機床商務網(wǎng)技術文章
基于ANSYS的加工中心立柱結構設計及性能分析
閱讀：94 發(fā)布時間：2020-8-12〇引言
立柱是加工中心的重要部件之_，其結構的靜、動 態(tài)特性對機床的整體性能起著舉足輕重的作用，其強 度、剛度及穩(wěn)定性將直接影響到機床的加工精度、加工 效率、抗振性及壽命[1 ]。通過大量實踐探索和實驗模 擬，本文以4種不同立柱內(nèi)部筋板形式為研究對象，利 用ANSYS軟件對立柱進行靜力學分析和模態(tài)分析， 研究對比4種筋板對立柱的靜、動態(tài)性能的影響，后通 過數(shù)據(jù)比照給出了內(nèi)部筋板的結構形式[2-3]。
1立柱的有限元模型 1.1 建立三維CAD模型
通過UG NX8. 0建立的某五軸聯(lián)動加工中心立 柱模型如圖1所示。模型的外形為方形，長946 mm， 寬850 mm,高2 235 mm,壁厚15 mm。為增加立柱的 剛性，在立柱內(nèi)部布滿了筋板，筋板厚度為30mm，4 種不同形式的筋板結構如圖2所示。立柱內(nèi)部筋板排 列不一樣，會造成其性能存在一定的偏差，重量、制造 成本及鑄造難度也不一樣。對此設計人員應綜合考慮 各種情況，確定實際可行并且有利于運輸及成本低 的結構方案。
1.2模型的簡化
本文對立柱進行靜力和模態(tài)分析，以得到其剛度、 強度和固有頻率的變化趨勢。有限元模型的好壞將直 接影響到分析結果的準確度和計算效率，由于立柱是 _個鑄造件，具有結構復雜、體積龐大的特點，要對它 建立精確的有限元模型是很不容易的，因此為減少計 算的工作量，應對立柱模型進行必要的簡化。根據(jù)圣
維南原理，對模型中的倒角、退刀槽、凸臺、螺紋孔等進 行刪除或簡化[4]，其目的是為了避免在位置狹小的局 部生成大量的網(wǎng)格單元，防止計算量過大和解算時間 過長，以影響分析結果的準確性和拖慢有限元分析的 效率。
1.3材料定義與網(wǎng)格劃分
給模型賦予材料屬性是有限元分析的第_個步 驟。不同的部件其材料不一樣，承受載荷大小也不_ 樣，故材料屬性就不一樣。因灰鑄鐵HT250各向同 性、金相組織分布均勻、抗拉強度高，因此很適合作為 加工中心立柱的材料使用。灰鑄鐵HT250的彈性模 量為1. 1X10uPa，泊松比為0. 28,密度為7 200 kg/m3。立柱的整體構造比較復雜，利用自適應網(wǎng)格劃分 方法對其進行網(wǎng)格劃分[5]，如圖3所示。4種立柱結構 有限元模型的節(jié)點總數(shù)和單元總數(shù)見表1。
表1 4種立柱筋板形式有限元模型節(jié)點總數(shù)和單元總數(shù)
|
筋板形式 |
節(jié)點總數(shù) |
單元總數(shù) |
|
A |
54 055 |
29 191 |
|
B |
47 569 |
25 602 |
|
C |
56 581 |
32 124 |
|
D |
45 796 |
23 055 |
1.4施加載荷及約束
立柱底部安裝滑塊與床身上的導軌接觸，因此對 立柱與床身接觸部位施加固定約束，固定住其6個自 由度。工作時立柱承受復雜的空間載荷，主要包括其 自重、主軸箱、拖板及銑頭等配置的重量以及切削力對 立柱的作用，將立柱所受的各載荷轉(zhuǎn)換成集中載荷施 加在立柱上表面。
2靜力結構分析
靜力結構分析是指對其強度和剛度的分析，即對 應力和位移變形的分析。通過靜力結構分析，設計人 員可以根據(jù)立柱在受力過程中的變形趨勢，為立柱的 后續(xù)優(yōu)化設計提供重要理論依據(jù)[6]。
立柱靜剛度是衡量機床整體性能好壞的一個重要 指標，它因立柱的材料、尺寸大小、筋板的布置形式等 因素而不同。為使加工中心在加工零件時因切削力而 引起的機床變形以及因立柱的抗振性而引起的刀具變 形達到小值，就要求立柱的靜態(tài)剛度足夠高m。通 過靜態(tài)分析得出的4種立柱筋板結構的位移量、合應 力及質(zhì)量對比如表2所示。
表2 4種立柱筋板結構位移量、合應力及質(zhì)量對比
|
筋板形式 |
位移量（pm) |
合應力（MPa) |
質(zhì)量（kg) |
|
A |
10. 036 |
1. 116 7 |
2 137.4 |
|
B |
11. 235 |
1. 214 |
1 962.7 |
|
C |
18. 258 |
2. 566 |
2 544. 9 |
|
D |
15.154 |
1. 657 |
2 391 8 |
單從靜態(tài)分析所表現(xiàn)出的數(shù)據(jù)上可以看出蜂窩形 的筋板形式（結構A)是這4種結構中的：其大 位移量只有10.036 ^m，主要發(fā)生在立柱頂部區(qū)域，其 大應力為1. 116 7 MPa，主要發(fā)生在導軌頂部區(qū)域， 這些區(qū)域較其他區(qū)域容易鐵的許用應力240 MPa。具有蜂窩形筋析的立柱的位 移云圖和應力云圖如圖4、圖5所示。
3模態(tài)分析
通過模態(tài)分析能夠知道結構的固有頻率及振型， 這可以對結構提供優(yōu)化指導以便提高加工質(zhì)量和效 率。_般來說，固有頻率有無限多個模態(tài)，但真正有實 際意義的只有低階模態(tài)，而高階模態(tài)在振動中起的作 用很小[8]。在對立柱進行模態(tài)分析之前要對模型進行 網(wǎng)格劃分，劃分方法與靜態(tài)結構分析是_樣的。不加 載荷時4種筋板結構的立柱在自由狀態(tài)下的前6階頻 率及振型見表3。對比發(fā)現(xiàn)：具有蜂窩形筋板的立柱 的動態(tài)性能，其1階頻率只有36. 309 Hz，是4種 筋板結構中1階頻率小的，說明蜂窩型筋板結構 適合此立柱結構設計。具有蜂窩形筋析的立柱的前6 階振型圖如圖6所示。
表3 4種立柱結構的前6階頻率及振型 Hz
|
階數(shù) |
筋板形式 |
振型描述 | |||
|
結構A |
結構B |
結構C |
結構D | ||
|
1 |
36. 309 |
85.267 |
52.312 |
75.243 |
繞Z軸扭彎 |
|
2 |
107.85 |
149. 32 |
109. 25 |
124. 35 |
繞Y軸扭彎 |
(1) 應用ANSYS Workbench對具有4種不同形 狀筋板的立柱結構進行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，得到其 相對應的位移、應力以及前6階固有頻率。
(2) 立柱的大位移主要發(fā)生在其頂部區(qū)域； 大應力主要發(fā)生在導軌頂部區(qū)域，4種立柱的大應 力都遠小于灰鑄鐵抗拉強度240 MPa，設計*要求。
(3) A結構的剛度，B結構其次；A結構的低 階模態(tài)頻率低，C結構其次。
(4) 綜合考慮立柱筋板的鑄造成本、復雜程度以綜合考慮立柱筋板的鑄造成本、復雜程度以 =2>所示。
本文由伯特利數(shù)控整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡僅供學習參考，轉(zhuǎn)載請注明！