消失模數(shù)控加工論文范文

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1本體機(jī)構(gòu)有限元分析

1.1機(jī)架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析（1）材料選取與有限元模型的建立機(jī)架采用GB/T3094-2000里的冷拔異型鋼管，材料為Q235A鋼。其主要性能參數(shù)如下：抗拉強(qiáng)度σb=375MPa，屈服強(qiáng)度σs=235MPa，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.25，密度ρ=7850kg/m3[3]。為了適應(yīng)有限元計(jì)算，必須本體機(jī)構(gòu)機(jī)架進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，略去許多不影響床身剛度的細(xì)微結(jié)構(gòu)（如小倒角，小圓弧，小凸臺(tái)，安裝螺紋孔等）。計(jì)算立柱，床鞍，主軸箱等構(gòu)件的重量并將上述重量均作為作用在床身上的附加質(zhì)量處理，即在相應(yīng)坐標(biāo)位置創(chuàng)建質(zhì)量單元模擬其質(zhì)量，或者作為作用在床身上的附加載荷處理。簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。本次網(wǎng)格劃分方式同上述Y軸有限元網(wǎng)格劃分方式。共得到18135個(gè)單元，75404個(gè)節(jié)點(diǎn)。劃分結(jié)果如圖3所示。（2）約束及載荷條件設(shè)置機(jī)架通過(guò)地腳螺釘與地基固定，簡(jiǎn)化為在地腳螺釘面上加全約束以達(dá)到約束的目的。機(jī)架受到的外力為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重力，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)的反作用力，收到切削力作用時(shí)的扭矩。（3）有限元結(jié)果分析機(jī)架的變形對(duì)于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位與安裝以及精確加工來(lái)說(shuō)影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)比較關(guān)心。由圖4可知，最大變形主要發(fā)生在上端橫梁的兩支撐腿之間，最大變形量為0.077287mm，這是因?yàn)樯隙藱M梁的鋼管內(nèi)無(wú)加強(qiáng)筋加固，這樣就造成其抗彎和抗扭能力稍微薄弱。應(yīng)力最大處發(fā)生在機(jī)架上端橫梁中部上，大小為8.0461MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度值。綜上，機(jī)架的最大應(yīng)變和應(yīng)力都發(fā)生在上方橫梁處，但是各自的值都很小，都在企業(yè)機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)允許的誤差范圍以及材料的屈服強(qiáng)度范圍之內(nèi)，故此可知機(jī)架的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度都能滿足機(jī)床的正常使用要求。

1.2機(jī)架模態(tài)分析對(duì)于長(zhǎng)期承受動(dòng)力載荷的結(jié)構(gòu)部件，一般需對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。因?yàn)槟B(tài)分析不僅可以評(píng)價(jià)該結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，還能夠清楚認(rèn)識(shí)該結(jié)構(gòu)振動(dòng)的形態(tài)，并了解其阻尼分布情況，進(jìn)而提前避免可能會(huì)引起的共振。由于機(jī)架是一個(gè)連續(xù)體，質(zhì)量和彈性是連續(xù)分布的，所以，應(yīng)具有無(wú)窮多個(gè)自由度，也就有無(wú)窮多階模態(tài)。由于激振力的頻率一般都不太高，因而，只有最低階的幾階頻率才有可能與本體機(jī)構(gòu)機(jī)架頻率接近或重合產(chǎn)生共振。高階模態(tài)的頻率已高于可能出現(xiàn)的激振頻率，一般不可能產(chǎn)生共振，對(duì)于加工質(zhì)量的影響不大，所以只研究最低階的幾階模態(tài)。本次研究對(duì)機(jī)架的前四階模態(tài)進(jìn)行了研究，其振型云圖見(jiàn)圖5。由上圖5可以看出，一階振型的共振頻率是53.49Hz，大于35.35Hz的數(shù)控機(jī)床最低設(shè)計(jì)安全頻率。一階振型越高，本體機(jī)構(gòu)機(jī)架的剛性越好。故此可知機(jī)架的設(shè)計(jì)能滿足機(jī)床的使用要求[5]。

2運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及有限元分析

與普通數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相比，消失模數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有自己的特點(diǎn)，由于消失模加工的切削力較小，一般為10~50N左右，而且工件表面加工質(zhì)量高，因而切削刀具轉(zhuǎn)速很高，這就要求運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重量要小，以便減小慣性力[6]。故此本次研究對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元分析指導(dǎo)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

2.1運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，采用龍門(mén)式大跨度結(jié)構(gòu)，具有5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，如圖6所示，雙X軸、單Y軸以及單Z軸均為絲杠傳動(dòng)，C軸固定于Z軸下方，A軸固定于C軸上。

