国兴洋 王加祥 胡 明

（山东省机械设计研究院，济南 250031）

立柱是加工中心核心部件，同时也是主轴箱进给的承载部件，其刚性和动态响应能力关乎整个机床的加工精度与生产率[1]。相对于底座、滑板等结构铸件，立柱的变形量对整机精度的影响最大，合理的立柱设计可以提高整个机床的系统刚性、加工质量和精度，减少各种变形、振动问题。因此，提高立柱的动静刚度在现实生产中具有重要意义。本文利用Solidworks Simulation系统，对立柱进行静态受力分析，并根据分析结果对立柱内部筋板及结构进行优化，提高了立柱的刚性。

1 Solidworks Simulation软件简介

SolidWorks Simulation是SolidWorks 内部集成的一套设计分析系统,可进行应力、频率、扭曲以及热分析，SolidWorks Simulation解算器运算精准、快速，而且三维模型可以直接由SolidWorks生成，避免了建模软件与分析软件间的兼容问题。此外，SolidWorks软件易学易用、功能强大，用软件集成的SolidWorks Simulation系统进行分析优化模型，可减少设计过程中的错误，提高产品质量。总之，利用SolidWorks Simulation系统对机械零件进行应力分析，具有方法简单，容易实现等特点[2-5]。立式加工中心机床大件的CAE分析流程如图1所示。

图1 有限元分析流程

2 立柱CAE分析与优化

2.1 立柱有限元模型建立

利用Solidworks软件建立立柱数字化模型，因为立柱结构复杂，为了保证分析速度，且获得高质量分析数据，忽略立柱模型中对结果分析影响不大的部位，如倒（圆）角、凸台、螺纹孔等，影响误差忽略不计[6]，简化后模型如图2所示。

图2 简化后立柱模型

2.2 立柱静力分析

2.2.1 立柱参数设定

该立柱材料为铸铁，各向同性，介质均匀。材料定义为HT300，具体属性如表1所示。

表1 HT300材料属性

2.2.2 单元选取与网格划分

中心立柱网格划分采用了Solidworks Simulation系统中网格自动划分的方法，划分后单元数为36389个，节点总数为72081个。

2.2.3 立柱加载与约束

忽略惯性和阻尼影响进行静力分析，计算分析构件在受到静力载荷过程中的应力、应变以及位移情况。结构的静刚度是由构件的材料性能、截面形状、截面尺寸以及筋板布置形式等多个方面决定的，构件静刚度是衡量结构特性优劣的重要指标[7]。进行有限元结构分析时，计算结果只对边界条件负责，只有所选的边界条件满足有限元平衡方程的求解要求，才能得出正确的结果。所选边界条件与实际工况越接近，分析的精度就越可靠。

本立式加工中心立柱底部通过螺栓与机床底座固定，立柱顶部四个滑块位置与滑板相连接，滑板可在立柱水平方向作X向进给。立柱除受自身重力载荷外，还受到滑板、主轴箱的重力载荷与加工时切削力的颠覆力矩。立式加工中心铣削加工的切削抗力如图3所示，铣刀齿上受到的切削抗力的合力Fr可分别分解为径向切削力Fx、切向切削力Fy和轴向切削力Fz。

图3 铣削抗力分析

切向铣削力Fy是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗机床电机功率最多，如式（1）、式（2）所示。

式中，PE为主电机最大功率，kW；ηm为主传动系统的传动效率；Vmin为传递全部功率时的最低切削速度，m/min；dmax为最大铣刀盘直径；nmin为主轴最低转速。将本机床相关参数代入式（1）、式（2）中，可得Fx=521N，Fy=1251N，Fz=620N。

立柱所受工作载荷主要是主轴箱及滑板的重力以及切削抗力产生的扭矩。根据实际工况，将立柱底部结合面作为固定约束，在立柱导轨滑块有效位置（两滑块间距离）施加主轴箱及滑板的重力载荷1373kN，按照钻孔最大抗力，施加沿导轨结合面的翻转扭矩4000N·m，进行静力分析如图4所示。

图4 立柱网格、约束及载荷

2.2.4 立柱静力分析

利用Solidworks Simulation系统对立柱受力位移云图进行绘制，如图5所示，可以看出立柱最大变形量为0.01835mm，发生在立柱顶端后部。立柱变形趋势为中间弯曲。

2.3 立柱结构的优化

由于立柱是主轴箱的承载部件，因此加工过程中立柱的微小变形，通过滑板、主轴箱的传递在主轴箱刀具部位都会放大，对主轴加工精度产生非常大的影响。因此要尽量减少立柱变形，特别是立柱导轨面的变形。通过立柱静力分析结果可以看出，立柱后侧变形最大，立柱中间位置是机床加工的主要区域且是立柱的薄弱点，可以通过改变立柱内部筋板布置的方式进行结构优化，在不改变零件重量的前提下，详细来说通过减少筋板厚度、增加筋板数量以及立柱底部加筋等措施实现。分别对立柱内部增加筋板及底部增加筋板建立三维模型，并按分析流程，依次增加相同的约束与受力，分析后的结果如表2所示。

图5 立柱受力位移云图

表2 立柱优化最大位移

从优化结果可以看出，通过增加筋板及底部筋板后，立柱刚性有了提高，立柱的最大变形量位移减少了0.004mm，达到了优化目的。

3 结语

本文应用Solidworks Simulation软件.对三维建模的加工中心立柱进行了静态受力分析，模拟实际加工过程中的受力及约束情况，获得了立柱受力变形跟位移的关系，最后通过分析变形结果及位移云图，决定了优化方向，通过多次优化分析，获得最优立柱结构。可知利用Soildworks Simulation软件对结构进行动有限元分析，可以快速有效确定结构最优优化方案，缩短产品试制周期，达到节省试验时间及成本的目标。