数控车削中心整机静力学特性研究

刘 耀 惠 烨 李 艳

（1.陕西秦川精密数控机床工程研究有限公司，西安 710018；2.陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021；3.西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，西安 710048）

提高加工效率与加工精度是机械加工领域追求的永恒目标，机床的整机性能取决于主要零部件及结合面的特性[1]。数控机床的静特性直接影响机床的加工精度、表面切削质量和刀具寿命[2]。因此，有必要对机床进行静态特性分析，以进一步优化设计机床结构，提高其静刚度是获得良好加工性能的有效方法[3-5]。对于数控机床静刚度研究，国内外学者采用的主要方法是试验研究和仿真分析。刘悦等对混联机床单点单方向加载进行了静刚度测量的研究和优化[6-7]；纪海峰利用有限元法对数控车床床身进行了静力学分析和模态分析，并根据分析的结果对床身进行结构轻量化设计[8]；孔令叶对立式铣床进行X、Y、Z方向的静刚度仿真分析，通过试验法的测量来获取机床的静刚度[9]；沈晓健对并联式龙门铣床的立柱进行静力学仿真分析，发现其静刚度不足，并进行了局部结构的改进以及设计尺寸的优化匹配，使立柱的静刚度得到提高[10]；惠烨等对车削中心进行了静刚度试验并对主轴箱进行了基于结合部的结构改进，提高了主轴箱的刚度[11]。

本文以某型号数控车削中心为对象，进行模拟实际加工情况加载，对数控车削中心整机进行静刚度试验和有限元分析，分析了在外载荷作用下机床各处的变形情况，为下一步机床结构的改进设计奠定实验及分析基础。

1 机床静刚度检测试验

数控机床静刚度检测试验的目的为：一是为评价机床静刚度提供数据；二是验证静刚度及静刚度分布预测方法和机床设计方案修改方法的正确性，为改进预测及方案修改方法提供试验手段。

本文研究对象是某机床厂研制的五轴数控车削中心，最大回转直径为φ450mm，最大车削直径φ285mm，主轴最高转速为8000r/min。在机床加载试验中，施加的载荷从0增加到3000N。机床静刚度检测时，将承载试件安装在主轴的卡盘上并通过顶尖与尾座连接，施载装置安装在刀架上实施加载。如图1所示，在机床主轴箱、导轨及尾座多处的X、Y、Z的正负各个方向安装多个高精度电感位移传感器。

图1 位移传感器安装

一次加载试验中，总共在机床各部位安装了10个位移传感器，其位置分布如图2所示。

图2 位移传感器的布置位置

对机床进行加载试验，同时利用多通道数据采集仪记录所加载荷的大小及布置在床身各位置的位移传感器在不同载荷下所对应的测量值，从而获取各处测点在不同载荷下的变形量。在施载点坐标为（2.42，0.31，222.9），载荷由0增加到2500N过程中，各传感器测得的测点变形量如图3所示。

由本次试验结果分析得知，随着所施加载荷的增大，机床不同位置测点的变形都增大，位于主轴箱前端的测点6处变形量最大，该处变形直接影响主轴加工精度，分析试验结果并结合主轴箱连接处结构设计，考虑下一步需要对主轴箱和床身螺栓连接结构做改进设计；尾座端部处测点10和导轨1上的测点4、5变形量也较大，在进一步结构改进设计中需考虑改善导轨及其支撑结构以提高机床这些位置的刚度。

图3 不同位置测点变形

2 整机静特性分析

在数控机床设计阶段，可以用解析的方法预测设计方案的静刚度，根据预测结果进行设计方案修改，从而提高机床刚度。因此，在试验的同时，对车削中心进行有限元分析。有限元分析流程如图4所示。