2.2運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主承載軸有限元分析在消失模數(shù)控加工成形設(shè)備的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，Y軸的直線運(yùn)動(dòng)單元屬于運(yùn)動(dòng)部件，Z軸單元是Y軸單元的負(fù)載，而X軸作用于主體機(jī)構(gòu)機(jī)架上，故Y軸是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的主承載軸。為滿足加工精度的要求，Y軸的基座必須具有足夠的剛度。而Y軸作為運(yùn)動(dòng)部件，為了降低慣性力需要降低自身重量。因此，主承載軸Y軸設(shè)計(jì)時(shí)，加入帶孔的筋板以加強(qiáng)橫梁的剛度，其不僅滿足了使用性能，而且達(dá)到了減重的目的。對(duì)于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主承載軸Y軸的結(jié)構(gòu)，在切削加工時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生些許變形，這對(duì)于機(jī)床的加工精度非常不利。為此在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)就需要合理布置橫梁加強(qiáng)筋及截面導(dǎo)軌的布置方式。為了能夠更好進(jìn)行運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主承載軸結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，采用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是很必要的。

2.2.1主承載軸結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析（1）材料選取及有限元模型的建立考慮到輕量化設(shè)計(jì)要求，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主承載軸Y軸也采取Q235A鋼，其主要性能參數(shù)如1.1。本次研究對(duì)主承載軸Y軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模，建模過(guò)程中做了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，如忽略過(guò)渡圓角、螺紋孔以及直徑小于10mm孔等處，建立好的幾何模型如圖7所示。網(wǎng)格劃分運(yùn)用的是四面體與六面體結(jié)合的自動(dòng)網(wǎng)格劃分方式，并且采用了局部細(xì)化網(wǎng)格的方法來(lái)劃分，得到28313個(gè)單元，63153個(gè)節(jié)點(diǎn)。建立好的有限元模型如圖8所示。（2）邊界條件設(shè)置及加載對(duì)主承載軸Y軸的有限元模型施加了如下的邊界條件及載荷：考慮到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重力，施加了重力加速度條件；對(duì)主承載軸Y軸的底部施加了固定約束；考慮到主承載軸Y軸會(huì)在移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生加速度，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)施加了最大為0.5mm/s的加速度載荷；Z軸通過(guò)滑塊固定于Y軸側(cè)面，Z軸和雙擺頭的重量對(duì)Y軸產(chǎn)生了力矩，故此對(duì)Y軸施加了力矩載荷。（3）有限元結(jié)果分析如圖9所示主承載軸Y軸的最大變形量為0.025454mm，發(fā)生在主承載軸Y軸正中間靠前面的部位。最大變形值在企業(yè)機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)允許的誤差范圍之內(nèi)。主承載軸Y軸的最大主應(yīng)力為4.091MPa，發(fā)生在主承載軸Y軸與Z軸的連接部位。最大應(yīng)力值小于Q235A材料的屈服強(qiáng)度235MPa。由上可知，在靜態(tài)受力分析中，受自重和Z軸重力對(duì)主承載軸Y軸的作用，最大應(yīng)力點(diǎn)和最大變形處都處于主承載軸Y軸與Z軸連接處，這是因?yàn)橹鞒休d軸Y軸在中間部位受到來(lái)自Z軸的扭轉(zhuǎn)力矩的緣故。綜上，Y軸的最大變形和最大主應(yīng)力都在允許范圍內(nèi)，故此其結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度皆能滿足機(jī)床的使用要求和許用條件。

2.2.2主承載軸模態(tài)分析由圖10看出，一階振型的共振頻率是95.882Hz，大于35.35Hz的數(shù)控機(jī)床最低設(shè)計(jì)安全頻率。一階振型越高，主承載軸Y軸的剛性越好。其次由于在高速切削設(shè)備中，主承載軸Y軸的振動(dòng)模態(tài)相對(duì)位移量的大小主要影響到加工精度，所以要求主承載軸Y軸的振動(dòng)模態(tài)相對(duì)位移量小。計(jì)算結(jié)果顯示主承載軸Y軸的變形量非常小，對(duì)加工精度的影響微乎其微[5]。

3小結(jié)

（1）本次設(shè)計(jì)的本體機(jī)構(gòu)機(jī)架在靜力學(xué)（剛度、強(qiáng)度）方面均安全、可靠，動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析結(jié)果顯示機(jī)架在工作狀態(tài)下可能出現(xiàn)的振型值很小，故此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全能滿足該設(shè)備的使用要求。（2）本次采用輕量化設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主承載軸在結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析方面皆能滿足該設(shè)備運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的使用要求和許用條件。（3）本文的研究結(jié)果為消失模數(shù)控加工成形設(shè)備的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有效的理論依據(jù)。

作者：劉麗敏單忠德劉豐藍(lán)盾單位：機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室