引言
數控機床的靜剛度對其加工精度具有顯著影 響1,機床的靜剛度可以通過試驗法測量。仇健等2 測量了某系列臥式加工中心主軸的靜剛度,并討論了 主軸剛度的配置方法。李殿新等3以某立式加工中心 為對象,測量了機床整機和主要零件的變形,識別了機 床y向靜剛度的薄弱環節。試驗法雖然可以準確獲取 機床的靜剛度,但試驗必須在機床制造裝配完成后開 展,而有限元法可以在設計階段對機床的性能進行分 析和優化,從而經濟高效提高機床的加工精度。國內 外學者對機床的靜剛度開展了大量仿真研究,分析結 果卻差強人意,而影響仿真精度的最關鍵因素是無法 對零部件間的結合面準確建模。劉啟偉等4仿真了某 車床整機的靜剛度,向尾臺的仿真誤差達到77. 3%。 孫永平等5仿真了某G型結構立式鏜銑床的靜剛度,
但沒有給出結合面間的參數。
本文以某立式加工中心為研究對象,首先建立了 該機床整機的實體模型,然后將結合面參數添加至有 限元模型,之后對機床整機的靜剛度進行了仿真分析, 最后開展了機床靜剛度試驗,證明了本文仿真分析的 準確性。
1機床整機實體模型建立
本文研究的機床如圖1所 示,主要由床身底座、床身、立柱、 主軸箱、主軸、刀柄、十字滑臺和 工作臺組成。在Pro/E中建立機 床的實體模型時,將尺寸較小的 ?L、凸臺、鍵槽等特征簡化,建立 的整機實體模型如圖2所示。
建立實體模型后,將模型導入ANSYS中進行有限 元分析。圖2中零件的材料均為HT300,彈性模量為 120GPa,泊松比為0. 3,密度為7200kg/m3。添加材料 屬性后,對機床整機采用自由網格劃分,有限元模型共 有127259個節點和65916個單元,如圖3所示。
機床的兩個相鄰零件以結合面的方式接觸,大量 研究表明,機床總柔度的30% ~50% 6是由于結合面 產生的。機床整機靜剛度仿真時,通常將結合面的剛 度值通過彈簧單元的方式添加到有限元模型中。本文 對仿真精度影響較大的結合面存在于床身底座與床 身、床身與立柱、立柱與主軸箱、主軸箱與主軸、主軸與 刀柄、床身與十字滑臺、十字滑臺與工作臺之間。
本機床結合面的類型主要有以下3類:①存在于 床身底座與床身、床身與立柱、主軸箱與主軸之間的螺 栓固定結合面,建模時在每個螺栓位置沿x、、向各 添加一個彈簧單元;②存在于立柱與主軸箱、床身與十 字滑臺、十字滑臺與工作臺之間的導軌滑塊結合面,建 模時在每個滑塊與導軌接觸面的4個頂點處沿x、、 向各添加一個彈簧單元;③存在于主軸與刀柄之間的 軸承結合面,建模時在每個軸承位置沿軸向和徑向各 添加一個彈簧單元。
影響結合面剛度值的因素很多,如相鄰兩個零件
的重量、結合面的面積、預緊力大小、接觸表面的粗糙 度等[740]。課題組對結合面剛度辨識方法進行了大量 研究,并建立了剛度值數據庫,通過查詢數據庫,得到 各結合面的剛度值如表1所示。另外,主軸與刀柄之 間存在前軸承、后軸承兩處支撐,前軸承的軸向剛度為
0. 6 xl0sN/m,徑向剛度為7. 7 x 10sN/m;后軸承的軸 向剛度為1. 6 x 108N/m,徑向剛度為7. 5 x 108N/m。
表1各結合面的剛度值(109 • N/m)
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本文仿真機床整機沿x、、3個方向的靜剛度時, 將數值為2000N且反向的載荷分別施加在刀柄下端 面和工作臺上端面的中心點,并將床身底座與地面的 接觸面固定約束。機床 向靜剛度的仿真結果分
別如圖4、圖5、圖6所示。
由圖4可以看出,向仿真時,刀柄中心點的位移 為-0. 20364mm,工作臺中心點的位移為+0. 0025570 mm,兩者的相對位移為0. 2061970mm,因此x向的靜 剛度為: ⑴
由圖6可以看出,向仿真時,刀柄中心點的位移 為+0. 10951075 mm,工作臺中心點的位移為 -0.021486mm,兩者的相對位移為0. 13099675mm,因 此z向的靜剛度為:
2000
0. 13099675
根據仿真結果可知,向的靜剛度最小,向的靜 剛度最大。施加載何后,由床身底座、床身、十字滑臺 和工作臺串聯組成的支路變形很小,而由床身底座、床 身、立柱、主軸箱、主軸、刀柄串聯組成的支路變形大得 多。由圖4、圖5、圖6可以看出,施加載荷后,立柱帶 動主軸箱、主軸和刀柄變形。因此,可以采取以下措施 提高機床整機的靜剛度:①加大立柱與床身之間結合 面的剛度值;②改變立柱內部筋板的布局,從而提高立 柱本身的靜剛度。
為了驗證仿真分析的準確性,對機床靜剛度開展 試驗測試。將機床各零件放置在與仿真分析時對應的 位置上;采用壓力傳感器施加載荷,將壓力傳感器的下 端固定在工作臺上,2000N的載荷施加在刀柄上;采用 千分表測量刀柄相對工作臺的變形,千分表的底座固 定在工作臺上,指針垂直于刀柄的被測表面。x、、向 靜剛度試驗測試分別如圖7、圖8、圖9所示。
每個方向均測量3次,3次結果取平均值,3個方 向的靜剛度試驗結果如表2所示。為了驗證仿真分析 的精度,將仿真分析的剛度值、仿真誤差也列于表2。
表2靜剛度試驗與仿真值對比
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由表2可以看出,3個方向的仿真誤差均在±5% 以內,說明第3節使用的結合面參數準確,本文建立的 有限元模型準確反映了機床整機的實際靜剛度。
5結論
本文以某立式加工中心為對象,首先采用有限元 軟件仿真分析了機床整機的靜剛度,重點介紹了各主 要結合面的建模方法和結合面剛度值,仿真分析得到 *、、3個方向的靜剛度值分別為9700 N/mm、12258 N/mm、15268 N/mm,試驗測試得到3個方向的靜剛度 值分別為 9255 N/mm、11700 N/mm、15517 N/mm,證 明本文的有限元模型精度很高。為了提高機床整機的 靜剛度,可以修改立柱內部筋板的布局從而提高其靜 剛度,并加大立柱與床身之間結合面的參數。
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