SSCKZ80—5数控机床机构的力学有限元分析.pdf

第 3 9 卷第 1 期 2 O 1 1年 2月 现 代 冶 金 M o d e r n M e t a l l u r g y Vo1 ．3 9 No．1 Fe b．2 0 11 S S C KZ 8 0 5数控机床机构 的力学有限元分析 李 丽梅 ，王佩林 江苏大垣集 团有限公 司， 江苏 南京 2 1 l 1 1 2 摘 要 利 用ANS Y S软件对S S C K Z 8 0 5 数控机床机构进行 了力 学有限元分析 ， 通过计算得 出车削力和铣 削力， 并在 机 构 上 施加 载荷 ， 得 出有 限元 分析 结 果 。 关 键 词 数控 机 床 ； 有 限元 模 型 ； 受 力分 析 中图分类号 T G6 5 9 ； O2 4 1 ． 8 2 引 言 S S C KZ 8 0 5车削 中心 的研 制 与 开发 是 沈 阳数 控机床 有限责任 公司承 担 的 “ 精密制 造与数 控关键 技 术研究 和应用 开发 ” 项 目中的“ 高 速 、 高精 密数 控 车床” 课题。S S C KZ 8 0 5五轴车削加工中心的研制 与开发成功开 创 了国内该类 车 削中心的先例 。对该 台车削 中心 的研制 、 开发 与完善 过 程 中需 要 解决许 多关键 技术问题 。 S S C KZ 8 0 5数控机床 在给定的情 况下 ， 能否满足加工 要求是非 常重要 的。 对该 机床进 行 力学 刚度 有限元分 析的 目的就 是通过对机床 在要 求 情 况 下进 行力 学 分 析 ， 得 出机 床 的 静 态、 动态 特 性 ， 确 保 机 床 能够 满 足 生 产 要求 。本 文 首先 利 用 S o l i d w o r k s软件对 该 机床 机构 进行 三维 建模 ， 再将 模 型 导入 有 限 元 分 析 软 件 ANS Y S创 建 有 限元 模 型 ， 分别对 机构施加 车削力 和铣削力载荷并 求解 ， 最 后 对 有限元 分析 的结 果进 行分 析 ， 进 而证 明该机 床 机 构可满足 生产要求 。 1 S S C Kz 8 0 5数 控 机床 机 构建 模 本 文采用 的是 使用S o l i d w o r k s 软件 进行零件几 何 建 模 ， 然后 导 人 有 限元 分 析 软件 的方 法 。S o l i d w o r k s的 实体 建模 功 能强 大 ， 能够 比较 快地 建立 零 件 实体 模 型 。将 模 型 导入 ANS Y S软 件 ， 最终 得 出 S S C KZ 8 0 5数控机床 机构有 限元模 型 ， 如 图1 所 示 。 图 1 S S C KZ 8 0 5 数控机床机构有限元模型 2 车削情况下机构的受力分析 2 ． 1 车削力 的计算 设 主车 削力 为 F1 0 0 0 0 N； S S C KZ 8 0 5数 控 机床 机构 各 部件 的重力 和为 1 2 0 0 0 N ； 机 构 受 到 的 车 削反 作 用 力 为 F 一 1 0 0 0 0 N， F 2 5 00 0 N ； 导轨面 上受力 F一～1 0 0 0 0 N； 导轨 面 总面积 2 2 3 0 0 0 mm。 ； 压强 口 一0 ． 0 4 4 8 N／ mm 主车 削力 的反 作用力产 生的力矩为 一 1 0 0 0 0[ 3 5 6 5 2 7 4 0～ 6 0 0 5 5 0 ／ z ]一 5 X 1 0 N mi l 1 副车削力 的反作用力 产生 的力矩 为 一 5 0 0 0 5 0 0 2 ． 5 1 0 。 N F i l m 总 的力矩为 7 ． 5l 0 N ram 各点受力 F 1 4 0 0 N； F 一～1 2 0 0 0 1 4 0 0 一 1 3 4 0 0 N ； F 一 5 0 0 0 N ； M 一 一 1 2 00 0X 1 0 0一 l 0 0 0 0 1 0 0一 收稿 日期 2 O 1 0 一 O 5 2 6 作 者 简 介 李 丽梅 1 9 7 8 ～ ， 女 ， 工 程师 。电话 0 2 5 5 1 l 9 8 7 5 2 第 1 期 李丽梅 ， 等 S S C K Z 8 0 5 数控机床机构 的力学有限元分析 2． 2 1 0 。 N mm ； M x 一 0． 7 0 7 朋 一 5 1 0 N mr l i ； M ． 一 ～51 0 N I Y I I n 。 图 2 车削力情况 下机构 的受力 分析 2 ． 2 机构 有 限元受力 分析 使用有 限元分 析软件 分 析过程 主要 包含 三部分 内容 创 建有 限元 模 型 、 施 加 载 荷 并 求 解 和 分 析 结 果 。机构有 限元受 力分 析具 体步 骤如 下 2 ． 