落地镗铣加工中心滑枕变形分析*

武 锋 ,王传洋 ,刘新宁 ,余志斌

(1.苏州大学 机电工程学院,江苏 苏州 215021； 2.苏州江源精密机械有限公司,江苏 苏州 215143)



落地镗铣加工中心滑枕变形分析*

武 锋1,王传洋1,刘新宁2,余志斌2

(1.苏州大学 机电工程学院,江苏 苏州 215021； 2.苏州江源精密机械有限公司,江苏 苏州 215143)

应用ANSYS Workbench有限元分析软件对大型落地镗铣加工中心滑枕在自重条件的挠曲变形进行分析，得到滑枕的变形量与滑枕伸长量的变化之间的关系，得到了滑枕伸长量与拉杆补偿力之间的关系，为该型镗铣床的进一步实验研究提供理论依据。

滑枕；挠曲变形；ANSYS Workbench；补偿

0 引言

TH6920落地镗铣加工中心是苏州江源精密机械有限公司与国外合作共同研发的一款机床。该落地镗铣加工中心最适于加工较大型复杂零件，可加工零件上各种面、复杂孔系、台阶、复杂图形或三维曲面等。加工的零件具有高精、高效、高稳定性的特点。该落地镗铣加工中心是立柱固定结合在滑座上并可以随滑座在床身上移动，主轴箱沿着立柱上下移动，滑枕安装在主轴箱封闭式结构的方孔内，并在方孔内做伸缩移动，铣轴固定在滑枕内部，镗轴在铣轴内运动。其中滑枕最大行程1200mm ，可在一次装夹工件中，完成各种铣、镗加工与平面、曲面加工，是重型机械、交通、矿山、能源、水轮机、汽轮机、船舶、钢铁、军工等工业部门必不可少的新型加工设备。由于机械结构不可能是完全刚性的，当滑枕伸出较长时必然会产生挠曲变形[1-2]。本文主要分析滑枕在自重及主轴组件的作用下产生的变形和对此变形的补偿措施及解决方案。

1 滑枕变形分析

1.1 三维模型的建立

本文采用Solid Edge ST2 软件进行三维建模，滑枕外形尺寸为460mm×510mm×3790mm，由于模型上螺纹孔、倒角、圆角等对滑枕有限元分析影响较小但又会耗费大量计算机资源，根据圣维南原理，对这些局部特征进行了简化处理，简化后的模型见图1所示。将模型通过Solid Edge ST2 与ANSYS Workbench的无缝接口导入软件[3]。

图1 滑枕三维模型

1.2 材料属性设置及网格划分

滑枕采用树脂砂造型的高强度QT600-3优质球墨铸铁件，其拉伸弹性模量E=174GPa，泊松比γ=0.275，密度ρ=7200kg/m3[4]。

ANSYSWorkbench软件提供多种网格划分方法，本次分析采用自动划分网格功能划分模型，指定网格单元大小为50mm，得到的模型节点数为74021个，单元数为40339个，划分后的模型如图2所示。

图2 划分网格后的模型

图3 行程最大时滑枕变形云图

1.3 载荷和约束

滑枕所受的载荷主要来自自身和内部装配的主轴组件的重量，通过计算主轴组件重量，将此重量根据实际情况均匀的施加在滑枕内部承重面积上[5]。滑枕是装配在主轴箱内的，通过静压导轨在主轴箱横向运动，因此采用全约束约束滑枕的自由度。滑枕自重G由加载在-Z轴方向的标准重力加速度确定。

1.4 滑枕变形分析结果

在滑枕伸出量0～1200mm范围内，每间隔100mm，总共选取12个位置进行分析，得到滑枕变形的最大位移结果如下表1所示。当滑枕伸出量最大为1200mm时滑枕变形云图如图3所示。

表1 滑枕变形量

从表1中的数据可以看出，当滑枕伸出量为100～700mm范围内时,滑枕变形量比较小。当滑枕伸出量为最大1200mm时，此时滑枕的最大综合变形为19.626μm，其中Z向变形为19.204μm，Y向变形为4.118μm，X向变形为0.805μm。从表中数据分布可以看出，随着滑枕伸出量的变化，X向的变形不大，滑枕综合变形、Z向和Y向变形发生较大变化，滑枕的综合变形与Z向变形很接近，这与滑枕受在自重条件相符合。

