床身作为数控磨床的主要支撑件, 它支撑着工件, 连接着工作台、立柱等关键零部件, 承受着重力、摩擦力等静态力和动态力, 若结构设计不合理, 会导致床身的刚度不足, 产生各种变形、振动, 直接影响着数控磨床的加工精度、精度稳定性、工作效率和寿命等等。
本文从实际出发, 将某数控磨床的床身设计成具有筋板的框形结构, 合理的选择筋板的布局形式不但可以提高床身的动态特性, 而且可以节约材料和降低生产成本。
1 床身的建模与分析
1.1 数控磨床简介
该数控磨床是一种五轴数控磨床, 包括X、Y、Z三个进给轴、砂轮主轴和工件主轴, 砂轮最大磨削速度为40m/s。该数控磨床由床身、X、Y、Z三个方向的工作台、砂轮主轴箱和工件主轴箱等部件组成, 运动部件总重量约1.8t。
1.2 床身的实体建模及简化
首先根据该数控磨床的总体方案, 应用Pro/E软件建立床身的三维实体模型, 然后将床身模型导入到ANSYS软件中, 并利用ANSYS强大的有限元前处理功能对床身进行有限元模型的建立。在建模时应该注意, 为减少计算量, 提高计算速度, 须对模型进行一系列的简化, 例如:去掉外部挡板;去掉安装定位用的螺钉、螺栓孔;去掉结构中的倒角、小台阶和某些小孔, 这些结构对实际的分析影响很小。预设置的床身材料为铸铁HT150, 密度为7.2×10-9kg/mm3, 泊松比为0.27, 弹性模量为1.55×105MPa。
1.3 床身内部筋板的布局分析
该数控磨床在工作时, 主要受到水平方向的径向磨削力和垂直方向的主磨削力以及运动部件自重的作用, 使数控磨床床身在水平面和垂直面内发生弯曲, 以及在这些分力联合作用下的扭转。因此, 为了提高数控磨床床身的抗弯和抗扭刚度, 我们在设计数控磨床床身截面时, 应合理布局床身内部筋板的结构形式, 并且在满足使用、工艺的前提下, 应采用空心截面。
经过分析, 床身内部筋板的布局形式呈网格分布, 主要分垂直导轨和平行导轨两个方向。在垂直导轨方向上, 所有筋板均匀分布, 共6条筋板。在平行导轨方向上, 有两种情况:一是所有筋板均匀分布, 其分布截面图如图1 (1) 所示, 共4条筋板;一是筋板设置在导轨下, 其余筋板均匀分布, 其分布截面图如图1 (2) 所示, 共5条筋板。
1.4 床身的受力分析
数控磨床床身的受力分析对数控磨床的性能是至关重要的, 磨床其它部件受力的大小是随床身受力变化而变化的。取该数控磨床常用加工状态 (磨削工件材料:高速钢, 切削液:乳化液, 磨削线速度:30m/s) 下的主磨削力以及运动部件自重作为床身有限元分析的载荷F, 即F=主磨削力 (1167N) +运动部件自重 (18000N) =19167N。将载荷F平均分配到床身导轨的各滑块上, 分析滑块分别位于前、中、后不同工作位置时床身的变形量, 并且以最大变形最小为确定要素来设计床身, 最终确定床身的设计方案。
经过分析, 在垂直导轨方向上, 所有筋板均匀分布, 床身的受力均匀, 变形最小。在平行导轨方向上, 我们将筋板设置在导轨下, 支撑点位于筋板下方, 滑块分别位于前、中、后3点的床身受力分析结果和筋板均布, 支撑点位于筋板下方, 滑块分别位于前、中、后3点的床身受力分析结果进行了比较, 为了更清晰的表达最大变形何时最小, 现特将这两种筋板布局型式下床身的最大变形量列表说明, 如表1所示。
由表1可以看出, 当筋板不同布局时, 床身的最大变形量只相差0.001213mm (也就是约1) , 变形量相差极小, 考虑到床身是铸造成型的, 从铸造工艺性角度看, 当所有筋板均匀分布时, 铸造结构简单, 生产成本低, 加工效率高, 因此, 我们选择在平行导轨方向上和垂直导轨方向上, 所有筋板都均布来作为该数控磨床床身的设计方案。
2 结语
本文通过对某数控磨床床身进行三维实体建模和有限元分析建模, 分析了其床身筋板的不同布局型式, 并对其进行受力分析。经过分析, 在垂直筋板方向上, 所有筋板均匀分布受力变形最小;在平行筋板方向上, 所有筋板均匀分布和筋板设置在导轨下两种情况的受力变形相差不大, 综合考虑床身的铸造工艺性, 在两者受力变形相差不大的情况下, 我们选择在垂直筋板方向上和平行筋板方向上, 所有筋板都均匀分布来设计数控磨床床身, 这对数控磨床床身的加工制造提供了非常重要的现实意义。
摘要：本文通过建立某数控磨床床身的三维实体模型和有限元分析模型, 对筋板不同布局型式下的床身进行受力分析, 最终以最大变形最小为影响要素确定了合理的数控磨床床身设计方案, 这对数控磨床床身的加工制造提供了非常重要的现实意义。
关键词：数控磨床床身,建模,筋板布局,受力分析
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