卧式五轴加工中心整机静态刚度有限元分析及测量方法

摘要：为解决航空航天领域复杂零件加工难度大、精度难保证、效率低的问题，卧式五轴加工中心越来越广泛地被应用于航空航天零件的生产加工中。现以某型卧式五轴加工中心为例，重点介绍了其整机静态刚度的有限元分析方法和实际测量方法。利用ANSYS建立机床整机的有限元模型，分析得出了机床在最危险工况下的变形情况。基于相同的工况条件，在实物机床上搭建了静态刚度测试平台，完成机床静态刚度的测量。将有限元分析结果和实际测量进行了对比，两者接近，验证了整机有限元分析方法的有效性，为卧式五轴加工中心的优化设计提供了参考。

关键词：卧式五轴加工中心；静态刚度；有限元；测量方法

中图分类号：TG502.31  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）11-0061-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.016

0    引言

航空航天领域零件的结构型面往往比较复杂，如发动机的机匣、叶轮，其生产制造存在加工难度较大、精度难保证、效率低等问题。卧式五轴加工中心由于具有加工范围广、刚度好、效率高的特点，近年来在航空航天领域得到了广泛应用。卧式五轴加工中心整机的静态刚度直接影响其加工精度和使用性能，因此提高整机静态刚度是保证机床加工精度的重要工作。目前在机床设计过程中，整机建模分析的难度较大，往往仅对单个关键零件进行分析优化，如底座、立柱等，无法准确反映出机床的整机刚度，导致机床的整机刚度不足，影响加工精度和机床研发周期[1]。本文以某型卧式机床为例，根据机床的实际工况条件，利用ANSYS Workbench有限元分析软件建立了机床的整机仿真模型，分析得到了机床的整机静态刚度；同时提出了一种卧式五轴加工中心整机静态刚度的测量方法，并搭建测量平台，完成了整机静态刚度的测量。

1    卧式五轴加工中心的整机结构

本文所研究的卧式五轴加工中心是上海拓璞的订单项目，用户为西安航天发动机厂，项目内容为研制用于航天发动机推力室内壁大型螺旋槽类零件的螺旋槽五轴铣加工生产线，包含4台卧式五轴加工中心和1套自动化生产线系统。加工中心整机结构包括底座部件、立柱部件、滑座部件、摆头部件、转台部件以及刀库部件（图1）。机床运动轴之间采用滚柱直线导轨和滚柱丝杆进行连接和传动。刀库部件在机床整机结构中是独立的，与其他部件不存在结构关联，因此在有限元分析时不作考虑。

2    整机静态刚度的有限元分析

2.1    工况负载分析

整机的静态刚度分析应选取机床的最危险工况进行，这样才能反映出机床真实的负载能力。根据卧式五轴加工中心的机床结构以及加工条件，其最危险工况条件如下：

（1）摆头、滑座位于立柱中间位置。立柱安装在底座上，两侧支撑，中间悬空，当摆头、滑座位于中间位置时，其受力最大。

（2）主轴处于卧式状态。摆头部件类似悬臂梁结构，当主轴处于卧式状态时，整个摆头部件的重心位于最远端位置，摆头部件受重力和切削力影响最大。

（3）主轴受径向切削力。当主轴受径向切削力时，会对整改摆头部件产生较大的附加扭矩，影响摆头与滑座连接面的刚度，从而使刀尖点产生较大位移，影响加工精度。

整机负载包含两个部分：

（1）自身重力：自身重力主要影响摆头部件的刚度（悬臂梁结构），整个摆头部件重约1.8 t，在自身重力的作用下，摆头部件会有下垂变形。

（2）切削力：当机床进行粗加工时，会产生较大切削力。根据钛合金粗加工的切削工况，设定切削力大小为4 000 N，刀具长度110 mm，作用于主轴径向位置，其加载方向分为竖直和水平两个方向，如图2所示。

2.2    导轨结合面的有限元建模

机床部件间存在很多接触面和运动副，会影响机床整机性能，许多研究表明，机床运动副与结合面的刚度决定整机静态刚度的30%～60%，目前机床整机分析多数不考虑接触面的影响，导致仿真分析与机床实际性能之间存在较大偏差[2]。本文在卧式五轴加工中心整机分析中，重点考虑了直线导轨运动副对整机分析的影响，建立了直线导轨运动副的有限元模型。

在ANSYS中采用直接建模设置接触对的方法，容易造成计算量大、无法收敛的问题。本文采用弹簧-阻尼单元来模擬直线导轨结合面两个方向上的接触特性，弹簧单元类型为COMBIN14，如图3所示[3]。

