(jì)和加工成本，為今后的生產(chǎn)加工積累了經(jīng)驗(yàn)。