卧式加工中心立柱结构分析与优选

2017-09-30沈阳机床股份有限公司毕岩

智能制造 2017年6期

沈阳机床股份有限公司毕岩

卧式加工中心立柱结构分析与优选

沈阳机床股份有限公司毕岩

立柱是卧式加工中心的重要组成部分，对机床整机的结构具有重要影响。本文应用Pro/ENGINEER软件建立三维模型，对卧式加工中心关键部件立柱的不同布筋方式进行了流体力学分析和有限元分析，比较不同筋板布置方案对立柱的影响，分析当前结构的合理性，提出结构优化方案。

一、引言

HMC50m是沈阳机床股份有限公司开发的一款中小型卧式加工中心，最适合零件多工作面的铣、钻、镗、铰、攻丝、二维和三维曲面等多工序加工，具有在一次装夹中完成箱体孔系和平面加工的良好性能，广泛应用于汽车、内燃机、航天航空等行业。HMC50m机床体整体结构紧凑，是比较典型的精密卧式加工中心。

机床的整体刚性不仅受机床整体结构的影响，更与机床的铸件结构有直接联系。因此，在设计过程中对机床立柱采用了最优化设计方法，通过合理的结构程度和加强筋的搭配，实现尽可能低的重量承载最大的载荷。

二、机床主要结构及三维模型建立

此款机床整机主体由床身、立柱、主轴箱、滑枕、刀库、工作台和交换站七部分组成。纵横床身呈倒T字型布局，立柱横向移动为X轴，主轴箱纵向移动为Y轴，滑枕前后移动为Z轴。立柱导轨采用平行等高布局，具有良好的刚性；工作台固定，并采用直接回转式双交换工作台结构，交换快捷；排屑器置于床身后部，床身中间采用冷却液冲刷方式排屑，减少机床热变形，利于提高精度。总体结构布局的整机装配如图1所示。

三、立柱的结构优化

1.立柱结构在铸造工艺上的优化

图1 HMC50m卧式加工中心结构模型

机床的基础大件大部分是铸件，这些铸件对机床整体静态性能和动态特性有着密切影响。铸件内部筋板的布局方面一定要合理。首先，从铸造工艺方面考虑，铸件结构便于排沙，不能形成死腔结构；其次，避免材料堆积，因为材料堆积将导致在冷却过程中，铸件内部缩孔的形成和低应力的出现。例如可以用T型节点取代十字节点，运用环形设计代替多个筋板汇集一个节点以及不同厚度的筋板交汇采用渐变的筋板厚度均可解决此类问题。在立柱的设计中，最初的方案如图2（a）所示。考虑到立柱是移动部件，最初的方案中重量太大，不利于机床传动，基于铸件筋板的布置原则，又出现了后来的方案一和方案二，如图2（b）、（c）所示。方案一即减轻了立柱的重量，十字节点改成T字节点形式；方案二中的筋板布置成蜂窝结构，增强刚性。

图2 立柱的初次设计模型

方案一和方案二中，多处出现尖角，易形成应力集中。在此基础上又进行了优化设计，在重量几乎不变的情况下，方案一中的矩形开口设计成大的圆角形式，同时对方案二的尖角予以倒圆角处理，改进方案如图3所示。

图3 立柱的二次改进设计模型

2.流体力学方法分析铸件结构

本文采用FLOW-3D分析立柱结构，FLOW-3D是三维工程流体力学分析软件，用于模拟金属液态流动及凝固过程。首先进行初始设置，材料HT300，网格大小0.01～0.05m，溶液温度1300℃，自然冷却。分别对三个基本模型进行凝固分析。

通过分析，三种方案整体固化分析如图4、图5所示。图4中三种结构都能进行铸造浇注，由于方案一和方案二重量比原始模型减轻100Kg左右，建议选择更好的材料球墨铸铁，能提高整体刚性。图5中侧壁的筋板布置蜂窝结构优于原始模式和方案一（原始模型和方案一的侧壁筋板布局相似，以其中一个进行了对比分析）。

图4 FLOW-3D对立柱的分析结果

图5 立柱的侧壁固态分析

四、有限元动态分析

采用ABAQUS软件来进行立柱的有限元分析。ABAQUS可以为常见的及复杂的研发过程遇到的问题提供完整的解决方案。

根据实际工况条件，立柱的受力如图6所示，其中，FX=3000N、FY=17000N、FZ=3000N。分别以三种方案为基础，用ABAQUS进行模拟分析，在受综合外力的情况下，立柱各个方向的变形量如图7所示。方案二球墨中立柱材料为球墨铸铁，其余均为灰口铸铁HT300。

图6 立柱受力示意图

图7 原始方案受力变形图

由立柱受力变形数据分析表可以看出，原始方案中最大的变形量是0.0176μm，Y方向的变形量最大0.0156μm。变形量最大的地方在立柱上方电机座连接处，如图7所示。方案一的最大变形量0.0105μm，方案二的最大变形量为0.0083μm，相比较发现，方案二优于方案一、优于原始方案。当把铸件材料变成球墨铸铁之后，变形量又进一步减小到0.0069μm。通过图8可以很清晰的反映出各个方案的变形量关系。