機床支撐大件的設(shè)計及分析

劉志坤

（沈陽機床股份有限公司，遼寧 沈陽 110142）

摘 要：隨著我國技術(shù)能力的不斷提高,，對零部件加工精度的要求越來越高,。進(jìn)而使對高精度機床的需求日益增高，因此研制高精度高性能的機床成為了近幾年的研究熱點,。文章對機床支撐大件進(jìn)行研究,，達(dá)到提高機床加工精度和穩(wěn)定性的目的。文章采用的分析方法同樣適用于具有相似結(jié)構(gòu)的其他部件,。

關(guān)鍵詞：夾具箱體,；床身；有限元

1 夾具箱體的設(shè)計與分析

夾具箱體是高精度機床重要的支撐部件,，夾具箱的動態(tài)性能對機床加工精度的影響不亞于主軸箱,。文章通過利用Pro/MECHANICA軟件的有限元分析功能,，對夾具箱體的設(shè)計原型進(jìn)行模態(tài)分析，并通過對夾具箱體結(jié)構(gòu)的結(jié)果分析并對原型進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,，進(jìn)而實現(xiàn)了夾具箱體最優(yōu)設(shè)計,。

1.1 夾具箱體的設(shè)計與分析

設(shè)計的夾具箱體的外形尺寸、厚度尺寸等均按照設(shè)計規(guī)范以及《機械設(shè)計手冊》中的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計,。為了避免夾具箱體剛度不夠,，依據(jù)經(jīng)驗在薄弱區(qū)域增設(shè)加強筋板。在完成原型設(shè)計后,，利用三維建模軟件Pro/ ENGINEER建立夾具箱體的初始化模型,，并利用Pro/ MECHANICA進(jìn)行有限元分析。模型如圖1所示,。

圖1 夾具箱體的設(shè)計模型及有限元模型

1.2 夾具箱體的模態(tài)分析

（1）模態(tài)分析理論,。機床中很多部件都需要進(jìn)行模態(tài)分析。夾具箱也需要通過模態(tài)分析來確認(rèn)設(shè)計方案的可行性,。一個具有n自由度的系統(tǒng)在任一瞬間的運動的形態(tài)要用n個獨立的廣義坐標(biāo)系來描述,，對于n自由度的無阻尼系統(tǒng)而言，它具有n階固有頻率,。當(dāng)系統(tǒng)按任意一個固有頻率作自由振動時,，系統(tǒng)的運動是一種同步運動，稱為主振型,，系統(tǒng)做主振型時所具有的振動形態(tài)稱為模態(tài),。機構(gòu)的動力學(xué)問題都是以模態(tài)理論為基礎(chǔ)的。

（2）模態(tài)分析工具,。Pro/ENGINEER軟件是廣泛應(yīng)用于3D建模的軟件,。其文件格式被多個有限元軟件所采用。Pro/MECHANICA是該軟件公司針對機械有限元推出了軟件,，可以方便對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,。可以采用Pro/ENGINEER建立了夾具箱體的三維模型,，利用Pro/ MECHANICA對夾具箱體的模態(tài)進(jìn)行分析,，其精度符合工程要求，并且避免了有限元軟件因模型格式問題導(dǎo)致的不兼容問題,。

（3）夾具箱體模態(tài)分析過程,。利用Pro/MECHANICA軟件對夾具箱體的固有頻率進(jìn)行有限元法的分析，其流程如下,。

幾何模型簡化,。夾具箱體外部設(shè)有倒了圓角的加強筋以增加剛度；為避免應(yīng)力集中夾具箱體尖角及各邊都進(jìn)行了倒角處理。在建立夾具箱體有限元模型時,，對于應(yīng)力低的區(qū)域盡量去掉倒（圓）角,，以避免因網(wǎng)格剖分產(chǎn)生畸形網(wǎng)格，影響計算精度,。

定義材料屬性和約束,。文章設(shè)計的夾具箱體材料為HT200。夾具箱體固定是通過螺栓與底座固定,。在有限元模型中,，通過約束螺栓與固定位置相對應(yīng)的節(jié)點各個自由度來建立模型的約束。

網(wǎng)格劃分,。采用Pro/MECHANICA軟件中自帶的AUTOGEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分,，網(wǎng)格剖分圖如圖1所示。

夾具箱體模態(tài)分析結(jié)果,。夾具箱動力學(xué)分析的重點是低階固有振型頻率。通過分析得到了前10階固有頻率分別為180Hz,、213Hz,、273Hz、287Hz,、299Hz,、331Hz、344Hz,、405Hz,、427Hz、447Hz,，前4階固有振型圖如圖2所示,。

圖2 前4階振型圖

2 床身的設(shè)計

焊接床身與鑄造床身相比具有如下優(yōu)點：①制造成本低，省去了模具費用,，且避免了鑄造缺陷等問題,；②提高了床身的固有頻率；③實現(xiàn)封閉的床身結(jié)構(gòu),；④可以通過增加筋板來實現(xiàn)小質(zhì)量大剛度的要求,。

2.1 床身的厚度的選擇

機床采用封閉截面式焊接床身，附以筋板提高剛度,，其壁板的厚度可根據(jù)當(dāng)量尺寸C來選擇,，當(dāng)量尺寸C（m）由下式確定：

其中，L,、B,、H分別為床身的長、寬、高（m）,，當(dāng)量尺寸表1所示,。查的表得到最小厚度為16mm，通常情況下還要考慮受力和焊接工藝的要求適當(dāng)調(diào)整厚度,。

表1 當(dāng)量尺寸與壁厚對應(yīng)表

項目 參數(shù)當(dāng)量尺寸 1 1.5 1.8 2.0 2.5最小壁厚 10 12 14 16 18

2.2 床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計

斜床身具有排屑方便,，避免了切屑堆積在導(dǎo)軌上導(dǎo)致的床身受熱而產(chǎn)生變形；在分布上方便安裝自動排屑裝置,。床身設(shè)計成斜45°的封閉箱形,，在設(shè)計時要具有一定的抗彎和抗拉強度：筋板形式為正方和V字混合型；床身焊接完成后必須進(jìn)行退火處理,，以達(dá)到消除內(nèi)應(yīng)力的目的,。退火處理后才可加工安裝導(dǎo)軌的表面。

機床支撐件必須對剛度進(jìn)行計算并要符合相應(yīng)的要去,，它由組成機床的各個零部件的剛度組合決定的,，并對各個大零部件的變形量來控制。文章主要采用Pro/MECHANICA對床身的剛度進(jìn)行有限元分析,。床身的有限元模型和網(wǎng)格劃分如圖3所示,。

考慮切削力和部件的重力，導(dǎo)軌受到的壓強為400kPa,。工作臺與導(dǎo)軌是通過4個滑塊連接,，并通過Pro/MECHANICA設(shè)置4個曲面來模擬滑塊的實際情況，并加以分析,。如圖4所示,，床身分析結(jié)果可以得出Y方向和Z方向的最大變形量。通過控制機床的系統(tǒng)變形來控制機床的剛度,，因此滿足變形許用值即滿足剛度的要求,。

圖3 斜床身與有限元模型

圖4 床身的彎曲變形

3 結(jié)束語

文章主要對機床支撐結(jié)構(gòu)中的夾具箱體和床身部分進(jìn)行了分析。采用有限元法得出了夾具箱體得前10階固有頻率并給出前4階振型圖,，分析結(jié)果滿足設(shè)計的冗余要求,；通過對機床床身進(jìn)行了靜力分析確認(rèn)了床身的剛度滿足要求。

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中圖分類號：TS642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-2789（2017）02-0199-02