大型铸件工作台底座的结构分析和优化设计

杨奇彪， 李寅林， 游达章

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

长机科技生产的YK31350型插齿机工作台底座是一大型金属铸件(材料为铸铁)，在常温下机床不断使用过程中，由于应力分布不均，易出现铸件过早断裂等问题．

ANSYS软件由于其强大的仿真计算功能被各行各业广泛采用．文献[1]通过ANSYS-workbench对DVG850高速立式加工中心工作台进行了优化，结果表明改进后的工作台保持了原结构的刚度，质量却减少了近10%；文献[2]通过ANSYS对加工工作台组件、文献[3]对钻床工作台、文献[4]对立式加工工作台均得出了类似的结论．因此采用ANSYS动态结构分析，此次分析过程分为两个部分：一是计算工作台静态下的应力分布：二是计算机床运转过程中工作台的应力分布．

1 应力分析基础理论

生产过程中，机床工作台底座的应力主要有来自于工作台各种装配零件的自重、电机带动涡轮旋转的扭矩以及紧固地面的螺钉紧固力和中床身接触面的紧固力，这里只需分析清楚各个力的大小，作用面积即可，并且只需考虑正应力，而不必考虑其他复杂应力．应力

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2 建模

先将工作台底座模型直接导入ANSYS-workbench有限元软件，工作台内部有工作台主轴(8 636.815 kg)、主轴垫片(124.004 kg)、涡轮轴套(2 459.101 kg)、双涡轮蜗杆(481.675 kg，483.819 kg)、主轴轴套(706.023 kg)、轴套结合套(692.488 kg)、涡轮垫环(2 234.952 kg)、涡轮垫片(1 490.488 kg)、液压底片(223.830 kg )，另外插齿机工作载荷在2～6 t(在应力分析时会采用6 t的应力进行分析)．

由于是双涡轮蜗杆传动，工作台主轴上套有套筒以及双涡轮蜗杆的轴套结合套．由于有液压垫片，即涡轮蜗杆下面存在液压，并非完全由工作台底座承受中午静压的．由于计算应力时主要关心施加载荷，因此可忽略工作台底座内部的装配关系，工作台底座的模型如图1所示．

将工作台底座模型导入ANSYS-workbench后，首先进行网格划分．网格采用四面体网格，划分后的工作台底座如图2所示．

图 1 工作台底座三维模型

图 2 网格划分后的工作台底座

基于模型的复杂程度，在实际分析过程中对模型进行一定的简化，去掉了一些螺纹孔以及一些不影响整体结构受力的小孔等，这样在进行应力分析的时候更简便，施加载荷和约束也更简便．

由于工作台底座与地面被地脚螺钉锁死，并与中床身接触面锁紧，因此一个约束施加在途中模型下面的一圈孔和底面，另一个与中床身的接触面是施加固定面的约束，与紧固螺钉约束施加在侧面．

经过多方面的考虑，为便于简化分析，本文去掉了电机等小应力对底座的影响，仅考虑对底座的压力垂直分布在底座内部环形结构周围．

图2中深色位置周围施加载荷，计算来源于零件配重相加环形结构内径1 250 mm和外径1 450 mm，以及外圈涡轮蜗杆的载荷面外圈1 650 mm和2 250 mm，通过式(2)计算可得：σ1=0.1 MPa，σ2=0.09 MPa．施加完载荷后，直接进行分析得到应力分布图(图3)．

图 3 施加载荷后的工作台底座应力分布

考虑到工作台底座仍然存在较大应力以及变形，因此需要对该模型进行优化设计．由于应力主要集中在底，且应力较大，因此可将底座的加强筋进行加厚，修改后的工作台底座模型如图4所示．

图 4 模型修改后的工作台底座

重复以上步骤进行分析，得到模型修改后的工作台底座的应力分布(图5)，相比较图2而言，工作台底座的整体应力减小了许多．

图 5 模型修改后的工作台底座应力分布

3 结论

本文通过应用ANSYS软件，分析大型铸件插齿机工作台底座在生产过程中应力对铸件结构的影响，计算结果表明：出现最大应力部位和容易出现裂纹部位吻合．

[参考文献]

[1] 高东强，毛志云，张功学，等. 基于ANSYS Workbench的DVG850工作台拓扑优化[J]. 机械设计与制造，2011(02):62-63.

[2] 胡春阳. 基于ANSYS的加工中心工作台组件的有限元分析及优化[D].合肥：合肥工业大学图书馆，2012.

[3] 刘光浩，黄 伟，陈超山，等. 基于ANSYS的ZK5150型钻床工作台有限元静动态分析与尺寸优化[J]. 组合机床与自动化加工技术，2010(09)：89-95.

[4] 冯成国，曹巨江，张 磊.基于ANSYS Workbench的立式加工中心工作台动特性研究[J]. 2013, 41(07): 175-177.