0前言
龍門五軸加工中心可以通過五軸控制實現對任意 方向孔及復雜型面進行加工,能滿足加工范圍大能力 強的需求,廣泛應用于航空航天、模具、汽車等需要 高精度加工的領域。而保證機床結構有良好的動靜態 特性是獲得高精度加工的前提基礎1。從已有的研究 來看,史科科等2對某型臥式機床進行了動靜態特性 分析;周新建等3是對立式加工中心進行的整機動靜 態特性分析;李焱等人[1]分析了龍門加工中的靜剛度 并對結構進行優化。本文作者以某型龍門五軸加工中 心整機為研究對象,運用有限元技術分析其動靜態特 性并找出其薄弱部位一橫梁;改進其結構后并通過 實驗驗證了改進設計的有效性。
1整機靜態特性分析
1.1靜力學分析
國產的某型龍門五軸加工中心由床身、立柱、橫 梁、主軸箱、工作臺和雙擺頭等部件組成,如圖1所 示。由于龍門加工中心幾何結構復雜,在建立有限元 模型時,不可能考慮所有細微復雜的幾何因素,因此 只考慮一些起主導作用的因素來建立整機的簡化模 型。采用Pro/E軟件先將各部件建立三維實體模型并 裝配得到整機模型,導入ANSYS的Workbench應用 平臺,設置機床的材料屬性。其中立柱的材料為 HT250,彈性模量為1. 2 x105 MPa,密度為7 210 kg/ m3,泊松比0.22;橫梁等其他大件用Q235A,彈性 模量為2. 1 x 105 MPa,密度為7 860 kg/m3,泊松比 0.3。進行網格劃分時,采用SOLID 45單元對實體進 行網格劃分,由于結合部的剛度特性對整機的靜剛度 有重大影響,因此采用用戶自定義單元來模擬結合 部。機床結合部包括直線電機初級-次級、直線滾動 導軌滑塊-軌道、滾珠絲杠絲母-絲杠和螺栓。用戶 自定義單元用空間任意兩個節點來定義,每個節點有 6個自由度個自定義單元中有兩個節點就有12 個自由度,就需要用12 x 12階的矩陣來完全定義該 單元的剛度、阻尼或質量信息0。用戶自定義單元的 實常數需要給一個12x12的矩陣中的元素分別賦值,
靜剛度作為衡量機床性能優劣的重要指標,對于 龍門加工中心來說,它自身的重力對機床的變形和加 工精度有著重要的影響6。計算機床在重力作用下的 變形情況,結果如圖3所示。工件上的最大變形為 0. 039 mm,主軸上端面的變形為0. 197 mm。
在整機有限元模型中,按照實際工況設置邊界約 束條件,將床身地腳孔內圓柱面作為固定約束。分別 在主軸端面和工件的對應面上施加x、y、z三個方 向,大小為5 000 N的力。以x向靜剛度為例,得到 的整機的變形情況如圖4, 3個方向的靜剛度對比結 果見表1。由表1可知,機床在y方向上變形量最大, 剛度最小。
1.3查找整機薄弱環節
為找出機床的薄弱部件,根據文獻7],利用 數控機床串聯剛場理論,結合其串聯剛度圖譜分析出 各部件變形占整機位移量的比例見圖5。由于整機是 —個機床一刀具一工件組成的串聯系統,系統剛性低于整機中剛性最低的部件。由圖5分析各部件對系統 剛性的影響,找出薄弱環節,進而提高整機剛度。由 圖5可知,橫梁在y方向上變形量較大,占到整體工 藝變形比率高達40%以上,導致y向剛度相對較低。 分析其原因可能為:橫梁的剛度不足;立柱繞y軸抗 彎剛度不足;主軸箱系統的剛度較低。
2動態特性分析
模態分析作為研究結構動力分析的基礎,解決 了結構動力分析中的一個重要問題即進行結構的固 有振動特性分析8。通過模態分析計算出結構的固 有振動特性后,可以為系統的振動故障診斷、預報 以及結構動力特性的優化設計提供依據。對機床底 部進行全約束,采用空間迭代法9提取模態,限于 篇幅,得到整機的前2階模態振型如圖6所示。前 四階模態及振型描述如表2。低階模態是影響機床 動態特性的主要因素M,由整機的前4階模態振型 可知,機床振動主要集中在立柱和橫梁上,與靜力 學分析相結合,說明橫梁是機床的薄弱環節,需要 進一步優化其結構。
3 基于原結構的改進設計
由前面的分析可知,橫梁在y向的剛度不足,由 于其剛度是連續變化的,而橫梁中間沒有支撐點,其 柔度較大。為增加其在y向的抗彎剛度,考慮到需要 在原有橫梁的基礎上進行改進結構,因此提出3種改 進方案以便于進一步進行分析。原有橫梁結構沒有外 部任何突出部分,而3種方案如圖7。
對改進后3種結構各部件進行有限元分析,得到 各部件在y向占整機變形量的比值如圖8??砂l現橫 梁在整體系統中的變形比例已大大降低,各部件的變 形比例也愈發合理。其中改進結構3各部件變形量的 比例最為合理。因此以結構3有限元分析為基礎,進 行實際的結構改進。
圖8結構改進前后各部件變形在系統變形的比例 對改進后整機進行動靜態特性分析,以改進 結構3為例,得到改進前后結構對比見表3。由此 看出,機床在x, y,z向靜剛度均有所增強,尤其 在原來薄弱的y向,增大了 24. 3%,而且其低階 頻率均有所提高,其一階頻率提高了 18. 8%。說 明改進結構后整機的動靜態特性均取得了較好的 效果。
4實驗測試結果與分析
為測量改進后橫梁結構實際變形量,與有限元分 析結果進行對比,進行了橫梁變形量的測量實驗,測 量現場如圖9。按照實際裝配情況將橫梁置于立柱 上,以工作臺水平為基準,將千分表放置于滑枕下, 以橫梁右端為起始點,得到結構改變前后y向位移變 化8]如圖10。從圖10發現,改進后結構與原始結構 相比,在y向的位移明顯下降,說明橫梁在y向變形 量減小,剛度增加。而且實驗測試結果與有限元分析 結果也基本相符。
5.結論
通過引用用戶自定義單元模擬加工中心的結合部,建立了龍門五軸加工中心的有限元模型后對其3 個方向的靜剛度進行比較,發現其y向剛度薄弱。通 過對加工中心進行模態分析,與靜力學分析相結合找 到整機的薄弱部位一橫梁。在不改變原有橫梁的基 礎上,通過增加外部結構的方式對原有橫梁進行改進 設計并提出3種方案。通過比較發現結構3最為合 理。將改進后結構與原有結構通過有限元計算和實際 實驗測量的方式進行對比,發現計算結果和測量結果 基本吻合。通過改進橫梁結構,實現了提高整機動靜 態特性的目的。 ?原有橫梁結構沒有外 部任何突出部分,而3種方案如圖7。
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