SolidWorks臥式加工中心導(dǎo)軌設(shè)計(jì)驗(yàn)證一體化研究

2013-08-08 by:逆向工程中心-設(shè)備設(shè)計(jì)組來(lái)源:仿真在線

一、虛擬樣機(jī)的建模

1.三維實(shí)體建模

臥式加工中心是指主軸軸線與工作臺(tái)平行設(shè)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(tài),通常帶有可進(jìn)行分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的正方形工作臺(tái)。一般具有3~5個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo),常見(jiàn)的是三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)加一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo),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(gè)面的加工,最適合加工箱體類零件。一般具有分度工作臺(tái)或數(shù)控轉(zhuǎn)換工作臺(tái),可加工工件的各個(gè)側(cè)面;也可作多個(gè)坐標(biāo)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng),以便加工復(fù)雜的空間曲面。

以某型號(hào)的臥式加工中心為例,采用SolidWorks2011三維CAD軟件對(duì)臥式加工中心的工作臺(tái)床身等主要部件進(jìn)行三維建模,然后根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能要求,對(duì)各個(gè)部分的模型進(jìn)行裝配,再結(jié)合分析需要,將部件調(diào)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(dòng)導(dǎo)軌、兩條滑動(dòng)導(dǎo)軌和一個(gè)工件組成,工件模型放置在工作臺(tái)中間,工件長(zhǎng)度10000mm,寬度2500mm,假設(shè)在較正常的工況下,即床身受力均勻,故根據(jù)需要將工件處理為均勻的長(zhǎng)方體,設(shè)置工件密度使得重量為50t,工作臺(tái)由外側(cè)左右兩條滾動(dòng)導(dǎo)軌和內(nèi)側(cè)左右兩條滑動(dòng)導(dǎo)軌(圖中綠色部分)支撐。

二、有限元分析

1.邊界條件

根據(jù)實(shí)際工況在SolidWorks2011中設(shè)定工作臺(tái)及床身的材料為HT300,根據(jù)廠商樣本查得滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種導(dǎo)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(shè)置為接合,單獨(dú)設(shè)置導(dǎo)軌和工作臺(tái)接觸面組為無(wú)穿透,即較真實(shí)地將導(dǎo)軌接觸的兩個(gè)面看成是兩個(gè)部分。外部載荷設(shè)置為豎直向下的引力,即只考慮重力。因?yàn)榉治瞿繕?biāo)是導(dǎo)軌面的應(yīng)力,故網(wǎng)格控制設(shè)置將導(dǎo)軌和工作臺(tái)接觸面網(wǎng)格大小設(shè)置為20mm,比率1.5,共計(jì)189935個(gè)單元。

2.靜力學(xué)分析

對(duì)于不同的工況,根據(jù)工作臺(tái)表面放置工件形狀不同,導(dǎo)軌寬度不同,有限元分析結(jié)果也存在很大差異。根據(jù)所提出的邊界條件進(jìn)行靜力學(xué)分析,可以得出部件的應(yīng)力、應(yīng)變和位移圖解。圖中該狀態(tài)下的最大應(yīng)力為5.7MPa,最大位移為0.0132mm,通過(guò)查閱廠商樣本和機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè),得知導(dǎo)軌間斷使用時(shí)的許用應(yīng)力為175MPa,實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力,滿足強(qiáng)度條件,符合設(shè)計(jì)要求。

3.模態(tài)分析

由于臥式加工中心床身工作臺(tái)工作中存在振動(dòng)不穩(wěn)定的情況,所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析的主要任務(wù)是研究無(wú)阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng),特別是結(jié)構(gòu)的固有頻率,可以通過(guò)改變部件的結(jié)構(gòu)質(zhì)量或者形狀來(lái)避開(kāi)這些共振頻率,或最大限度地減小對(duì)這些共振頻率上的激勵(lì),從而消除過(guò)度疲勞或損壞,保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性。

選擇頻率分析算例,根據(jù)上文提出的邊界條件進(jìn)行設(shè)置,上述工況狀態(tài)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(tái)床身的一階模態(tài)振型是沿著Z軸彎曲變形,二階模態(tài)振型是沿著Z軸扭曲變形,三階模態(tài)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(tài)振型是床身左端沿著XZ平面彎曲變形,五階模態(tài)振型是床身中段沿著XZ平面彎曲變形。四階模態(tài)和五階模態(tài)振型表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)不同部位出現(xiàn)鼓起狀振動(dòng),表現(xiàn)出系統(tǒng)的空間固有特性。

振動(dòng)本質(zhì)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(chǎn)生機(jī)械結(jié)構(gòu)較大的應(yīng)變和應(yīng)力集中,高階影響則較小,因此我們選取前五階模態(tài)進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)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(jī)頻率沒(méi)有產(chǎn)生耦合,不會(huì)產(chǎn)生共振破壞。

4.優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是在保證模型約束條件的前提下,盡可能使模型達(dá)到質(zhì)量輕、體積小、形狀合理及成本低,以及最大限度減少應(yīng)力集中現(xiàn)象等。在該幾何模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,優(yōu)化目標(biāo)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(dòng)導(dǎo)軌選型已定,所以在此定義設(shè)計(jì)優(yōu)化變量為滑動(dòng)導(dǎo)軌的寬度。

基于之前的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析,新建一個(gè)設(shè)計(jì)算例,“變量”設(shè)置選擇滑動(dòng)導(dǎo)軌寬度,和步長(zhǎng)范圍,最小值為30mm,最大值為90mm,步長(zhǎng)為20mm?！凹s束”為靜態(tài)算例中的豎直方向最大位移。根據(jù)機(jī)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(biāo)”為模態(tài)算例中的模型一階固有頻率最大。軟件由此生成四個(gè)活動(dòng)算例,并得到收斂。參數(shù)列表如表1。

由表1可見(jiàn),滑軌寬度為50mm時(shí)是較合適的,因?yàn)榇藭r(shí)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(gè)平衡值。

三、校核

在確定滑動(dòng)導(dǎo)軌寬度為50mm的情況下,再一次進(jìn)行靜力學(xué)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(yīng)力圖解可知將滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌面都選定以后按照應(yīng)力大小排布得出,最大處應(yīng)力為1.77MPa,遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力,因此是安全的。

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

根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)和廠家相關(guān)樣本,滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.0004至0.001,起動(dòng)摩擦為1.5到2倍,滑動(dòng)導(dǎo)軌即鑄鐵與聚四氯乙烯之間的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.02~0.03,靜摩擦系數(shù)為0.05~0.07。取最大值列表。

計(jì)算過(guò)程如下。起動(dòng)軸向力為:3.58t;運(yùn)動(dòng)軸向力為:1.54t。

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