COMBIN14单元包括刚度常数K与阻尼常数CV1和CV2两种实常数，因本文只作静态分析，只考虑其刚度常数，不考虑阻尼常数[2]。卧式五轴加工中心采用了THK的SRG55型滚柱直线导轨，其正向刚度K1为3.5 kN/μm，侧向刚度K2为2.3 kN/μm，根据模型中建立的弹簧-阻尼单元数量（每个方向设置了8个弹簧-阻尼单元），设置弹簧-阻尼单元的弹簧常数值：

KE1=K1/8

KE2=K2/8

式中：KE1、KE2分别为导轨正向弹簧-阻尼单元弹簧常数和侧向弹簧-阻尼单元弹簧常数。

2.3    整机静态刚度有限元分析

根据卧式五轴加工中心的三维装配体模型、约束条件以及工况负载，按照有限元分析流程，在ANSYS中完成了整机静态刚度分析。

2.3.1    模型简化

在机床的整机模型中，删除不影响分析结果的零件以及模型特征，如螺钉、钣金件、特征孔以及特征倒角、槽等[4]。

2.3.2    网格划分

将机床三维模型导入ANSYS软件，设置零件材料参数，零件材料均为灰铸铁，密度值设置为7 200 kg/m3，弹性模量设置为120 GPa，泊松比设置为0.27。

网格划分质量会直接影响有限元计算的精度和效率，因此根据机床的模型，需要采用合理的网格划分策略：在计算数据变化梯度较大的部位划分相对密集的网格，梯度变化不大的部位采用稀松的网格[5]。本文采用ANSYS对机床整机进行四面体网格划分，网格单元数为1 377 261，节点数量为2 352 135。

2.3.3    边界条件设置

模拟实际的配合关系，对底座上21处地脚孔施加固定约束，来模拟机床实际约束情况。根据负载情况，施加重力负载和切削力负载。整机有限元模型如图4所示。

2.3.4    求解计算

利用ANSYS的分析求解器对整机静态有限元模型进行分析求解，得到其整机静态位移云图。

由图5可知，在机床自身重力和竖直方向4 000 N大小切削力的共同作用下，刀尖点的位移大小为0.1 mm。

由图6可知，在机床自身重力和水平方向4 000 N大小切削力的共同作用下，刀尖点的位移大小为0.21 mm。

3    整机静态刚度测量

3.1    整机静态刚度测量方法

根据卧式五轴加工中心的工况条件，在实物机床上搭建了测量平台，对整体静态刚度进行测量，如图7所示。

整个测量平台包含了加力气缸、力传感器、负载采集器、千分表以及安装工装等模块，测量步骤如下：

（1）调整加力器使整个系统处于零力的状态，然后将对应位置传感器的值设置为零；

（2）对机床相应部件逐渐施加作用力至最大值，并将此方向作为正方向；

（3）记录力与位移传感器的测量值；

（4）减少施力器作用力，直到其施加力为最大值的1%；

（5）记录力与位移传感器的测量值。

3.2    测量数据分析

按照上述测量步骤，记录各工况下测量点的力和位移数值，如表1、表2所示。

从测量数据可以得到，在负载作用下，机床整机静态位移不同，竖直方向为0.113 mm，水平方向达到0.175 mm，表明机床整机水平方向的静态刚度较弱。

3.3    有限元分析结果与测量数据对比

对比整机静态刚度实际测量数据和有限元分析数据，如表3所示。

对比两者数据，有限元分析的结果与实际测量结果存在12%～20%的偏差，造成偏差的主要原因是有限元模型（接触设置、网格划分等）与实际存在偏差，但此偏差值在可接受范围内，能够为机床的优化设计提供方向。

4    结语

本文利用ANSYS有限元软件建立了卧式五轴加工中心的整机分析模型，分析得出了机床在最危险工况下的变形情况，同时在实物机床上搭建了静态刚度测试平台，完成机床静态刚度的测量。对比位移数据，结果仅偏差12%～20%，验证了整机有限元分析方法的有效性，为卧式五轴加工中心的优化设计提供了方法。本项目所开发的卧式五轴加工中心具有高刚度、高精度、高效率、高可靠性的优点，在客户的生产应用中，能滿足24 h不停机加工需求，得到了客户的认可。

[参考文献]

[1] 匙皓.基于ANSYS的机床整机结构有限元分析[D].沈阳：沈阳工业大学，2017.

[2] 苗青.数控机床导轨结合面的接触刚度分析[D].洛阳：河南科技大学，2014.

[3] 王锐，李太松，罗和平，等.卧式加工中心立柱有限元分析与优化[J].机械制造，2022，60（1）：37-40.

[4] 刘成颖，谭锋，王立平，等.面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究[J].机械工程学报，2016，52（3）：161-168.

[5] 丁欣硕.ANSYS Workbench 17.0有限元分析从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2017.

收稿日期：2023-03-06

作者简介：郭聪聪（1985—），男，湖北黄冈人，硕士，高级产品经理，从事五轴加工中心产品研发工作。