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2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-br5w05v.cn 來源:仿真在線
用有限元軟件CosmosWorks對現(xiàn)場銑床進行建模和靜、動態(tài)性能分析,依據橫粱振動相對變形的振型和幅值,分析出影響加工精度的因素,為機床的結構優(yōu)化和改進設計提供可靠依據。
作者: 謝黎明*李大明*沈浩*靳嵐 來源: 萬方數(shù)據
關鍵字: CosmosWorks 現(xiàn)場銑床 橫梁
現(xiàn)場銑床是用于石化裝置的現(xiàn)場加工設備。為了適應現(xiàn)場的加工環(huán)境,要求現(xiàn)場銑床在滿足性能、精度等條件下,其質量和體積盡可能最小。在實際應用中由于橫梁的受力變形引起振動,導致工件表面產生了波紋狀刀痕,嚴重影響了加工精度和表面質量。因此,有必要借助有限元軟件CosmosWorks,對機床主要移動部件進行靜、動態(tài)分析。
1 建模與理論分析
1.1實體模型的建立
采用SolidWorks軟件建立現(xiàn)場銑床的三維實體模型。銑床在加工時切削力經主軸、主軸箱傳遞給橫梁,主軸箱的重力及懸臂產生的扭矩直接作用于橫梁,所以橫梁為現(xiàn)場銑床的關鍵部件,它的剛度直接影響加工精度,因此把橫梁、主軸箱作為主要分析的對象。
1.2現(xiàn)場銑床靜態(tài)和動態(tài)特性理論分析
將橫梁的結構簡化為兩點簡支梁支承形式,如圖1所示(a為橫梁中心到主軸箱質心距離),主軸箱的重力給橫梁一力矩M,根據機床運動情況,當主軸箱沿橫梁移動到中間位置時,是機床靜態(tài)剛度最弱的工作狀況,靜力學分析將選擇此時機床的位姿來計算。
首先,進行變量定義,設Fx為切向銑削分力;P為銑削力系數(shù);Sx為工件的移動距離;B為工件寬度;ap為背吃刀量;z為刀具齒數(shù);D為面銑刀直徑;m為橫梁和主軸箱有限元模型的總體質量矩陣;k為橫梁和主軸箱有限元模型的總體剛度矩陣;w為實數(shù),為簡諧運動的頻率;φ為任意常數(shù)。
根據銑削力計算公式,計算出在加工過程中刀具在各方向的受力。
以直徑40 mm的6齒盤銑刀銑削45#鋼(調質)工件為例,背吃刀量為5 mm時的進給量為每齒0.2 mm。各銑削分力可由與Fx的比值求得,Fx=1315.2 N,Fy=1808 N,Fx=3123.6 N。其中對加工精度影響最大的是沿Z向分力。
當銑床處于未工作時狀態(tài)時,主軸箱的自重G,使橫梁受到主軸箱施加的力矩M1。在銑削加工中,銑刀接觸工件時,主軸箱受的軸向銑削力E=3123.6 N,主軸箱的重力為G=1986.4 N,E>G,合力作用產生力矩M2,由于橫梁剛度不足,使得主軸箱有向上抬起的可能,在銑刀脫離工件時主軸箱受自重回落到原來位置,這樣產生了"讓刀"現(xiàn)象,如圖2所示,導致銑刀平面與工件面呈一角度,當橫梁作進給運動時,工件表面產生波紋狀刀痕,影響了加工精度。
在橫梁和主軸箱振動過程中,可轉化n自由度無阻尼系統(tǒng)有限元模型的自由振動方程為:
由于彈性體的自由振動可分解為一系列簡諧振動的疊加。因此可設式(1)的解為:
假定系統(tǒng)的質量矩陣與剛度矩陣都是正定的實對稱矩陣,可以證明,式(4)的冗個根均為正實根,它們對應于系統(tǒng)的咒個自然頻率,這里假定各根互不相等,即沒有重根,因而可以由小到大按次序排列為:
將求得的wr(r=1,2,…,n)分別代人式(3)求得相應的"u(r)"這就是系統(tǒng)的模態(tài)向量或振型向量?？芍麟A固有頻率與單位質量的剛度成正比,提高了單位質量剛度也就提高了固有頻率。由于激振力的頻率一般都不太高,因而只有最低階的幾階頻率才有可能與機床頻率接近或重合產生共振。高階模態(tài)的頻率已高于可能出現(xiàn)的激振頻率,一般不可能產生共振,對于加工質量的影響不大,所以只分析最低階的幾階模態(tài)。
2橫梁結構的有限元分析
2.1 模型簡化
橫梁為鋼板焊接結構,因此各個焊點均作為模型的剛性節(jié)點,將主軸箱簡化為和實際結構重量基本一致的箱形結構,考慮到主軸箱與滑板的接觸變形遠小于橫梁的變形,所以滑板與主軸箱的接觸面定義為剛性接觸。
2.2劃分網格
將橫梁的實體模型導入CosmosWorks有限元軟件中,建立有限元計算模型,采用實體單元劃分網格,單元數(shù)目為17 256,節(jié)點數(shù)目為5 352,自由度數(shù)目為97 659。
2.3定義約束和施加載荷
橫梁兩端通過螺釘固定在滑座上,在有限元模型中,把橫梁的邊界約束簡化為與固定螺栓位置相置相對應節(jié)點的各個自由度來實現(xiàn)對橫梁的約束,橫梁受力為主軸箱的重力和銑削力,橫梁的最大變形量發(fā)生在主軸箱運行到橫梁中間位置時。
通過求解,橫梁的最大變形量為0.1547 mm,實際的加工誤差(0.15~0.20 ram)與分析結果非常接近。圖3為原結構位移云圖,對機床進行模態(tài)分析,可以明顯看出機床動態(tài)特性,即第1和第2階振型.如圖4和圖5所示。表1為前5階的固有頻率和振型。
通過分析可知,第l階振型中橫梁在外力激勵下產生較大幅度的變形,在加工中銑刀隨橫梁上下振動,嚴重影響了工件的加工精度和表面質量。因此設計中如何提高橫梁在Z向的抗彎剛度,減小切削時橫梁的變形量是提高機床動態(tài)性能的關鍵。
3 結束語
通過有限元軟件對橫梁建模,進行了靜態(tài)動態(tài)分析,得到了銑床加工中位移變形數(shù)據以及橫梁振型變化情況,所得結果與實際情況基本吻合,橫梁在Z向的抗彎剛度是影響加工精度的主要因素,因此要通過改進橫粱結構來提高橫梁剛度,進而提高加工精度。
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