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加工中心支撐大件的設計及分析

伯特利數控 加工中心 鉆攻中心

前言：

1 夾具箱體的設計與分析

夾具箱體是高精度加工中心重要的支撐部件，夾具箱的動態性能對加工中心加工精度的影響不亞于主軸箱。文章通過利用Pro/MECHANICA軟件的有限元分析功能，對夾具箱體的設計原型進行模態分析，并通過對夾具箱體結構的結果分析并對原型進行改進和優化，進而實現了夾具箱體最優設計。

1.1夾具箱體的設計與分析

設計的夾具箱體的外形尺寸、厚度尺寸等均按照設計規范以及《機械設計手冊》中的相關要求進行設計。為了避免夾具箱體剛度不夠，依據經驗在薄弱區域增設加強筋板。在完成原型設計后，利用三維建模軟件_Pro/ENGINEER建立夾具箱體的初始化模型，并利用p_r0/MECHANICA進行有限兀分析。模型如圖1所示。

1.2夬具箱體的模態分析

〔1)模態分析理論。加工中心中很多部件都需要進行模態分析。夾具箱也需要通過模態分析來確認設計方案的可行性。一個具有n自由度的系統在任一瞬間的運動的形態要用n個獨立的廣義坐標系來描述，對于n自由度的無阻尼系統而言，它具有n階固有頻率。當系統按任意一個固有頻率作自由振動時，系統的運動是一種同步運動，稱為主振型，系統做主振型時所具有的振動形態稱為模態。機構的動力學問題都是以模態理論為基礎的。

(1) 模態分析工具。Pro/ENGINEER軟件是廣泛應用于3D建模的軟件。其文件格式被多個有限元軟件所采用。Pro/MECHANICA是該軟件公司針對機械有限元推出了軟件，可以方便對結構進行分析?？梢圆捎?/span>Pro/ENGINEER建立了夾具箱體的三維模型，利用Pro/MECHANICA對夾具箱體的模態進行分析，其精度符合工程要求，并且避免了有限元軟件因模型格式問題導致的不兼容問題。

(2) 夾具箱體模態分析過程。利用Pro/MECHANICA軟件對夾具箱體的固有頻率進行有限元法的分析，其流程如下。

幾何模型簡化。夾具箱體外部設有倒了圓角的加強筋以增加剛度；為避免應力集中夾具箱體尖角及各邊都進行了倒角處理。在建立夾具箱體有限元模型時，對于應力低的區域盡量去掉倒（圓）角，以避免因網格剖分產生畸形網格，影響計算精度。

定義材料屬性和約束。文章設計的夾具箱體材料為HT200。夾具箱體固定是通過螺栓與底座固定。在有限元模型中，通過約束螺栓與固定位置相對應的節點各個自由度來建立模型的約束。

網格劃分。采用Pro/MECHANICA軟件中自帶的AUT0GEM進行網格劃分，網格剖分圖如圖1所示。

夾具箱體模態分析結果。夾具箱動力學分析的重點是低階固有振型頻率。通過分析得到了前10階固有頻率分別為 180Hz、213Hz、273Hz、287Hz、299Hz、331Hz、344Hz、405Hz、427Hz、447Hz,前4階固有振型圖如圖2所示。

2 床身的設計

焊接床身與鑄造床身相比具有如下優點：①制造成本低，省去了模具費用，且避免了鑄造缺陷等問題；②提高了床身的固有頻率；③實現封閉的床身結構；④可以通過增加筋板來實現小質量大剛度的要求。

2.1床身的厚度的選擇

加工中心采用封閉截面式焊接床身，附以筋板提高剛度，其壁板的厚度可根據當量尺寸C來選擇，當量尺寸C Cm)由下式確定：

C= C2L+B+H) /3 ⑴

其中，L、B、H分別為床身的長、寬、尚（m)，當量尺寸表1所示。查的表得到最小厚度為16mm，通常情況下還要考慮受力和焊接工藝的要求適當調整厚度。

表1當量尺寸與壁厚對應表

項目			參數
當量尺寸	1	1.5	1.8	2. 0	2.5
最小壁厚	10	12	14	16	18

2.2.床身的結構設計

斜床身具有排屑方便，避免了切屑堆積在導軌上f致的床身受熱而產生變形；在分布上方便安裝自動排肩裝置。床身設計成斜45°的封閉箱形，在設計時要具有一

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結束語：

文章主要對加工中心支撐結構中的夾具箱體和床身部分進行了分析。采用有限元法得出了夾具箱體得前10階固有頻率并給出前4階振型圖.分析結果滿足設計的冗余耍求；通過對加工中心床身進行了靜力分析確認了床身的剛度滿足耍求。

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