基于Workbench的数控铣床可靠性仿真分析

摘要：简要分析了数控铣床工装夹具的设计要点，利用有限元仿真软件，对数控铣床夹具固定架进行了应力和变形仿真分析，以期提高数控铣床的运行可靠性，为相关技术人员提供一定参考。

关键词：数控铣床;可靠性;有限元仿真;工装夹具

0 引言

在我国传统机械加工行业中，受到材料、设备、技术等方面的限制，产品的加工精度和加工效率无法满足市场需求。机械加工企业采用数控铣床加工技术，可以有效提高金属零件的加工质量，数控铣床的普遍使用，不仅推动了机械制造行业的健康发展，还在很大程度上解放了生产力，降低了工作人员的劳动强度。但是数控铣床在实际使用过程中，依然存在成本较高、容易发生故障、维修不便等问题。本文主要对数控铣床的工装夹具进行分析和优化，通过减小数控铣床夹具的集中应力和变形量的方式，提高数控铣床的运行可靠性和稳定性。

1 数控铣床工装夹具的设计要点

数控铣床的工装夹具对于保证整体设备的正常运转具有非常重要的影响。在设计工装夹具时，必须使其与数控铣床的应用完全匹配。数控铣床的工装夹具设计必须符合以下几点要求：（1）增加夹具的固定范围，数控铣床加工工件时，需要在保持一定工作空间和安全距离的同时，将加工工件完全固定在机器上，如果夹紧机构所在位置相对较低，可以避免主轴、工装和夹具之间的摩擦干扰。（2）工装夹具必须使用全方位安装方法，以满足机床零件的安装方向与编程坐标系相匹配的要求。（3）提高夹具的刚性和稳定性，以满足数控铣床对加工精度的要求。

2 数控铣床的金属加工技术及其应用

2.1    数控铣床的换刀操作

在数控铣床加工过程中，夹具执行相关动作的动力来源是压缩空气，通过压缩机的工作，可实现工件的自动夹紧和松动，方便人员操作，并可自动更换控制装置，但是换刀过程相对烦琐，会浪费大量时间。因此，要充分考虑加工时间的长短，尽量减少换刀次数，还可以根据数控铣床工件的尺寸来改进夹具，一次夹紧多个工件，根据实际情况调整工件数量，使加工时间尽可能缩短。

2.2    数控铣床的内部结构设计

在数控铣床夹具设计中，结构设计是非常重要的环节。在结构设计中，必须注意载荷的分布问题。在多数情况下，数控铣床的工装夹具结构设计很少考虑连续加工和切屑去除的问题，这将不可避免地影响到数控铣床的性能。合理的排屑结构能够保证机床正常运转，确保切屑不会掉落在工装夹具的定位元件上，可以使切屑顺畅弹出，提高了定位精度和效率。

2.3    数控铣床夹紧方式的优化

设计人员在对数控铣床的夹紧工件进行设计时，必须优化夹紧方法，确保夹具和工件有足够的安全距离，以保证夹具可同时夹紧多个组件。目前，数控铣床在工件加工过程中，无法有效地区分粗加工和精加工，并且夹具的夹紧力可能会出现太大和太轻的情况，这不仅会影响加工的效果，还会导致工作表面出现凹痕或损坏整个工件。

3 数控铣床夹具固定架的可靠性有限元仿真

3.1    三维模型的建立及網格划分

数控铣床内部结构相对复杂，其中铣床夹具固定架起到固定和支撑加工零件的作用，对数控铣床的安全运行具有重要影响。本文主要以应用最为普遍的圆柱形铣床夹具固定架为例进行分析，数控铣床加工零件在夹具的作用下，固定在数控铣床上，固定架上设计有螺栓孔与夹具进行连接，本文主要考虑圆柱形固定架的静力分布情况，考虑到计算机性能的限制，对数控铣床夹具固定架的三维模型进行了简化，采用SolidWorks三维建模软件建立了铣床夹具固定架的模型，数控铣床夹具固定架三维模型如图1所示。

由于数控铣床夹具固定架模型较为规则，本文采用meshing模块对其进行网格划分，经统计，网格数为872 596，网格划分图如图2所示。

3.2    优化前有限元求解结果分析

设定数控铣床加工零件重量为20 kg，铣床夹具固定架重量为28 kg，固定架刚度为0.68 kN/mm，固定架材料为Q235钢，固定架底部接触面为固定面。当载荷为200 N时，其应力分布云图如图3所示。

此时数控铣床夹具固定架的最大应力为169.69 MPa，最大应力分布在中心圆孔处，最小应力分布于固定架外表面，此时的最大应力在最大屈服强度以下，但其数值相对较大，如果数控铣床长时间运行，有可能出现固定架磨损和断裂的现象。

数控铣床夹具固定架的最大变形量为0.029 mm，最大变形分布在中心孔处，最小变形分布在固定螺栓孔处。此时的最大变形量较大，无法保证数控铣床加工零件的表面精度，因此有必要对固定架结构进行优化。

3.3    优化后有限元求解结果分析

为了进一步提高零件加工精度，将下固定螺栓孔的孔径增加2 mm，固定架的直径增加5 mm，厚度增加5 mm。优化完成后对其进行有限元仿真求解，当载荷依然为200 N时，数控铣床夹具固定架的应力分布云图如图4所示。

数控铣床夹具固定架的最大应力为151.03 MPa，最大应力分布在中心圆孔处，最小应力分布于固定架外表面，与优化前相比较，最大应力明显降低。

此时，数控铣床夹具固定架最大变形量为0.005 6 mm，最大变形分布在中心圆孔连接处，最小变形分布在外表面，与优化前相比较，此时最大变形量明显降低，不会引起数控铣床的振动，能够保证数控铣床加工工件的精度。

4 结语

数控铣床是机械加工的重要设备之一，在进行数控铣床设计时，设计人员要尽可能提高数控铣床设备的运行可靠性。本文通过仿真分析发现，优化后的数控铣床夹具固定架具有更高的运行可靠性和稳定性。

收稿日期：2020-06-29

作者简介：高海兵（1978—），男，内蒙古锡盟人，高级技师，研究方向：机械制造。