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龙门加工中心横梁结构的优化设计研究

文章出处:东莞上善精机有限公司责任编辑:上善精机人气:发表时间:2018-01-29 22:00【

   近几年,随着我国航空航天、汽车、铁路、机床行业的不断发展,龙门加工中心机床以加工质量高、跨度大、刚度高以及效率高等诸多优点已经成为制造行业中大型零件加工的核心。而龙门加工中心性能的好坏将会直接影响零件加工的质量以及加工的精度。龙门加工中心横梁部件的静态特性和动态特性是影响加工中心性能的主要因素。因此,对现有的横梁结构作一些优化改进,以达到龙门加工中心对横梁的要求成为当前亟待解决的问题。本文运用有限元分析法对横梁结构进行了动静态进行分析,最终得到了横梁结构的优化设计改进方案。

龙门加工中心
石墨加工中心

  1 、龙门加工中心以及横梁部件的结构特点

  龙门加工中心主要由工作台、主轴箱以及冷却箱、横梁、滑枕以及滑座等零部件组成,整体结构图如图 1 所示。此加工中心主要由双墙式侧梁结构支撑横梁。其中横梁部件主要包括主轴箱、滑鞍以及主轴和横梁等零部件,其主要沿着双墙式侧梁上的导轨实现进给运动,进给运动方向主要为 X 轴运动方向。横梁部件还承载着滑枕以及滑座等部件,其中滑枕主要在滑座上进行上下运动,而滑座在横梁上主要沿着导轨进行左右运动。在龙门加工中心作业过程中,当滑枕运行到最低点,滑座处于横梁的中间位置时,横梁的弯曲变形能力将达到最大,从而对横梁部件形成集中载荷,导致横梁产生最大的弯曲变形。另外,为了保证快速准确的加工,在作业时,横梁部件会受到自身重力以及加工过程中产生的加减速惯性力和复杂切屑力的作用,横梁部件成为较为薄弱的环节。因此,有学者提出[2],横梁作为龙门加工中心最为关键的部位,只有保持良好的动态性能和静态性能,才能够实现大重型工件的加工和保证其达到高速运转的要求。

  2 、基于有限元分析法的横梁结构的静动态分析

  本文重点研究龙门加工中心横梁部件最大弯曲变形时的状态。通过运用三维软件 Soid Works 进行构建实体模型,在实体模型构建的过程中,为了保证运算效率以及运算精度,对横梁相关组件进行的简化,最后通过采用有限元分析软件对横梁结构的动静态特性作了详细分析。

  2.1 横梁模型的构建

  基于 So id Works 构建的实体模型,其中横梁、滑座等为铸造件,设置材料为 HT250,材料属性设置为:密度 7 200 kg/m3,泊松比 0.27,弹性模量 1.3×105 MPa.将装配好的横梁结构实体模型导入 ANSYSWorkbench 有限元分析软件中,然后通过运用有限元分析元件对横梁结构进行网络划分。由于网格的划分好坏将会直接影响有限元分析软件计算的速度和精确度[3],基于此本研究主要通过运用 Solid45 单元结构,其中单元结构设定在 80mm,最后通过采用自由网格划分法,最终得到横梁部件的有限元模型,如图 2 所示。

  其中自由网格划分属于自动化程度最高的网格划分技术之一,其不仅可在面上自动生成三角形或四边形的网格,同时在体上也能自动生成四面体网格,既省时间又省力[4]。另外在网格划分的过程,为了保证运算的精度和效率,仅仅保留了横梁和立柱及其相关零部件,以简化模型。同时还应将三维型中的倒角、倒圆、凸台等小特征忽略掉,并采用

  平面化和直线化对三维模型中的小曲率曲面和小锥度进行处理。

  2.2 约束与载荷分析

  由于横梁与立柱之间主要采用螺栓连接,对横梁的约束主要是通过对横梁上与固定螺栓位置相对应的螺纹孔的自由度作为条件,也就是通过固定螺栓相对应的螺纹孔的自由度达到对横梁的约束。同时还应在横梁弯曲变形最大的位置处进行施加载荷,最后根据力学模型计算出载荷力所转化成的压力,并作用在工作面上,施加自身重力。另外,横梁部

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