基于静力学分析的精密磨抛机机架设计及优化*

朱海剑

(常州贝斯塔德机械股份有限公司，江苏常州 213023)

0 引言

机架在磨抛机工作过程中主要起到上盘组件、下盘组件的固定与支撑作用。在上盘对下盘施压的过程中，机架容易产生较大的应力和变形，机架的强度与刚度直接影响机器磨抛的精度。因此，设计时必须能预测并合理控制机架的强度和刚度。

在机架的设计中，运用三维设计软件Solidworks设计三维模型，再导入到模拟仿真软件ANSYSWorkbench中对机架进行有限元分析，从而满足设计要求，保证机架结构的可靠性，为进一步的优化改进提供数据指导。

1 机架三维模型的设计及有限元分析

1.1 三维模型的建立

设计完成后的磨抛机工作总图如图1，机架模型采用三维软件SolidWorks建模，由于下盘组件的重量与上盘对下盘组件的压力相比，对机架变形有显著的影响，因此，模型中包含了下盘组件，为了分析方便，模型中去除了倒角、圆角、螺栓孔等对计算结果仅有细微影响的特征，如图2，再转化为 (*.x_t)格式［1］导入到ANSYSWorkbench中进行分析。

1.2 定义材料属性

机架材料选用Q235，在ANSYSWorkbench材料库EngineeringData中选用 Structural Steel，其具体性能参数见表 1［2］。

图1 磨抛机工作总图

图2 机架模型

表1 机架材料性能参数

1.3 定义接触类型

磨抛机3个机架分体间连接方式为12个M20的螺栓连接，连接面间有较大的摩擦阻力，可以直接假设此连接为刚性连接［3］，机架分体间相互渗透，不

考虑接合面和螺栓接触面的变形，contacts(接触)类型选用系统默认类型Bonded。

1.4 划分网格

设定Element Size(单元大小)为30 mm，有限元网格划分节点数350 246，单元数179 436，结果如图3。

1.5 施加约束和载荷

磨抛机机架固定放置在地面，不能有位移，约束形式选择Fixed Support(固定约束)，施加面为机架分体3下部与地面的接触面。磨抛机包含4个上盘组件、1个下盘组件，工作过程中，4个上盘组件可以单独工作，对下盘组件施压，也可以共同工作［4］。本文分析4个上盘共同工作时的极限状态，每个上盘对下盘有最大1 500 N的压力，每个上盘施加压力时对机架分体2有最大750 N+750 N的反作用力，并定义机架及下盘的自重 Standard Earth Gravity:9806.6 mm/s2，如图 4。

图3 网络划分

图4 施加约束与载荷

1.6 模型求解及结果分析

求解后，机架应力分布云图，如图5，应力较大位置主要集中在在机架分体2上上盘组件固定部位、机架分体3上下盘组件固定部位及两侧支撑柱上，最大应力处为机架分体2上工字钢加强筋的端部，大小为6.6496 MPa，满足强度要求。变形分布云图，如图6，变形较大位置主要集中在机架分体2上上盘组件固定部位，最大变形0.027 618 mm，满足刚度要求。

图5 应力分布云图

图6 变形分布云图

2 改进优化

由图6变形分布云图可见，相比机架其他部位，机架分体2固定上盘组件部位变形较大，可针对此部位进行局部加强，在机架分体2上工字钢侧部和端部各添加一块16 mm筋板，改进后模型如图7。经过前面分析步骤，得到改进后模型的应力分布云图和变形分布云图，见图8和图9。由图8、图9对比图5、图6可以得出如下结论。

(1)机架应力最大位置出现在图8中机架分体3的筋板上，应力最大值由原先的6.6496 MPa变为改进后的 3.6829 MPa。

(2)机架变形最大位置依然集中在图9中机架分体2上，但变形最大值由原先的0.276 18 mm变为改进后的0.011 627 mm。

图7 改进后模型

图8 改进后模型应力分

图9 改进后模型变形分布云

3 结语

主要设计了新型精密磨抛机机架，并计算分析磨抛机机架在静态极限工作状态下的受力、变形情况，校核设计是否达到预期效果和设计要求，通过有限元分析结果，直观的观察到磨抛机机架在极限工作载荷下的强度、刚度的强弱分布，通过针对性的局部加强，使设计更加成熟，机架的强度、刚度得到了明显改善，进一步保证了磨抛机的工作稳定性，使磨抛机的工作性能有了新的提升。

［1］ 黄志新，刘成柱.ANSYSWorkbench 14.0超级学习手册［M］.北京:人民邮电出版社，2013.

［2］ 曾正明.机械工程材料手册-金属材料［M］.第7版.北京:机械工业出版社，2010.

［3］ 张洪武.有限元分析与CAE技术基础［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［4］ 李 冰，郭 霞，刘 莹，等.蓝宝石基LED外延片背减薄与抛光工艺研究［J］.半导体技术，2005(6):12-15.