数控立式车床横梁的有限元分析

徐作恒　马治军

引言

机床已经成为当前工业生产中不可缺少的加工设备，横梁的机械性能对机床的加工精度起着重要的影响。本文采用有限元方法对其静态特性进行了分析计算，得到横梁结构的应力与形变云图。本文所采用的有限元方法可以，不仅节约数控车床横梁的设计周期，还可以针对特定要求进行优化。

1.数控立式车床结构特点

（1）立柱与横梁采用对称性结构。

（2）横梁不仅设有分级定位机构，还采用了自锁功能的机械、液压联锁夹紧机构。

（3）主轴采用短主轴形式，径向和轴向分别采用采用高精度双列向心短圆柱滚子轴承和大型推力球轴承。

（4）机床主传动润滑采用自动循环润滑；其它部件的润滑采用间隙式定时、定量强制润滑。

2.横梁结构建模

CK5116数控立式车床横梁是由长方形中空结构的铸钢件，切削加工而成；导轨布置在横梁的另一侧并采用丝杠与立柱相连。依据二维图纸，利用solidworks软件绘制其三维图样如图2.1所示。

3.横梁的静力学分析

3.1定义单元的属性

定义单元的属性包括对其单元类型、材质特性以及参数量的单位三个主要方面。ANSYS软件提供多种的单元类型适用实体、梁/管、杆/索、弹簧等分析对象。本文中的横梁结构为方形中空的不规则几何体，因此选用SOLIDl85单元。

材質特性定义时按横梁设计所使用的材料的属性进行定义并注意单位的统一。

3.2网格的划分

ANSYS软件具有智能划分网格功能以方便计算和减少分析计算的时间。智能划分网格依据模型的曲率以及线与线的接近程度自动进行网格划分，在分析复杂的结构时通常采用智能划分网格。本文所分析的横梁结构复杂因此采用智能划分网格进行网格划分，在软件中网格划分有1-10的精度等级，本文采用默认的6级精度来格划分。

3.3施加边界条件和载荷

3.3.1切削力的计算

（1）切削力的计算

在切削加工过程中，工件和车刀受到的合力，大小相等而方向相反。

数控机床车削时的切削力计算公式：

式中：为切削条件和工件材料对切削力的影响系数；

为背吃刀量对切削力的影响指数；进给量对切削力的影响指数；为各种因素对切削力影响的修正系数之乘积。走刀抗力Ff；吃刀抗力Fp。

3.3.2边界条件和载荷

静力分析不考虑惯性和阻尼的影响，通常计算在固定不变的载荷作用下结构的效应。静力分析所施加的载荷包括：

（1）外部施加的作用力和压力；

（2）稳态的惯性力；

（3）位移载荷。

本次分析中的载荷为计算得来的切削力、横梁的自重还有在横梁上垂直刀架的重力。约束条件为横梁xy面。

3.4计算结果与分析

3.4.1刚度分析

横梁位移云图为如图3.1所示。从图中可得横梁变形最大值为0.0171mm，位于在横梁头部处达。

横梁结构的刚性会影响机床的加工精度。由图3.1可以得出，横梁导轨变形符合设计要求，横梁的刚度不会对机床的加工精度造成很大的影响，加工精度完全符合要求。

3.4.2应力分析

横梁的应力云图如图3.2所示。由图中可以得出横梁最大的应力为6.70Mpa。其余等效应力均较小，最大应力位于横梁头部处。横梁所使用的材料的强度极限为300Mpa，安全系数大于40。

本文横梁采用铸钢件，经过精加工而成。其材料的抗拉强度为355Mpa，由云图所得最大应力为6.7Mpa，安全系数大于50。因此可以得出其设计余量较大，在后期可进行优化分析，可针对结构形式或加强筋布置分布进行优化，当得到较为合理的结构布置后还可根据其重量进行优化。

结论

本文依据CK5116数控立式车床横梁的结构特点，通过有限元软件分析静态特性，得出了横梁的刚性和应力特性。通过对结果的分析提出了可以应用的优化方法。在后续的试验中论证了有限元计算的准确性，因此利用有限元分析横梁是一种节约设计时间，提高横梁设计质量的方法。

（作者单位：沈阳机床股份有限公司沈一车床厂）