加工中心立柱与床身螺栓联接对立柱静刚度的影响*

2012-10-23 05:49张功学韩兵兵

制造技术与机床 2012年6期

张功学韩兵兵

（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021）

在研究DVG850高速立式加工中心整机静刚度的过程中，影响刚度的因素众多，部件结构、布筋方式和联接方式都将对加工中心主体的刚度产生影响。以往我们多把研究重点放在结构和布筋方式的改变上，往往忽略了联接刚度的影响。联接刚度的影响是不容忽略，它主要受到联接处的材料、几何形状、接触面硬度、几何精度和加工方法等因素影响。因此我们可以考虑从此角度来增加联接部位的刚度，从而提高加工中心的整体刚度［1］。

1 加工中心结构及简化模型

高速立式加工中心是由床身、滑座、工作台、立柱、主轴箱、主轴等主要部件组成，此外还包括刀库、导轨、滑块、丝杠、机电座、联接螺栓等零部件，润滑系统，数控系统，液压系统等。在利用workbench分析中，为了节省时间和受分析能力的限制，要对一些细小的结构进行简化。本文主要对床身和立柱两大部件间的螺栓连接进行分析，故对距螺栓较远且不会影响到分析的一些部件。例如，对模型中的倒角、地脚螺栓、冷却系统和刀库等进行了忽略，加工中心的简化结构模型和有限元模型如图1所示。

2 基于workbench的位移分析

2.1 加载及网格划分

表1 立柱在不同螺栓凸缘组合下的位移 μm

加工中心在工作过程中，力是通过刀具加到主轴箱上，再由主轴箱通过滑块作用到立柱上，在分析过程中我们在刀具位置施加远程力作用在立柱上。远程力的大小为 300 N，作用坐标x为 11.345 mm;y为721.33 mm;z为760.00 mm。网格划分采用 workbench中的自动网格划分功能，共划分nodes数目为7 704，单元elements数目为4 004个，如图1a所示。床身通过地脚螺栓同地面联接，由于研究的是立柱同床身之间的螺栓联接对整机静刚度的影响，直接在简化模型的床身底面施加固定约束［2］。

2.2 分析的数据结果

通过workbench软件分析，我们可以找出不同凸缘厚度和螺栓直径配合下的立柱位移，共100组数据，其中数据的选取是在原有数据螺栓直径26 mm，凸缘厚度50 mm的基础上进行的变化，得出的位移数据见表1。

2.3 建立三维曲面图及二维曲线图

根据刚度公式:

和表1中的位移数据进行三维曲面图绘制，以凸缘厚度和螺栓直径为自变量，整机静刚度为因变量，建立的三维曲面图如图2所示，从图中可以看出在不同螺栓直径、凸缘厚度配合下的刚度分布情况［3］。

以螺栓直径为27 mm为代表，绘制出立柱刚度随凸缘厚度的变化曲线（图3），通过曲线图我们可以看出立柱刚度随凸缘厚度的变化情况。

2.4 图表分析

从图2可以看出立柱的位移情况整体上随螺栓直径的增加而波动变化;同时位移的情况受凸缘厚度影响，随着凸缘厚度的增加立柱位移先减小后增大，即立柱的刚度并不会一直随着凸缘厚度的加大而增大，而是刚度首先得到了提高，当厚度继续增加时刚度受到削弱。

表3 凸缘厚度为58 mm时的螺栓直径－立柱刚度数据

从表1和图2中我们可以看出在凸缘厚度为50 mm、螺栓直径为26 mm的周围能找到最佳组合点，使得立柱的刚度得到优化。最优组合点况如下:螺栓直径、凸缘厚度分别为23、58 组合，28、56 组合，27、54 组合，29、40组合时立柱的刚度值相对较大，组合相对合理。

图3为螺栓直径为27 mm时立柱位移随凸缘厚度改变的变化情况，位移先减小后增大，随后又有减小的趋势。分析变化情况得知首先位移的减小为凸缘厚度的影响，随后的位移增加为螺栓长度的增加使得螺栓承受拉力的能力减弱，从而使得刚度变小;之后位移又出现减小的情况为螺栓组抵抗一定转矩时，凸缘厚度的增加使得抵抗转矩M=F×L中的L增大，从而使得F减小的缘故，即螺栓承受的力减小（如图4）。