多项式最小二乘法数据拟合是在整体上给出数据点的最好近似，它使得曲线拟合误差的平方和最小，使用Matlab函数P=polyfit(x,y,n)，其中P为函数的输出矩阵，P=[a0a1…an]代表多项式a0xn+a1xn-1+…+an-1x+an的系数向量，n是多项式的阶数，x、y是数据点向量[6]。

根据表1中数据，采用三次多项式最小二乘法拟合得到滑枕在自重下的最大综合变形量y(μm)与滑枕伸出量x(mm)的函数关系式为:

y=1×10-8x3+4.63×10-6x2-0.0049x+0.9874

Z向变形量y(μm)与滑枕伸出量x(mm)的函数关系式为

y=1×10-8x3+3.96×10-6x2-0.0045x+0.9438

Y向变形量y(μm)与滑枕伸出量x(mm)的函数关系式为

y=1×10-9x3+2.82×10-6x2-0.0016x+0.207

X向变形量y(μm)与滑枕伸出量x(mm)的函数关系式为

y=8×10-10x3-5.35×10-7x23.28×10-5x+0.1218

根据表1中的数据得到滑枕在自重下的最大综合变形、Z向变形、Y向变形和X向变形随伸出量变化的曲线图如图4所示。

图4 滑枕各方向变形量与伸长量的关系

从图4可以明显看出，在滑枕伸长100～700mm内滑枕总变形量比较小，X,Y,Z方向上的变形量和总变形量相差不大；当滑枕伸长700mm以后总变形量曲线曲率变化增大，且总变形量的变化主要以Z方向的变形为主要因素，这也符合滑枕变形主要是由其自重所引起的这一条件。

2 挠曲变形补偿方法及分析

滑枕变形是由于自重而引起的挠曲变形问题，因此采用加载反向力来补偿由重力引起的变形[7]。通过在滑枕内部安装拉杆对变形补偿，在滑枕的上端对称安装两个拉杆，拉杆前端连接拉套，拉杆后端通过锁紧螺母连接液压油缸，通过伺服电液比例阀控制液压缸的压力大小，从而改变拉杆拉力的大小，来补偿滑枕的挠曲变形。由表1中的数据可以看出，滑枕伸长量在700mm以内时，滑枕变形量较小，不需要补偿，所以将拉套的位置安装于距离滑枕悬伸端600mm～700mm之间的位置，实际安装在离滑枕端部627mm处，安装示意图如图5，这样即减小了补偿范围，又为附件头拉爪等部件的安装预留了空间。

图5 补偿机构安装示意图

滑枕挠曲变形是由于滑枕自重、主轴组件及其他附件的重力作用而产生的弯曲变形。因此我们将滑枕的重力载荷简化为均布载荷q；主轴组件及其他附件对滑枕的作用力是通过与滑枕装配的轴承来施加的，第二组轴承距滑枕悬伸端端面的距离为1420mm，滑枕的最大行程为1200mm，因此只需考虑第一组轴承对滑枕变形产生的作用力F0，根据材料力学知识则滑枕的受力可简化为图6a所示的情况[8]。

图6 滑枕受力简图

采用拉杆补偿后，滑枕受力情况如图6b所示，其中F1和F2为拉杆补偿力，且F1=F2，h为拉杆作用点距中性层(水平)的距离。对中性层产生的弯矩为M。利用材料力学梁的弹性弯曲经验公式，已知变形反求弯曲力矩M。为了保证滑枕悬伸端端面挠度为零，则须拉杆产生的挠度与滑枕自重产生的挠度大小相等。即

(1)

其中：E—滑枕材料弹性模量；

I—滑枕截面惯性矩；

l—滑枕伸长距离。

由于两个拉杆上的补偿力相等，设F=F1=F2，因此可以将上式中M表示为

M=2Fh

(2)

由式(1)和式(2)可得

(3)

