基于ANSYS的加工中心立柱结构设计及性能分析

2015-12-31仲梁维

机械工程与自动化 2015年1期

王林，仲梁维

（上海理工大学机械工程学院CAD中心，上海 200093）

0 引言

立柱是加工中心的重要部件之一，其结构的静、动态特性对机床的整体性能起着举足轻重的作用，其强度、刚度及稳定性将直接影响到机床的加工精度、加工效率、抗振性及寿命［1］。通过大量实践探索和实验模拟，本文以4种不同立柱内部筋板形式为研究对象，利用ANSYS软件对立柱进行静力学分析和模态分析，研究对比4种筋板对立柱的静、动态性能的影响，最后通过数据比照给出了内部筋板的最佳结构形式［2－3］。

1 立柱的有限元模型

1.1 建立三维CAD模型

通过UG NX 8.0建立的某五轴联动加工中心立柱模型如图1所示。模型的外形为方形，长946mm，宽850mm，高2 235mm，壁厚15mm。为增加立柱的刚性，在立柱内部布满了筋板，筋板厚度为30mm，4种不同形式的筋板结构如图2所示。立柱内部筋板排列不一样，会造成其性能存在一定的偏差，重量、制造成本及铸造难度也不一样。对此设计人员应综合考虑各种情况，确定实际可行并且有利于运输及成本最低的结构方案。

1.2 模型的简化

本文对立柱进行静力和模态分析，以得到其刚度、强度和固有频率的变化趋势。有限元模型的好坏将直接影响到分析结果的准确度和计算效率，由于立柱是一个铸造件，具有结构复杂、体积庞大的特点，要对它建立精确的有限元模型是很不容易的，因此为减少计算的工作量，应对立柱模型进行必要的简化。根据圣维南原理，对模型中的倒角、退刀槽、凸台、螺纹孔等进行删除或简化［4］，其目的是为了避免在位置狭小的局部生成大量的网格单元，防止计算量过大和解算时间过长，以影响分析结果的准确性和拖慢有限元分析的效率。

图1 五轴联动加工中心立柱模型

图2 4种立柱筋板结构形状

1.3 材料定义与网格划分

给模型赋予材料属性是有限元分析的第一个步骤。不同的部件其材料不一样，承受载荷大小也不一样，故材料属性就不一样。因灰铸铁HT250各向同性、金相组织分布均匀、抗拉强度高，因此很适合作为加工中心立柱的材料使用。灰铸铁HT250的弹性模量为1.1×1011Pa，泊松比为0.28，密度为7 200kg/m3。立柱的整体构造比较复杂，利用自适应网格划分方法对其进行网格划分［5］，如图3所示。4种立柱结构有限元模型的节点总数和单元总数见表1。

图3 立柱网格划分

表1 4种立柱筋板形式有限元模型节点总数和单元总数

1.4 施加载荷及约束

立柱底部安装滑块与床身上的导轨接触，因此对立柱与床身接触部位施加固定约束，固定住其6个自由度。工作时立柱承受复杂的空间载荷，主要包括其自重、主轴箱、拖板及铣头等配置的重量以及切削力对立柱的作用，将立柱所受的各载荷转换成集中载荷施加在立柱上表面。

2 静力结构分析

静力结构分析是指对其强度和刚度的分析，即对应力和位移变形的分析。通过静力结构分析，设计人员可以根据立柱在受力过程中的变形趋势，为立柱的后续优化设计提供重要理论依据［6］。

立柱静刚度是衡量机床整体性能好坏的一个重要指标，它因立柱的材料、尺寸大小、筋板的布置形式等因素而不同。为使加工中心在加工零件时因切削力而引起的机床变形以及因立柱的抗振性而引起的刀具变形达到最小值，就要求立柱的静态刚度足够高［7］。通过静态分析得出的4种立柱筋板结构的位移量、合应力及质量对比如表2所示。

表2 4种立柱筋板结构位移量、合应力及质量对比

单从静态分析所表现出的数据上可以看出蜂窝形的筋板形式（结构A）是这4种结构中最好的：其最大位移量只有10.036μm，主要发生在立柱顶部区域，其最大应力为1.116 7MPa，主要发生在导轨顶部区域，这些区域较其他区域容易受到破坏，但也远小于灰铸铁的许用应力240MPa。具有蜂窝形筋析的立柱的位移云图和应力云图如图4、图5所示。

图4 具有蜂窝形筋板的立柱位移云图

图5 具有蜂窝形筋板的立柱应力云图

3 模态分析

通过模态分析能够知道结构的固有频率及振型，这可以对结构提供优化指导以便提高加工质量和效率。一般来说，固有频率有无限多个模态，但真正有实际意义的只有低阶模态，而高阶模态在振动中起的作用很小［8］。在对立柱进行模态分析之前要对模型进行网格划分，划分方法与静态结构分析是一样的。不加载荷时4种筋板结构的立柱在自由状态下的前6阶频率及振型见表3。对比发现：具有蜂窝形筋板的立柱的动态性能最好，其1阶频率只有36.309Hz，是4种筋板结构中1阶频率最小的，说明蜂窝型筋板结构最适合此立柱结构设计。具有蜂窝形筋析的立柱的前6阶振型图如图6所示。