某数控卧式加工中心整机有限元分析

摘要：首先应用三维设计软件建立某数控卧式加工中心的三维模型。将三维模型转化为整机的有限元模型，并对其进行了静态分析和动态分析，得出了三个方向的静刚度和整机1-5阶固有频率和振型，寻找出了机床的薄弱环节，为机床结构的优化设计提供了参考依据。

关键词：机床有限元法；静力分析；模态分析

引言

机床是由多个零部件组成的复杂组合结构，仅对个别零部件进行分析，无法全面反映机床整体的性能，必须对机床进行整机有限元分析。

有限元分析是一种分析计算复杂结构的数值计算方法，为机床的静、动态特性分析提供有力的工具。本文以某卧式加工中心为研究对象，采用有限元分析软件对其进行静力分析和模态分析，徐找机床的薄弱环节，为机床设计的改进提供依据。

1 有限元模型建立

利用Pro/ENGINEER软件进行机床整机的CAD建模。为了节省计算时间，提高分析效率，尽可能如实地反映机床的主要力学特征前提下。需要对CAD模型进行必要的简化，比如删除掉倒角、圆角、螺纹孔等小特性以及不涉及力传递的小零件。简化后的CAD模型如图1所示。

将CAD模型导入ANSYS软件，根据零部件之间实际的接触情况，设置接触面的接触形式，所有外购件的刚度来自供应商的样本手册，其刚度特性由假想材料模拟。采用四面体单元进行网格划分。有限元模型由259565个单元，811144个节点组成，有限元模型如图2所示。

2整机静力学分析

首先进行只受重力状态下的整机计算，然后分别在刀具和工件的对应面上施加X，Y，Z三个方向的力并观察机床各个部件的变形情况，在X方向受力变形情况如图3。

3 机床薄弱环节查找

数控机床工艺系统是一个机床-刀具-工件组成的串联系统，工艺系统刚性低于整机中刚性最低的部件，因此分析各部件对工艺系统刚性的影响，找出薄弱环节，提高机床刚度。

机床各部件对Fx，Fy，Fz分别作用下所引起变形的影响如图4所示。

图中横坐标为机床的各个部件，纵坐标为各部件变形在工艺系统变形中所占的比例情况。

4 整机模态分析

模态分析是整机动态特性的基础，也是研究整机动态特性的必要工作。通过模态分析可以判斷阵型是否影响加工精度，为机床结构件的优化提供判断依据。

如图5所示为整机的一阶固有频率为35.338Hz，振型为绕机床Z轴摆动。

其余几阶的固有频率及振型情况如表2所示。

5 结论

通过对某卧式加工中心的整机有限元分析，得到了整机的静、动态性能，并寻找出机床的薄弱环节，为结构的优化提供参考。得出以下结论：

1.机床的三个方向的刚性比较好，X方向刚性相对较低，但可以保证正常工作。

2.整机的固有频率均较高，保证了机床的动态性能。

3.分析得出立柱为相对薄弱环节，进行合理的改进可以进一步提高机床的静、动态性能。

参考文献

[1] 夏链.大型数控落地镗铣床整机分析[J].机械制造，2010（2）：9-11.

[2] 袁松梅.数控机床整机有限元分析[J].机床与液压，2008（4）：17-18.

[3] 曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2008：447-452.

作者简介：李帅，男，1986年生，毕业于东北大学机械设计及理论专业，工学硕士。工作单位：沈阳机床（集团）有限责任公司设计研究院，工程师。主要研究方向：金属切削机床切削测试、切削仿真、机床整机性能优化等。

（作者单位：沈阳机床（集团）有限责任公司）