搜索CosmosWorks銑床結構分析
2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
用有限元軟件CosmosWorks對現(xiàn)場銑床進行建模和靜、動態(tài)性能分析,依據(jù)橫粱振動相對變形的振型和幅值,分析出影響加工精度的因素,為機床的結構優(yōu)化和改進設計提供可靠依據(jù)。
作者: 謝黎明*李大明*沈浩*靳嵐 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關鍵字: CosmosWorks 現(xiàn)場銑床 橫梁
現(xiàn)場銑床是用于石化裝置的現(xiàn)場加工設備。為了適應現(xiàn)場的加工環(huán)境,要求現(xiàn)場銑床在滿足性能、精度等條件下,其質量和體積盡可能最小。在實際應用中由于橫梁的受力變形引起振動,導致工件表面產(chǎn)生了波紋狀刀痕,嚴重影響了加工精度和表面質量。因此,有必要借助有限元軟件CosmosWorks,對機床主要移動部件進行靜、動態(tài)分析。
1 建模與理論分析
1.1實體模型的建立
采用SolidWorks軟件建立現(xiàn)場銑床的三維實體模型。銑床在加工時切削力經(jīng)主軸、主軸箱傳遞給橫梁,主軸箱的重力及懸臂產(chǎn)生的扭矩直接作用于橫梁,所以橫梁為現(xiàn)場銑床的關鍵部件,它的剛度直接影響加工精度,因此把橫梁、主軸箱作為主要分析的對象。
1.2現(xiàn)場銑床靜態(tài)和動態(tài)特性理論分析
將橫梁的結構簡化為兩點簡支梁支承形式,如圖1所示(a為橫梁中心到主軸箱質心距離),主軸箱的重力給橫梁一力矩M,根據(jù)機床運動情況,當主軸箱沿橫梁移動到中間位置時,是機床靜態(tài)剛度最弱的工作狀況,靜力學分析將選擇此時機床的位姿來計算。
首先,進行變量定義,設Fx為切向銑削分力;P為銑削力系數(shù);Sx為工件的移動距離;B為工件寬度;ap為背吃刀量;z為刀具齒數(shù);D為面銑刀直徑;m為橫梁和主軸箱有限元模型的總體質量矩陣;k為橫梁和主軸箱有限元模型的總體剛度矩陣;w為實數(shù),為簡諧運動的頻率;φ為任意常數(shù)。
根據(jù)銑削力計算公式,計算出在加工過程中刀具在各方向的受力。
以直徑40 mm的6齒盤銑刀銑削45#鋼(調質)工件為例,背吃刀量為5 mm時的進給量為每齒0.2 mm。各銑削分力可由與Fx的比值求得,Fx=1315.2 N,Fy=1808 N,Fx=3123.6 N。其中對加工精度影響最大的是沿Z向分力。
當銑床處于未工作時狀態(tài)時,主軸箱的自重G,使橫梁受到主軸箱施加的力矩M1。在銑削加工中,銑刀接觸工件時,主軸箱受的軸向銑削力E=3123.6 N,主軸箱的重力為G=1986.4 N,E>G,合力作用產(chǎn)生力矩M2,由于橫梁剛度不足,使得主軸箱有向上抬起的可能,在銑刀脫離工件時主軸箱受自重回落到原來位置,這樣產(chǎn)生了"讓刀"現(xiàn)象,如圖2所示,導致銑刀平面與工件面呈一角度,當橫梁作進給運動時,工件表面產(chǎn)生波紋狀刀痕,影響了加工精度。
在橫梁和主軸箱振動過程中,可轉化n自由度無阻尼系統(tǒng)有限元模型的自由振動方程為:
由于彈性體的自由振動可分解為一系列簡諧振動的疊加。因此可設式(1)的解為:
假定系統(tǒng)的質量矩陣與剛度矩陣都是正定的實對稱矩陣,可以證明,式(4)的冗個根均為正實根,它們對應于系統(tǒng)的咒個自然頻率,這里假定各根互不相等,即沒有重根,因而可以由小到大按次序排列為:
將求得的wr(r=1,2,…,n)分別代人式(3)求得相應的"u(r)"這就是系統(tǒng)的模態(tài)向量或振型向量。可知各階固有頻率與單位質量的剛度成正比,提高了單位質量剛度也就提高了固有頻率。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機床頻率接近或重合產(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,對于加工質量的影響不大,所以只分析最低階的幾階模態(tài)。
2橫梁結構的有限元分析
2.1 模型簡化
橫梁為鋼板焊接結構,因此各個焊點均作為模型的剛性節(jié)點,將主軸箱簡化為和實際結構重量基本一致的箱形結構,考慮到主軸箱與滑板的接觸變形遠小于橫梁的變形,所以滑板與主軸箱的接觸面定義為剛性接觸。
2.2劃分網(wǎng)格
將橫梁的實體模型導入CosmosWorks有限元軟件中,建立有限元計算模型,采用實體單元劃分網(wǎng)格,單元數(shù)目為17 256,節(jié)點數(shù)目為5 352,自由度數(shù)目為97 659。
2.3定義約束和施加載荷
橫梁兩端通過螺釘固定在滑座上,在有限元模型中,把橫梁的邊界約束簡化為與固定螺栓位置相置相對應節(jié)點的各個自由度來實現(xiàn)對橫梁的約束,橫梁受力為主軸箱的重力和銑削力,橫梁的最大變形量發(fā)生在主軸箱運行到橫梁中間位置時。
通過求解,橫梁的最大變形量為0.1547 mm,實際的加工誤差(0.15~0.20 ram)與分析結果非常接近。圖3為原結構位移云圖,對機床進行模態(tài)分析,可以明顯看出機床動態(tài)特性,即第1和第2階振型.如圖4和圖5所示。表1為前5階的固有頻率和振型。
通過分析可知,第l階振型中橫梁在外力激勵下產(chǎn)生較大幅度的變形,在加工中銑刀隨橫梁上下振動,嚴重影響了工件的加工精度和表面質量。因此設計中如何提高橫梁在Z向的抗彎剛度,減小切削時橫梁的變形量是提高機床動態(tài)性能的關鍵。
3 結束語
通過有限元軟件對橫梁建模,進行了靜態(tài)動態(tài)分析,得到了銑床加工中位移變形數(shù)據(jù)以及橫梁振型變化情況,所得結果與實際情況基本吻合,橫梁在Z向的抗彎剛度是影響加工精度的主要因素,因此要通過改進橫粱結構來提高橫梁剛度,進而提高加工精度。
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