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机床床身结构的综合分析与优化
身作为机床主要结构件,在工作过程中承受多种静载、动载作用;并通过地脚装置与厂房基础相连接。受力状况复杂,对刚性及动态特性要求高。因此,在设计过程中,对床身部件进行结构及动态特性分析是必要的。
这里从静力结构及模态两方面入手,借助ANSYS有限元分析软件对床身部件的静刚度、固有频率及振型等参数进行分析计算。并进一步讨论筋腔形式、尺寸、铸件壁厚及清砂孔尺寸等典型铸件特征参数对床身特性的影响。最终确定床身结构布局。 
床身建模及静力学分析 
机床工作过程中,床身及工作台的自重、被切削工件的质量产生的作用力,由于方向恒定,大小基本不变,可以视作静载荷。静力学分析的目的是考量指标床身在特定载荷约束条件下的最大变形量。变形量直接反应床身静刚度大小。 
对床身静刚度影响最大的因素是床身铸件内部筋腔布局,包括筋腔尺寸及筋腔形式两方面。对于龙门机床来说,常用的筋腔形式有方格筋、米字筋及蜂窝筋等 。 
根据已有设计经验,在筋腔尺寸相同的前提下,蜂窝筋及米字筋布局的床身静刚度要优于方格筋。但是,相同尺寸下,米字筋及蜂窝筋布局的床身质量也明显高于方格筋床身,铸件成本随之显著增加。因此,单纯以筋腔尺寸作为限制条件来衡量不同形式筋腔布局的刚性优劣是不客观的。本文中采用以床身铸件总质量作为限制条件,分别采用三种筋腔布局方案设计了三种床身,在材质、载荷和约束均相同的条件下先比较三种床身的静刚度。 
(1)需求分析及建模。选取GMC2040r2型五面式龙门加工中心的床身作为分析对象。该型号机床属于中重型数控机床,应用广泛。床身部件设计总长8 460mm,上表面布置四条直线导轨用以承载工作台及被加工工件质量。工作台设计质量7t,设计最大承载工件质量20t。同时规定:床身质量不超过11t,材质为HT300。分别采用方格筋、米字筋及蜂窝筋三种方案设计铸件内部结构,并对螺纹孔、倒角圆角等细微特征进行适当简化后,得到三组床身模型,外形及内部结构 。 
其中,(b)为方格筋布局,床身模型评估质量10.67t;(c)为米字筋布局,床身模型评估质量10.86t;(d)蜂窝筋布局,床身模型评估质量10.80t。三种模型质量偏差1.78%,且均不超过11t质量限制
三种床身模型均按照以下规则施加载荷及边界条件:加工工件最大质量及工作台质量之和为27t,作用在四条直线导轨与滑块接触位置。按照滑块尺寸切分导轨面,将27t总质量转化为均布载荷(Pressure)施加在导轨作用面上。经过计算,均布载荷大小为3MPa;由于在机床使用过程中,工作台停留在床身中部区间的时间占比最长,因此均布载荷按照线轨滑块布局尺寸施加在床身中部位置。并在床身上施加标准重力载荷(Standard Earth Gravity)。在地脚孔位置施加完全固定约束(FixedSupport),床身与立柱联接界面上施加无摩擦支撑约束(Frictionless Support)。
②后处理及结果分析。机床中的力学问题绝大多数都可以归结为刚度问题。因此对三种模型的分析结果采用床身总变形量(Total Deformation)作为衡量指标。经求解器计算后,得到三种床身的总变形量云图 。 
其中,(a)、(b)和(c)分别对应方格筋、米字筋及蜂窝筋布局的床身。三者最大变形量分别为6.95×10-5m、9.06×10-5m和6.26×10-5m,方格筋和蜂窝筋占优;同时,观察图中大变形区域面积,可以发现方格筋布局床身的大变形区域明显多于米字筋及蜂窝筋床身。可见,在质量限制相同的前提下,考虑床身的静刚度,蜂窝筋是最优布局方案。因此后续床身的动态特性分析针对蜂窝筋布局方案展开。 
(2)静力学分析。静力学分析借助ANSYS Workbench有限元分析软件进行。作为一款多物理场分析软件,ANSYS Workbench提供了完善的CAD软件接口,支持目前绝大多数3D设计软件数据的无缝导入及实时更新。配合模块化组态功能及数据共享功能,使得设计人员能够轻松搭建一套完善的CAD/CAE设计平台。实现产品设计(Design)+分析(Analysis)+修改(Correction)这一迭代流程。在工程实际应用中具有显著意义。 
 
 
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