大型數(shù)控龍門導(dǎo)軌磨床作為機(jī)床行業(yè)必不可少的工作母機(jī),其加工精度直接影響到其他機(jī)床關(guān)鍵零部件的導(dǎo)軌精度,從而間接影響了各類終端產(chǎn)品的加工精度。與國(guó)外相比,我國(guó)龍門導(dǎo)軌磨床起步稍晚,目前在磨削精度、機(jī)床精度保持性及可靠性、自動(dòng)化程度等方面還存在一定差距。 近幾年來(lái),以上海重型機(jī)床廠、華東數(shù)控股份有限公司為代表的一批生產(chǎn)廠家,不斷加大自主研發(fā)力度,大幅度提高了我國(guó)龍門導(dǎo)軌磨床的技術(shù)水平[1]。
活動(dòng)橫梁作為龍門導(dǎo)軌磨床的重要承載件之一,是加工過程中最薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié),其靜、動(dòng)態(tài)剛度對(duì)安裝在橫梁上面的磨頭部件的運(yùn)動(dòng)精度有很大影響,對(duì)整機(jī)加工精度的穩(wěn)定性也起著至關(guān)重要的作用[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的迅速發(fā)展,數(shù)字化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)仿真分析在機(jī)械工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,仿真分析結(jié)果在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造過程中起著重要的指導(dǎo)作用。目前已有不少學(xué)者通過有限元、邊界元或其它數(shù)值方法,對(duì)不同類型機(jī)床的整機(jī)或零部件做了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、模態(tài)、熱變形等分析,并以分析結(jié)果為依據(jù)改進(jìn)原有結(jié)構(gòu),提高機(jī)床的靜、動(dòng)態(tài)性能。例如劉獻(xiàn)軍等[3]曾 利 用Hyperworks軟件對(duì)大型平面磨床的橫梁進(jìn)行了靜力學(xué)分析,根據(jù)結(jié)果設(shè)計(jì)了卸荷裝置以減小橫梁的變形;馬海[4]、Peng等[5]曾利用Abaqus等軟件對(duì)橫梁和立柱進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析,并基于靈敏度分析的方法對(duì)零件進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì);張森等[6]利用有限元軟件對(duì)橫梁組件進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)分析,并改進(jìn)了橫梁的筋板結(jié)構(gòu);另外還有對(duì)整機(jī)[7]或 床 身[8-9]等 進(jìn) 行有限元分析的例子,均非常有效地為提高機(jī)床性能提供了設(shè)計(jì)參考依據(jù)。
設(shè)計(jì)橫梁結(jié)構(gòu)時(shí)主要考慮以下3個(gè)方面:一是加工工藝性要好,易于制造和裝配;二是靜剛度要高,在靜載荷或緩慢勻速運(yùn)動(dòng)載荷下的變形量小;三是動(dòng)剛度要好,在外界激振力作用下的抗振性高[2]。綜合以上3個(gè)因素,本文對(duì)某大型數(shù)控龍門導(dǎo)軌磨床的活動(dòng)橫梁進(jìn)行了有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)。首先采用Solid-Works軟件對(duì)龍門組件(包括雙立柱、固定連接梁以及活動(dòng)橫梁)進(jìn)行三維建模,然后利用Abaqus軟件進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析,重點(diǎn)研究橫梁的導(dǎo)軌變形量以及結(jié)構(gòu)的固有 頻 率。根據(jù)有限元分析結(jié)果以及仿生學(xué)原理[10],改進(jìn)橫梁結(jié)構(gòu)件的斷面形狀以及筋板布置形式,優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最后通過比較原有結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的橫梁基準(zhǔn)軌變形曲線,驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和有效性。
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結(jié) 語(yǔ)
本文針對(duì)大型數(shù)控龍門導(dǎo)軌磨床的龍門組件,使用有限元軟件Abaqus進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析,得到了活動(dòng)橫梁在臥、立磨頭橫向拖板作用下的靜力變形以及前六階固有頻率和振型。從分析結(jié)果可知活動(dòng)橫梁的最大變形出現(xiàn)在承載立磨頭的懸臂部位,其次是承載臥磨頭的中間部位,主要為彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。在不影響外部裝配的情況下,本文對(duì)活動(dòng)橫梁的內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),首先根據(jù)王蓮葉脈的分布規(guī)律進(jìn)行了第一次仿生改進(jìn),為了降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,又依據(jù)三角形穩(wěn)固原理進(jìn)行了第二次改進(jìn)。相 比 于 原 結(jié)構(gòu),第二次改進(jìn)后質(zhì)量減輕了6.83%,懸 臂 部 位 的 最大變形量減小了1.62%,中間部位的最大變形量減小低了5.85%,固有頻率也有所提高。最后考察了改進(jìn)前后橫梁基準(zhǔn)導(dǎo)軌的位移曲線,再次驗(yàn)證了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的靜剛度有了明顯提高,為實(shí)際工程中橫梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。