2 ． 1 创 建有 限元模 型 在 ANS YS软件 中导 入机 构 有 限元模 型 。设定 机 构材 料 的各性 能 参数 ， 如材 料 的 比重 、 杨 氏模量 、 抗拉 强度 、 屈 服轻度 、 泊 松 比等 。并 进行 有 限元 模 型 网格划 分 ， 有 限元 分 析结 果 的精 确 度 和 网格 划 分 的 密度 是 紧密 相关 的 。 网格划分 的越 密 ， 计 算精 度就越 准确 ． 但 同时也带来 了计 算成 本 的增 高 ， 而且 密度达 到 一定 程度 时结 果 的准 确 度提 高 很 小 ， 而计 算 成本 却成 级数增 加 。如 何达 到最佳 点 ， 也需 要反 复实验 。 2 ． 2 ． 2 施加 载荷 并 求解 首 先 定 义机 构 的约 束 ， 然 后定 义 机 构承 受 的力 车 削力 、 面载荷 、 体载 荷 如 重力 等 。运行 有 限元 分 析 ， 最终 得 到承 受切 削力 情 况下 机 构 的有 限 元分 析结果 ， 如 图 2所示 。 2 ． 2 ． 3 分 析 结 果 由图 2的分 析 可 知 ， 在 机 构 承受 车 削力 的 情况下 ， 仅 在受力位 镫 ；f} f 近有 少量 的变形 ， 最 大变形 量仅 为0 ． 2 6 1 0 mi l k ， 其他 位置 的变形 很小 。 表 明 车削工 作状 态下机 构刚 度足 够大 ， 力 学 特性 良好 ， 可 满足 车削生产 要求 。 3铣 削情 况 下 机构 的 受 力 分析 3 ． 1铣削 力的计算 3 ． 1 ． 1 铣 刀参数 即铣 制参数 铣 刀直径 1 0 0 mm； 铣刀齿 数 6 ； 铣刀线 速度 3 m／ s ； 铣 刀转 速 一铣刀线速 度／ 铣刀直 径 一 9 ． 5 5 5 r ／ s ； 激 振频 率 一铣刀齿数 铣 刀转 速 一5 7 ． 3 ； 切 削 用 量 d 一 5 mm， 口 ， 一 0 ． 0 2 mm／ 齿 ， a 一 1 0 0 h i m ； 铣 刀材 料 高 速钢或 硬质合 金 ； 工 件材 料 4 5 或铸铁 。 3 ． 1 ． 2 铣 削力 的计算 查 机 床设 计 手 册一 z ] ， 利 用 有关 铣 削 力 的计 算 公 式 ， 可计 算 得铣 削力 ， 结果 如表 1 所示 。根 据 表 1 数 据 ， 综合 考虑各 种情 况 ， 最 大 的铣 削力 为 1 2 2 N。 表 1 各类型 刀具铣削力表 3 ． 2 机 构有 限元 受力分 析 铣 削力情 况下 机构有 限元受 力具 体分 析步骤 如 下 3 ． 2 ． 1 创 建有 限元模 型 导 人机 构 有 限元 模 型 ， 设 定 机 构材 料 的各 性 能 参 数 。并进行 有 限元模型 网格 划分 。 3 ． 2 ． 2施加 栽荷 并求 解 首 先定 义 机构 的约 束 ； 而 后 定 义机 构 承受 的力 铣削力 、 面载 荷 、 体载荷 如重 力 、 惯 性载 荷等 。 进 行 求解 分 析 ， 运行 有 限 元分 析 ， 最终 ， 得 到 承受 铣 削 力 情况 下机构 的有 限元分 析结果 ， 如 图 3 所 示 。 图 3 铣削力情况下机构的受力分析 现代 冶 金 第 3 9卷 3 ． 3 ． 3分 析 结 果 由图 3的分 析结 果 可知 ， 在机 构 承受 车 削力 的 情况 下 ， 仅在受力 位置 附近有少量 的变形 ， 最大 变形 量为 0 ． 8 5 9 1 0 一 mm， 其他 位置 的变形很 小 。表 明 铣削 工作状 态下机构 刚度足 够大 ， 力学特性 良好 ， 可 满足铣 削生产要求 。 4 结论 在给定 的车削力 、 铣 削力 的情况 下 ， S S C KZ 8 O 一 5 数控机 床机构 仅在 受力 位置 附近 有少 量 的变形 ， 其 它位 置的变形很小 ， 表 明机 构的刚度 足够大 ， 力 学特 性 良好 ， 可满足生产 要求 。 参考 文献 [ 1 ] 吴玉华． 金属切 削加 工技 术[ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 李洪． 实用机床设计手册 [ M] ． 沈 阳 辽 宁科学技术出 版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 3 ] 王永章． 机床的数字控制技术 [ M] ． 黑龙江 哈尔滨工 业 大学 出 版社 ， 1 9 9 5 ． [ 4 ] 陈 日曜． 金属切 削原理 [ M] ． 北 京 机 械工 业出版社 ， 1 9 8 4． [ 5 ] 李加种． 金属切削动力学[ M] ． 浙江 浙江大学 出版社 ， 】 9 9 3．