车铣复合加工中心Y轴立柱的受力分析及结构优化

0引言

复合化是数控机床一个普遍发展趋势，在现代机 械加工中复合化数控机床发挥着愈来愈大的作 用[1]。车铣复合加工中心具有多轴联动功能，机床 动力刀架配合Y轴移动能实现强力铣削，Y轴立柱作 为动力刀架的一个重要支撑零件，必须对其进行最优 化设计以减少机床在强力切削时的振动，使加工零件 获得较高的加工精度和很好的表面粗糙度。目前国 内复合机床偏重于结构布局研究，对复合后机床支撑 件力学性能研究不足。笔者通过对车铣复合加工中 心Y轴立柱有限元仿真和分析，完成了对Y轴立柱 的优化设计，并在机床的实际使用中，证明优化后的 Y轴立柱很好的满足了机床的加工要求。

1立柱的建模

1.1立柱的三维建模及材料的定义

利用SOLIDWORKS进行立柱二维模型建立,在此过 程中，三维模型中的一些细小特征，比如加工倒角、螺 纹孔、工艺凸台等会影响有限元网格模型的建立，因 此对这些不影响力学性能的特征进行了简化,进行简 化后的三维模型如图1所示。根据立柱的使用情况 选择其材料为HT300铸铁，通过查阅相关参考文献 可得出材料弹性模量为150 GPa、泊松比为0. 27、密 度为 7 400kg/m3[2]。

1.2立柱有限元网格模型的建立

对简化后的立柱三维模型利用Simulation进行网格划分。在进行网格划分时，如果网格划分太细， 虽然会提高运算精度但也会加大运算时候的运算量, 因此，在对计算的精度不会有较大影响前提下选择合 适的网格单元大小就很重要[3]。笔者进行模型网格 划分时，朱用的网格单元大小12. 96 mm，经过网格划 分后，共有69 419个节点，43 337个单元，网格划分 后的模型如图2所示。

1.3载荷的施加及边界约束

立柱的受力主要是机床切削加工时的切削力和 刀架的重力，其中切削力通过刀具及刀架传递给立 柱。通过已知的切削参数及查阅相关参考文献，可计 算出切削力三个方向的分力大小:切向力2 029 N，径向力Fy = 569 N，轴向车削力& = 620 N[4]。刀 架的质量为396 kg，由于机床切削力和刀架重心与立 柱受力点之间存在一定距离，经过将切削力与刀架重 力进行合成并经过施加远程载荷，可以模拟机床进行加工时的状态。

立柱通过螺钉与机床床鞍进行刚性连接，因此可 以将立柱下面的六个自由度全部约束,对立柱进行约 束并施加远程外力载荷后，得出立柱的受力示意如图 3所示。

1.4计算结果

将各条件确定后，经过Simulation模块进行运算 分析，得到了立柱的应力、应变图解及总位移图解 (见图4 ~6所示）。

2对运算结果分析及结构优化

2.1受力分析

通过图4、5可以看出立柱左端的筋柱上受到的 应力及应变较大，最大应力为21.37 N/mm2,在设计 中应该是结构优化的关键位置,而其他位置并没有出 现较高的应力及应变。

2.2位移分析

通过图6可以看出,立柱最大变形位移出现在立 柱左端的筋柱上部区域，最大变形位移为0.027 mm， 由于结构布局需要，立柱左端处布置有Y轴电机，因 此左端处留有较大空位,这就使得立柱局部变形位移 较大。由于立柱是机床加工时受力关键部件,该局部 变形会在一定程度上直接影响机床的加工精度，因此 有必要对立柱进行结构优化设计。

2.3结构优化

通过以上分析可知,立柱左端的筋柱区域是结构 优化的重点，可以做有针对性结构加强。首先将立柱 左端处筋壁的厚度进行了改进，由原来的20 mm增加 为25 mm，其次，在与Y轴电机不发生干涉的前提下，将立柱左端的空位尺寸改小，提高此处的结构刚性。 另外,在立柱受应力、应变较小的顶部设计了三个减重 孔,改进后的立柱重量比原来的重量只增加了 2 kg。

经过结构改进后的立柱再此利用Simulatiom进 行有限元仿真和分析[5]，其应力、应变图解及总位移 图解如图7 ~9所示，从分析结果可知,优化后的立柱 最大的变形位移由之前的0.027 mm减少到了 0.009 mm，而重量只增加了 2 kg。该机床装配完成,实际使 用效果良好，加工精度和加工表面粗糙度都达到了设 计要求。

3结语

车铣复合加工中心凭借其高效率、高精度及较强 的加工性能，越来越受到广大机床用户的青睐，因此， 如何构思、设计车铣复合加工中心，已经成为机床企 业工程师当下任务[6]。笔者利用Simulatiom对车铣 复合加工中心Y轴立柱进行有限元仿真和分析过 程，完成了对Y轴立柱的优化设计，通过对机床的实 际使用，证明优化后的Y轴立柱很好的满足了机床 的加工要求，实践证明利用有限元仿真和分析方法, 能够缩短机床设计周期和提高设计效率。

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