0 引言
普通的立式車床龍門結(jié)構(gòu)中由于橫梁、立柱的不對稱性設(shè)計(jì),容易造成加工精度降低,誤差較大的情況。現(xiàn)在探索一種新型的龍門結(jié)構(gòu)這個(gè)新結(jié)構(gòu)相對熱源采用對稱的設(shè)計(jì)。這個(gè)新的對稱性設(shè)計(jì),有助于車床工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳播的平衡性,能夠保證加工時(shí)加工精度。
新的結(jié)構(gòu)主軸或刀架被放置在橫梁截面中間,采用對稱橫梁結(jié)構(gòu),立柱也采用對稱結(jié)構(gòu),橫梁被置于立柱截面中間,立柱的左右兩部分的熱膨脹量大致相等。采用這種結(jié)構(gòu),可以減少加工時(shí)車床結(jié)構(gòu)熱變形。現(xiàn)在針對提出的這種新型龍門結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和分析[1]。
1 龍門結(jié)構(gòu)的有限元模型建立
模態(tài)分析是機(jī)械和結(jié)構(gòu)動力學(xué)中一種極為重要的分析方法[3]。計(jì)算模態(tài)分析從機(jī)械、結(jié)構(gòu)的幾何特性與材料特 性等原始參數(shù)出發(fā),采用有限元法形成系統(tǒng)的離散數(shù)學(xué)模型—質(zhì)量矩陣和剛度矩陣,然后通過求解特征值問題,確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。由模態(tài)迭加法,可以分析機(jī)械、結(jié)構(gòu)在已知外載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)或動態(tài)穩(wěn)定性問題。
利用三維繪圖軟件NX8.0 建立三維模型,對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化(忽略倒角、倒圓、小孔等小特征)后,將所建模型直接導(dǎo)入 ANSYS Workbench 中。定義立柱材料及其屬性,四面體單元對網(wǎng)格的劃分則比較靈活,對于結(jié)構(gòu)不規(guī)則的幾何模型,也能劃分出較為規(guī)則的網(wǎng)格,同時(shí)也能夠保證計(jì)算的精度。網(wǎng)格大小為 100mm,得到有限元模型如圖 1 所示。
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3 結(jié)語
結(jié)合大型數(shù)控機(jī)床的實(shí)際激勵狀況,對于改進(jìn)后的機(jī)床龍門結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。機(jī)床立柱上絲杠的聯(lián)接部位給橫梁兩端施加固定約束,將無摩擦約束設(shè)置在機(jī)床滑動導(dǎo)軌副和橫梁中間位置,用來限制橫梁的法向位移。先在給橫梁和主軸箱結(jié)合位置施加 XYZ 三個(gè)方向的等效集中載荷,通過分析模態(tài)和靜力分析,得到了固有頻率和模態(tài)振型,振型圖表明各個(gè)部件的動態(tài)性能情況,從這也可以看出各個(gè)結(jié)構(gòu)的變形形式和最大變形區(qū)域出現(xiàn)的位置。對于龍門結(jié)構(gòu)的熱平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)后,通過有限元分析,可以看出機(jī)床龍門結(jié)構(gòu)在不同載荷下的變形形狀和最大變形區(qū)域,通過分析可得到龍門結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié), 為車床結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的理論支持和依據(jù)。