基于ANSYS workbench　对X、Y轴分置式倒立车床与X、Y轴叠加式倒立车床主轴刚度对比分析

2016-10-25施晶晶李鹭扬柳辉

环球市场信息导报 2016年25期

◎施晶晶李鹭扬柳辉

基于ANSYS workbench对X、Y轴分置式倒立车床与X、Y轴叠加式倒立车床主轴刚度对比分析

◎施晶晶李鹭扬柳辉

应用 ANSYS workbench对机床施加切削力，计算出X、Y轴分置式倒立车床与X、Y轴叠加式倒立车床的三爪卡盘位移量，进行位移数据对比，并说明X、Y轴分置式倒立车床主轴刚度大于X、Y轴叠加式倒立床。

制造业直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素，制造业在世界发达国家的国民经济中占有重要份额。车床是机加工制造业的工作母机，不同的车床结构排布影响着车床的加工精度，因此影响着国家生产力水平。X、Y轴分置式倒立车床是车床中的一种，其主要特点是主轴倒置和X、Y轴分置，它主要由主轴箱、主轴电机、导轨、丝杆、电机、油缸、三爪卡盘、托板等组成。分析在工作条件下X、Y轴分置式倒立车床与传统的X、Y轴叠加式倒立车床主轴受到切削力与自身的重力而产生的位移，证明X、Y轴分置式倒立车床刚度大于传统的叠加式倒立机床，以证明X、Y轴分置式倒立车床结构性好。

本文利用三维建模软件Solidworks对X、Y轴分置式倒立车床与传统的X、Y轴叠加式倒立车床身进行参数化建模，然后导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中对两种倒立机床进行静力学分析，计算出主轴的位移并进行数据对比，说明X、Y轴分置式倒立车床刚度高于传统的X、Y轴叠加式倒立车床。

静力学分析

模型建立

X、Y轴分置式倒立车床和传统的X、Y轴叠加式倒立车床它们都主要由主轴箱、主轴电机、导轨、油缸、三爪卡盘、托板机身等组成。X轴的行程是700mm，机身的尺寸是1000mm×600mm×1000mm。传统的X、Y轴叠加式倒立车床多了一个轴方向的移动，结构上多加一个Z轴托板、滚珠丝杆、电机、轴承等。

模型的正确建立是结构分析的基础，模型的好坏会直接影响有限元分析结果。图形比较复杂，在workbench中建立模型比较困难，所以用SolidWorks软件对两种倒立机床进行参数化建模，为提高静力学分析的速度，将模型简化，去掉上面的螺栓孔，将图形进行简化。机床材料被认为是各向同性的，密度分布均匀。

网格划分

将在SolidWorks中建立的机床模型导入workbench中，将机身和轴托盘设置为灰铸铁HT250（GB），弹性模，泊松比0.156，质量密度，抗剪模量，张力强度，其他构件设为45钢，弹性模，泊松比0.269，质量密度7890，抗剪模量，张力强度，屈服强度，ANSYS Workbench中的网格划分平台Meshing可以根据不同的物理场选择相应的网格划分方法，由于装配体的图形比较复杂，本文运用自动划分网格，在四面体网格与扫掠划分方法之间自动切换，减少划分网格的工作量，网格单元尺寸为35mm，经网格划分后，机架的有限元模型如图1，、图2所示，图1整个模型单元数为105922，节点数为189980，图2整个模型单元数为135846，节点数为243652。

图1　X、Y轴分置式倒立车床的有限元模型

图2　X、Y轴叠加式倒立车床的有限元模型

图3　总位移

图4　总位移

施加边界条件

模拟在工作时机床受到重力加速度、工件重量和切削力，设计时设置的加工工件额定直径为160mm，工件额定高度为80mm，工件材料为45钢，则工件重量为127N，在机床上施加一个竖直向下的重力加速度，在三爪卡盘上施加一个切削力。重力加速度为总切削力F分为切削力Fc，进给力Ff，径向力Fp，而切削力Fc是切削分力最大的力，与总切削力F很接近，一般为总切削力F的85%～89%，所以一般情况下都以切削力Fc来代替切削总力。

ap—切削深度（mm）a

粗车时ap为2～6mm；半精车ap为0.3～2mm；精车ap为0.1～0.3mm

f—进给量（mm/r）

Fc—切削力（N）； kc—单位面积切削力（N·m-2）

AD—切削层公称横截面积

粗车时ap为2～6mm；半精车ap为0.3～2mm；精车ap为0.1～0.3mma

在此处选择 p=6mm

当工件的质量要求能得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度，一般100～200mm/min；在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20～50mm/min范围内选取；当加工精度、表面粗糙度要求较高时，进给速度应选小些，一般在20～50mm/miAn范围内选取已知主轴电机转速为5000r/min，为计算到最大的D，在粗车加工情况下选择参数

ap=6mm，f=200mm/min=0.04mm/r