基于有限元的重型落地铣镗床身结构分析

2013-08-14王莘澳

机械工程师 2013年5期

王莘澳

（齐齐哈尔二机床集团有限责任公司设计院，黑龙江齐齐哈尔 161005）

1 引言

床身是重型落地铣镗床基础部件，承载着整机全部重量，因此静态特性显得尤为重要，要求其具有高强度、高刚度、高抗震性。镗轴直径为160mm的数控落地铣镗床一般总吨位为70t 左右，床身为箱体筋板结构，内部筋板布置形式，筋板形状及落沙孔形状对床身静态特性影响巨大，合理选择筋板布置形式及尺寸，不仅可以提高刚度，也可以节约材料，降低成本。

2 床身有限元模型建立

图1 床身截面图

床身长5300mm，高500mm，宽1700mm，导轨宽度为350mm，内部筋板结构为中间腰型孔型结构，如图1 所示。应用Inventor 建立床身3D 模型，由Inventor 输出转换文件，导入ANSYS Workench中的静态分析模型中，设置床身材料为HT300，杨氏模量为1.2×105MPa，密度为7210kg/m3，泊松比为0.22，采用整体智能网格划分方法，床身导轨为主要承载面，导轨局部网格细化，网格晶体单元设置为六面体，如图2 所示。

图2 床身网格划分

3 床身静态结构分析

在分析床身静态特性过程中必须考虑其他部件对床身产生的影响，为了便于计算，立柱、重锤、主轴箱滑枕等均以质点形式加载在空间位置。床身静态分析须从两种情况入手：（1）主轴箱位于立柱下限位，滑枕、镗轴未从主轴箱伸出；（2）主轴箱位于立柱上限位，滑枕、镗轴伸出极限位置。

3.1 滑枕、镗轴未伸出时边界条件

床身地脚部位设置为固定共42 处，ANSYS中默认床身端面底脚部位为0 点位置，主轴箱位于立柱下极限位置，主轴箱行程为3m，立柱装配质心位置坐标为X-572、Y-2630、Z-2600，加载力为-3.72×105N，主轴箱装配体质心位置坐标为X-572、Y-1920、Z-3555，加载力为-1.014×105N，作用平面为两导轨距离2700mm 处为滑座长度，加载情况如图3 所示。

图3 滑枕、镗轴未伸出时加载情况

结果分析。经ANSYS 内部运算得出结果图，如图4所示。从图中可以看出最大变形量发生在主导轨面，这与实际情况相符合，最大变形量为0.019429mm，最大应力为5.6962MPa，根据落地铣镗床身检验标准直线度公差为0.02mm/m，全长上的允差为0.03mm，符合设计标准。

图4 滑枕、镗轴未伸出时分析结果

3.2 滑枕、镗轴伸出时边界条件

床身固定位置设置与滑枕未伸出时设置相同，主轴箱位于立柱上极限位置，主轴箱行程为3m，立柱装配质心位置坐标为X-572、Y-2630、Z-2600，加载力为-3.72×105N，主轴箱装配体质心位置坐标为X-167、Y-920、Z-3555，加载力为-1.014×105N，作用平面为两导轨距离2700mm处为滑座长度，与滑枕未伸出时加载方式相同。

结果分析。经ANSYS 内部运算得出结果图，如图5 所示。最大变形量为0.020997mm，最大应力为6.1602MPa，由于床身导轨在加工过程中允许上凸，不允许下凹。直线度误差为0.01mm/m，全长直线度误差为0.025mm，根据落地铣镗床身检验标准要求的直线度公差0.02mm/m，全长允差为0.03mm，因此符合设计准则，主轴箱位于上极限滑枕、镗轴伸出与主轴箱位于下限位滑枕、镗轴未伸出时床身的变形情况相差不大，符合床身高刚度性能要求。