其中：F0、q和h均为已知量(F0=11kN，q=7kN/m，h=190mm)，由(3)式可以求得滑枕伸出量从800mm开始拉杆所需提供的补偿力，然后将计算值添加到ANSYS Workbench中进行分析，求出变形量，对补偿力进行合理的修改，以使滑枕端部变形量满足机床要求。滑枕伸出量从800mm开始，每增加100mm计算一次，将得到的修正数据列于表2中。当滑枕在最大行程时施加补偿力后的变形云图如图7所示。

图7 滑枕最大行程时施加补偿力后的变形云图

滑枕伸出量(mm)800900100011001200补偿力(kN)18．021．024．028．032．0

对表2中数据做多项式最小二乘法拟合，此方法能够使曲线拟合误差的平方和最小。采用三次多项式最小二乘法拟合得到拉杆补偿力F(kN)与滑枕伸出量l(m)的函数关系式为

F=-2.6373×10-13l3+21.429l2-78.571l+10.6

根据表2中数据利用以上方法得到的补偿力与滑枕伸出量的关系曲线如图8所示。

图8 拉杆的补偿力与滑枕伸长量的关系曲线

从图8可以看出，拉杆补偿力与滑枕伸长量的关系曲线近似呈线性变化，补偿力变化平稳，能够在实际生产中很好实现。

3 结束语

(1)通过对滑枕挠曲有限元分析，得出滑枕挠曲变形主要是Z向变形为主要因素，得到了滑枕在最大行程时的最大变形量为19.626μm，经过加载补偿力后将最大变形量在10μm以内。

(2)大型镗铣数控机床滑枕伸出时由于自重而导致的挠曲变形严重影响了机床的加工精度，同时又给产品的性能带来很大影响。本文主要利用ANSYSWorkbench有限元软件对滑枕的挠曲变形误差进行分析，计算得到了拉杆补偿力与滑枕伸出量的曲线关系，通过此方法能够将变形量控制在合理的范围内，已达到了国家标准要求。

(3)通过有限元分析的方法可以减少现场调试阶段的实验工作，提高了公司产品的生产效率，为后续工作提供理论支持。

[1] 王建利.TK6816型小截面方滑枕铣镗床设计[J].机械工程师，2011(11)：122-123.

[2] 余丕亮，林晓波，唐明松.基于ANSYSWorkbench的滑座有限元分析[J].装备制造技术，2012(7)：41-91.

[3] 杨曼云，许昆平，王景海，等.基于有限元分析技术的TK6926数控铣镗床滑枕变形补偿量研究[J].机床与液压，2011，39(4)：37-42.

[4] 闻榜椿.机械设计手册[M].第一卷.5版.北京：机械工业出版社，2010.

[5] 石建，曹明珠，王可，等.基于ANSYS的数控落地镗床滑枕变形分析[J].制造工程师，2010(3)：72-73.

[6] 孙文才.方滑枕变形处理及补偿的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[7] 孙德州，滑枕下垂变形的分段补偿方法[J].组合机床与自动化加工技术，2008(6):77-83.

[8] 吴凤和，王少伟，杨育林，等. 超重型数控落地铣镗床滑枕挠曲变形补偿研究[J].中国机械工程，2010，21(20)：2416-2420.

(编辑 李秀敏)

Floor Type Boring and Milling Machining Center Ram Deformation Analysis

WU Feng1, WANG Chuan-yang1,LIU Xin-ning2,YU Zhi-bin2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Soochow University, Suzhou Jiangsu 215021，China;2.Suzhou Jiangyuan Precision Machinery CO.,LTD, Suzhou Jiangsu 215143，China)

The application of ANSYS finite element analysis software Workbench for large boring and milling machining center ram deflection in gravity condition deformation analysis, the relationship between change of volume deformation and elongation of the ram were found, and the relationship between the ram elongation and compensation force was obtained. It provides a theoretical basis for further experimental research of this type of boring and milling machine.

ram；flexure deformation；ANSYS workbench；compensation

1001-2265(2014)01-0136-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.038

2013-04-27

科技部国际交流与合作项目(2010DFB 70760)；江苏省科技支撑(工业)项目(BE2011076)

武锋(1989—)，男，安徽亳州人，苏州大学硕士研究生，研究方向为机械电子工程，(E-mail)zlxt217@163.com。

TH165;TG535

A