SolidWorks臥式加工中心導軌設計驗證一體化研究

2013-08-08 by:逆向工程中心-設備設計組來源:仿真在線

一、虛擬樣機的建模

1.三維實體建模

臥式加工中心是指主軸軸線與工作臺平行設置的加工中心,主要適用于加工箱體類零件。臥式加工中心的主軸處于水平狀態,通常帶有可進行分度回轉運動的正方形工作臺。一般具有3~5個運動坐標,常見的是三個直線運動坐標加一個回轉運動坐標,它能使工作在一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余四個面的加工,最適合加工箱體類零件。一般具有分度工作臺或數控轉換工作臺,可加工工件的各個側面;也可作多個坐標的聯合運動,以便加工復雜的空間曲面。

以某型號的臥式加工中心為例,采用SolidWorks2011三維CAD軟件對臥式加工中心的工作臺床身等主要部件進行三維建模,然后根據結構特點和功能要求,對各個部分的模型進行裝配,再結合分析需要,將部件調整到合適的初始位置。

2.分析工況

分析模型由床身、底座、兩條滾動導軌、兩條滑動導軌和一個工件組成,工件模型放置在工作臺中間,工件長度10000mm,寬度2500mm,假設在較正常的工況下,即床身受力均勻,故根據需要將工件處理為均勻的長方體,設置工件密度使得重量為50t,工作臺由外側左右兩條滾動導軌和內側左右兩條滑動導軌(圖中綠色部分)支撐。

二、有限元分析

1.邊界條件

根據實際工況在SolidWorks2011中設定工作臺及床身的材料為HT300,根據廠商樣本查得滑動導軌和滾動導軌兩種導軌材料屬性。工件材料自定,保證工件整體重量為所需的50t。

為床身底座定義固定約束。全局的接觸設置為接合,單獨設置導軌和工作臺接觸面組為無穿透,即較真實地將導軌接觸的兩個面看成是兩個部分。外部載荷設置為豎直向下的引力,即只考慮重力。因為分析目標是導軌面的應力,故網格控制設置將導軌和工作臺接觸面網格大小設置為20mm,比率1.5,共計189935個單元。

2.靜力學分析

對于不同的工況,根據工作臺表面放置工件形狀不同,導軌寬度不同,有限元分析結果也存在很大差異。根據所提出的邊界條件進行靜力學分析,可以得出部件的應力、應變和位移圖解。圖中該狀態下的最大應力為5.7MPa,最大位移為0.0132mm,通過查閱廠商樣本和機床設計手冊,得知導軌間斷使用時的許用應力為175MPa,實際應力遠小于許用應力,滿足強度條件,符合設計要求。

3.模態分析

由于臥式加工中心床身工作臺工作中存在振動不穩定的情況,所以在設計時必須對其進行模態分析。模態分析的主要任務是研究無阻尼系統的自由振動,特別是結構的固有頻率,可以通過改變部件的結構質量或者形狀來避開這些共振頻率,或最大限度地減小對這些共振頻率上的激勵,從而消除過度疲勞或損壞,保證機械結構的可靠性。

選擇頻率分析算例,根據上文提出的邊界條件進行設置,上述工況狀態下前五階的振型圖如圖5~圖9。從放大比例的振型圖可以看出,臥加工工作臺床身的一階模態振型是沿著Z軸彎曲變形,二階模態振型是沿著Z軸扭曲變形,三階模態振型是沿著Z軸扭曲變形和沿著XZ平面彎曲變形的合變形,四階模態振型是床身左端沿著XZ平面彎曲變形,五階模態振型是床身中段沿著XZ平面彎曲變形。四階模態和五階模態振型表現為結構不同部位出現鼓起狀振動,表現出系統的空間固有特性。

振動本質是各階固有振型的線性組合,其中低階自振頻率所引起的共振往往容易產生機械結構較大的應變和應力集中,高階影響則較小,因此我們選取前五階模態進行分析,從圖中我們可以得知一階固有頻率為138.82Hz,二階固有頻率為142.34Hz,三階固有頻率為152.96Hz,四階固有頻率為180.84Hz,五階固有頻率為182.99Hz,臥式加工中心電機轉速一般為1000-1500r/min,其頻率為16.7~25Hz左右,可知前五階固有頻率與電機頻率沒有產生耦合,不會產生共振破壞。

4.優化設計

優化設計的目標就是在保證模型約束條件的前提下,盡可能使模型達到質量輕、體積小、形狀合理及成本低,以及最大限度減少應力集中現象等。在該幾何模型的優化設計中,優化目標是在模型一階固有頻率較大的情況下,模型的變形量最小,由于滾動導軌選型已定,所以在此定義設計優化變量為滑動導軌的寬度。

基于之前的靜力學分析和模態分析,新建一個設計算例,“變量”設置選擇滑動導軌寬度,和步長范圍,最小值為30mm,最大值為90mm,步長為20mm。“約束”為靜態算例中的豎直方向最大位移。根據機床精度要求,定義其邊界條件為算例豎直方向,最大位移要小于0.02mm,“目標”為模態算例中的模型一階固有頻率最大。軟件由此生成四個活動算例,并得到收斂。參數列表如表1。

由表1可見,滑軌寬度為50mm時是較合適的,因為此時是“最大位移”較小且“一階頻率”較高的情況,即在“最大位移”和“一階頻率”兩者之間取一個平衡值。

三、校核

在確定滑動導軌寬度為50mm的情況下,再一次進行靜力學分析和校核,查看位移圖解可知床身在豎直方向上最大位移為0.0131mm,查看應力圖解可知將滑動導軌和滾動導軌面都選定以后按照應力大小排布得出,最大處應力為1.77MPa,遠小于材料許用應力,因此是安全的。

通過“列舉合力”功能,分別查看滑動導軌和滾動導軌的合力。左側12塊滾動導軌豎直方向受力,累加數值為139700N;右側12塊滾動導軌豎直方向受力,累加數值為143100N;24塊滾動導軌總受力為282800N;中間滑動導軌豎直方向受力如圖14所示,數值為504000N。

根據機床設計手冊和廠家相關樣本,滾動導軌摩擦系數為0.0004至0.001,起動摩擦為1.5到2倍,滑動導軌即鑄鐵與聚四氯乙烯之間的動摩擦系數為0.02~0.03,靜摩擦系數為0.05~0.07。取最大值列表。

計算過程如下。起動軸向力為:3.58t;運動軸向力為:1.54t。

開放分享：優質有限元技術文章,助你自學成才