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加工中心立柱的靜力分析
閱讀：88 發(fā)布時間：2020-8-12 2加工中心立柱的靜動態(tài)特性分析
機床的結(jié)構(gòu)性能是保證機床具有一定的加工精度穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，一臺機床的基礎(chǔ)結(jié) 構(gòu)性能的好壞直接關(guān)系到其終的加工精度、加工精度穩(wěn)定性和切削效率等。為了提高 其結(jié)構(gòu)性能，除了合理配置機床的部件型式外，首先要求在設(shè)計上要保證其結(jié)構(gòu)有良好 的靜動特性性能。當(dāng)臥式加工中心處于工作狀態(tài)時，會產(chǎn)生各種變載荷，導(dǎo)致機床產(chǎn)生 振動進而影響機床的精度和穩(wěn)定性，這里首先對其靜動態(tài)特性做相關(guān)分析。
立柱床身和主軸箱，處于加工中心的中間位置，對其質(zhì)量、抗振性能和剛度等 結(jié)構(gòu)性能要求較高。故本章主要以立柱為研究對象，對其進行靜動態(tài)性能分析。對于加 工中心的其他部件如床身、主軸箱等，也可利用此節(jié)所述思路來分析和優(yōu)化，這里不再 贅述。
2.1加工中心立柱的靜力分析
該臥式加工中心的立柱釆用整體鑄造的形式，其在X方向的快速移動速度為 36m/min，豎直之后高1900mm、長890mm、寬794mm、頂板厚110mm、底板厚120mm， 左右側(cè)壁厚度為155mm，重量為1400kg。
分析立柱與其他主要部件的關(guān)系，主軸箱通過四個滑塊和直線導(dǎo)軌正掛在立柱之 上，并通過滾軸絲杠傳遞的動力沿直線導(dǎo)軌在Y向作上下運動。床身上也有兩條直線導(dǎo) 軌，立柱底面通過導(dǎo)軌上的滑塊與床身連接，可沿X軸方向左右移動。虛擬裝配圖和實 際裝配圖分別如圖2.2-a與2.2-b所示。 -
結(jié)構(gòu)的靜力分析是指作用在結(jié)構(gòu)上載荷是固定不變的，在這種情況下，進而計算結(jié) 構(gòu)所受到的應(yīng)力和產(chǎn)生的變形。當(dāng)然，一個結(jié)構(gòu)只有在非常理想的情況下才會受到固定 不變的載荷，這里將隨時間變化很緩慢的載荷也看作是固定載荷。這樣，在進行靜力分 析時，除了約束載荷和重力載荷外，只需施加靜力固定載荷
2.1.1加工中心的受力分析
加工中心的刀具通過對所加工的工件施加切削力進行切削過程，然后工件會對刀具 產(chǎn)生反作用力，刀具所受到的力通過刀柄、主軸和主軸箱（包括導(dǎo)軌上的四個滑塊）傳 遞到立柱上。為了更好的模擬立柱的受力變形，工件對立柱的作用力應(yīng)該利用力的等效 原則將力傳遞到立柱導(dǎo)軌上。根據(jù)高速臥式加工中心的受力特點，對其在鉆孔和銑削兩 種工況時的受力情況分別進行了分析。
對該工序加工內(nèi)容進行分析可知，該工序主要完成缸體的銑面和鉆孔工作（圖2.3)， 銑刀和鉆刀均為硬質(zhì)合金刀具。這里利用切削力的功率估算方法對一把直徑45mm,轉(zhuǎn) 速400 r/min的銑刀進行銑削力計算。對于電主軸來說，其大功率為30Kw,由于沒有 齒輪傳動功率耗散比較少，故令傳動效率為0.98,則可得出實際切削效率為：
pc = TJPE = 0.98x30 = 29AKw(2-1)
已知刀具直徑和轉(zhuǎn)速，進而得到切向切削力也即主切削力：
分析可知，當(dāng)主軸箱位于立柱導(dǎo)軌行程的不同位置時，切削力的杠桿率也不同，會 導(dǎo)致立柱的變形量產(chǎn)生變化。這里取其在實際加工過程中（圖2.的工作位置， 即下滑塊底面距離導(dǎo)軌地面600mm。
2.1.2加工中心的靜力分析
首先利用CAD建模軟件Pro/E對立柱結(jié)構(gòu)進行三維建模，由于模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜， 將對立柱性能分析影響較小的一些特征如小倒圓角、螺紋孔、小凸臺等省略去，這能夠 避免接下來的有限元網(wǎng)格劃分過程中出現(xiàn)錯誤，且節(jié)省計算時間。
三維模型建完導(dǎo)入ANSYS分析軟件中，對立柱進行材料屬性定義（表2.1):
表2.1各部件的主要材料屬性 Tab.2.1Material properties of the parts
| 部件 | 材料 | 彈性模量(N/m2) | 泊松比 | 質(zhì)量密度(kg/m3) |
| 立柱 | HT250 | 1.38E+11 | 0.156 | 7.28E+03 |
| 主軸箱 | HT300 | 1.57E+11 | 0.270 | 7.25E+03 |
| 主軸 | 軸承鋼 | 3.8E+11 | 0300 | 7.82E+03 |
之后對結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分。主軸箱與立柱的接觸類型定義為bounded,對主軸施加 上小節(jié)計算出的切削力，對立柱與底座（床身）連接處的滑塊位置以及與滾珠絲杠連接 處施加約束。