图4 车削中心有限元分析流程

车削中心主要包括主轴系统、动力刀架、床身和尾座等主要零部件。分析前先利用Solidworks建立数控加工中心的总体结构模型。机床整机在进行有限元分析计算时，由于零件多、结构复杂，计算量很大，零件的细微特征对整机性能影响很小，但影响有限元分析的网格划分和计算速度，在分析前需合理简化零件的细微结构后重新装配。图5为主轴系统简化前后的结构对比。简化前质量2850788.36g，简化后质量272967.43g，相差不太，但能满足简化要求。

分析前按照不同材料在ANSYS workbench中设置机床各部件相应的材料属性参数，床身、主轴箱等构件采用灰铸铁。所有底座地脚螺栓处固定约束，对整机网格划分采用自动划分原则，网格划分后如图6所示，共生成节点156 351个，单元79912个。

图5 主轴系统结构简化前后对比

图6 整机网格划分

仿真分析中分别施加1000N、2000N、2500N的载荷，并求得与试验中测点位置对应的10个测点的相同方向获得的变形量。数控车削中心切削过程中，刀具施加给工件的切削力传到机床，在有限元分析中，需要将刀具切削点产生的F按照实际加工过程中各个分力的不同比例关系分解，并按照坐标位置和数控机床的坐标方向，将作用于实际加工位置的力进行折算，将折算后的X、Y、Z三个方向的力和力矩都施加在主轴箱前端面。

以载荷作用在实际加工位置坐标（2.42，0.31，222.9）为例分析，图7为载荷为2500kN时机床整机X、Y、Z方向的变形云图。

图7 整机变形云图

对比实验中各测点的位置和方向，将仿真分析中获取的各测点变形量与试验结果进行对比，如表1所示。

表1 各测点变形量对比

对比试验结果和有限元分析结果可知，机床各测点变形方向与试验结果是趋势基本一致的，分析能验证机床承载后各处变形值间的相对大小。但是，变形分析值与试验验测量值之间有误差，有些测点的误差值较大。这主要是因为有限元对机床整机进行分析时，整机结构复杂，为减少计算量，很多小零件被简化，改变了零件的结构和安装关系，对分析结果有一定的影响。机床静刚度不只取决于各零部件结构和装配，机床零件间大量的各种结合部对机床刚度有直接影响，试验值是机床工作实际状况有结合部的影响结果，但目前在整机分析中将所有结合部特性考虑进去还存在很多困难。因此，本文在有限元分析中没有考虑结合部特性影响，这也是分析误差存在的主要原因。

3 结论

对数控车削中心进行静刚度试验测量及整机有限元分析，得到了机床各测点试验与分析所得变形量的对比。结果表明，在外载荷作用下，机床主轴箱、尾座及安装刀架的导轨处变形量较大，在机床结构改进设计中，通过改进主轴箱和床身结构，人们可以提高这些位置的刚度。虽然有限元分析结果与试验结果趋势一致，但分析值与试验测量值之间存在误差，分析模型中考虑机床结合部的影响是引起误差的主要原因。接下来，在已有的研究基础上，人们应将机床结合部特性加入机床有限元分析模型，从而进一步提高有限元分析的准确性。

[1]米洁.高精度立式磨床关键结合面动态特性研究[J].机械科学与技术，2014，33（2）：224-228.

[2]惠烨，黄玉美，李艳.车削中心自动变位全载荷加载装置设计及试验研究[J].机械强度，2015，37（5）：839-844.

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[4]王禹林，廖凯，金娜.主轴箱动/静/热态特性综合分析与优化[J].南京理工大学学报，2013，37（1）：87-93.

[5]金涛，彭晓辉，赵万华.基于结合面的车铣复合加工中心有限元建模[J].组合机床与自动化加工技术，2011，（9）：77-80.

[6]刘悦，汪劲松.基于轴承及导轨接触刚度的混联机床静刚度研究及优化[J].机械工程学报，2007，43（9）：151-154.

[7]刘悦，王立平.混联机床的静刚度实验测量[J].机械强度，2009，31（6）：1029-1032.

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