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数控多功能单柱移动立式车床立柱的有限元分析
2016-3-22  来源:齐齐哈尔二机床(集团)有限责任公司  作者:王志超

  
 
  
       一、机床基本情况介绍


       本机床采用单柱移动结构,垂直刀架具有车铣复合功能,侧主轴箱具有铣镗功能,并在工作台上设有辅助夹爪,适应各种不同直径工件的加工要求,具有较广的加工范围。机床由工作台底座、工作台、主传动箱、C轴分度进给箱、立柱、床身、横梁、垂直车铣刀架、侧主轴箱、操作系统、电气系统、液压系统等部件组成(见图1)。


       床身固定在地基上,立柱固定在滑座上并随滑座一起在床身上移动,立柱传动箱安装在床身端面上,传动箱由交流电机驱动,经传动齿轮和丝杠—螺母实现立柱移位运动。床身导轨为静压卸荷导轨,能够确保立柱移动平稳、省力,立柱移至所需位置后自动夹紧在床身上。


       在立柱顶面安装横梁升降传动机构,由交流电机驱动,经蜗杆—蜗轮传动副及丝杠传动副,实现横梁升降运动,在立柱上装有横梁配重机构,使横梁运行平稳。


       床身及滑座均采用优质铸铁制造,立柱采用优质钢材焊接结构,并经二次时效处理消除内应力,以保持机床的刚度及精度稳定性。为验证该机床是否具备高精度、刚度大、抗震性好、可靠性高,能否平稳高效运转,通过分析该机床设计结构特点,对其立柱设计结构的受力分析是保证该机床稳定运行的关键。

  
      

                        图1:机床结构示意图


       二、有限元分析内容及结论


       完成数控多功能单柱移动立式车床立柱结构的变形分析,分析立柱部件在考虑自重与刀架、横梁等重量时,立柱的变形值。


       确定不同工作状况:横梁在立柱移动状态下, 计算横梁行程为3米、4米、5米、6米,考虑刀架在不同位置时立柱的变形值。横梁底面距立柱底面9200mm,横梁行程6000mm,刀架左极限位置时滑枕中心距横梁左端面880mm,刀架行程4420mm。


       有限元分析的方案为,与立柱辅导轨相邻的右侧筋板统一沿机床坐标系Y向移动180mm,横筋立筋厚度均保持20mm不变。


 
          (一)零部件材料特性

         
        
 

        三 、模型图、网格划分和加载图。  

 

       

       图2:立柱有限元分析模型图

       

       图3:立柱有限元分析网络划分图

   

  
      

 


       针对不同位置的工作状况对立柱部件进行有限元分析,横梁和主轴箱采用力等效方式加载,便于模型简化和计算。等效力如下:
 
       1. 横梁、刀架和滑枕重力等效
       2. 前钢丝绳拉力等效
       3. 后钢丝绳拉力等效
       4. 前后钢丝绳拉力的配重
       5. 主轴箱重力等效
       6. 主轴箱平衡力等效
       7. 主轴箱配重力等效


       将立柱与滑座接触面做固定约束,立柱顶面(红色区域)施加30吨横梁配重载荷(前后钢丝绳拉力的配重)和8吨主轴箱滑枕配重载荷(主轴箱配重力等效)。
通过分析计算,下面为横梁行程为3米、4米、5米、6米,考虑刀架在不同位置时立柱的前导轨1、前导轨2和后导轨的变形值。

    
       


       图4:横梁行程6米立柱各导轨变形值


       在进行有限元分析的过程中,我们应注意刀架位于不同位置时,横梁和刀架的重心位置不同,要注意区别刀架分别位于左、中两种情况时重心的作用位置,下图左一为刀架位于左侧加载情况,下图右一为刀架位于中侧加载情况。

     

        


       图5:横梁行程5米立柱各导轨变形值

 

      


       图6:横梁行程4米立柱各导轨变形值

  

       

       图7:横梁行程3米立柱各导轨变形值

    
       四、结论


       分析上述曲线图,横梁在立柱移动状态下,行程为3米、4米、5米、6米,考虑刀架在不同位置时立柱的变形值具体为:


       横梁行程6米,刀架在横梁左端,最大变形值模型x方向0.473mm,y方向0.195mm;刀架在横梁中间,最大变形值模型x方向0.396mm,y方向0.183mm。
 
       横梁行程5米,刀架在横梁左端,最大变形值模型x方向0.463mm,y方向0.186mm;刀架在横梁中间,最大变形值模型x方向0.391mm,y方向0.176mm。
 
       横梁行程4米,刀架在横梁左端,最大变形值模型x方向0.456mm,y方向0.179mm;刀架在横梁中间,最大变形值模型x方向0.386mm,y方向0.170mm。
 
       横梁行程3米,刀架在横梁左端,最大变形值模型x方向0.446mm,y方向0.170mm;刀架在横梁中间,最大变形值模型x方向0.380mm,y方向0.162mm。
 
 
       合对比分析上述数据,与类似机床的标准变形量相比,该立柱设计结构稳定,刚度大、抗震性好,能满足机床使用要求。

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