基於有限元分析的現場銑床橫樑結構優化

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   時間:2014-03-11 12:19:59
基於有限元分析的現場銑床橫樑結構優化簡介
       摘要:針對在加工中由於橫樑部件剛度不足在工件表面產生波紋狀刀痕的情況,使用三維軟體SolidWorks以及有限元分析……
基於有限元分析的現場銑床橫樑結構優化正文
       摘要:針對在加工中由於橫樑部件剛度不足在工件表面產生波紋狀刀痕的情況,使用三維軟體SolidWorks以及有限元分析插件CosmosWorks對現場銑床進行建模和靜、動態性能的分析,依據橫樑振動相對變形的振型和幅值,以及機床的工作環境和機床設計的結構力學理論,提出了對橫粱的幾項改進建議,通過有限元分析其性能有較大提高,並通過模態實驗進行驗證,將實測值與理論值對比可知,改進后橫樑具有較好的靜、動態性能,證明橫粱結構的優化設計是可行的。 


引言


現場銑床是用於石化裝置的現場加工設備。為了適應現場的加工環境,要求現場銑床在滿足性能、精度等條件下,其質量和體積儘可能最小。銑床由於橫樑部件剛度不足在加工中工件表面產生波紋狀刀痕,影響了加工精度和表面質量。本文藉助CosmosWorks有限元軟體,建立銑床有限元模型,對主要移動部件進行靜、動態性能分析,提出對銑床結構合理的改進方法。圖1為現場銑床的結構示意圖。

  1 有限元模型的建立


采川SolidWorks軟體建立現場銑床的三維實體模型主軸箱的重力及懸臂產生的扭矩M直接作用於橫樑,使得橫樑扭轉變形(見圖2),所以橫樑為現場銑床的關鍵部件,它的剛度直接影響加工精度,因此把橫樑作為主要分析的對象。為現場銑床橫樑的實體模型。


2 橫樑原結構的有限元分析


2.1 模型簡化


橫樑為鋼板焊接結構,閃此各個焊點均作為模型的剛性節點,將主軸箱簡化為和實際結構基本重量一致的箱形結構,考慮到主軸箱與滑板的接觸變形遠小於橫樑的變形,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


對橫樑的實體模型導人CosmosWorks有限元軟體中,建立有限元計算模型,採用實體單元劃分網格,單元數目為17256,節點數目為9352,自由度數目為97659。


2.3 定義約束和施載入荷


橫樑兩端通過螺釘固定在滑座上,在有限元模型中,把橫粱的邊界約束簡化為與同定螺栓位置相對應的節點的各個方向的自由度,即周定與螺栓位置相對應節點的各個自由度來實現對橫樑的約束,橫樑受力為主軸箱的重力和銑削力,橫樑的最大變形量發生在主軸箱運行到橫樑中間位置時:圖4為劃分網格后對橫樑和滑板施載入荷約束后的模型圖,通過求解,橫樑的最大變形量為0.1547mm,實測加工時為(0.15-0.20 mm)左右,分析結果與實際加工的誤差基本一致,遠大於工件0.06mm的平面度要求。圖5為原結構位移雲圖。對機床進行模態分析,可以明顯表現出機床動態特性為圖6、7的第一、二階振型圖。表l為前五階的固有頻率和振型:通過分析可知第一階振型中橫樑在外力激勵下產生較大幅度的變形,在加工過程中使銑刀的定位精度變差,嚴重影響了工件的加工精度。因此要對橫樑的結構進行改進。


3 橫樑結構改進和分析


3.1 橫樑結構的改進


從以上分析可知,橫樑的剛度不足是影響變形的主要原因。在橫樑改進設計中,考慮到機床的工作環境等方面因素,改進時對橫樑基本結構不作大的變動,為提高橫樑抗扭剛度採用了對角筋板抗扭理論,將橫樑內部的筋板改為x型;為了充分發揮縱向筋板的抗扭性能,筋板布置角度應盡量與水平面成45。和135。的方向,改進的方案如下:


(1)將筋板數量由原3塊變為5塊,厚度由10mm增加到15mm;


(2)在橫樑內部加一條縱向的水平筋板s.厚度為15mm;


(3)將梯形角d由16。增大為20。;


(4)橫樑內部新增X型筋板,厚度為15mm,寬為30mm。改進后的結構見圖8。


3.2 有限元分析


將改進后的橫樑模型導入有限元分析軟體中,經過分析計算后得出橫樑的變形(見圖9)以及橫樑的振型結果,橫樑在加工過程中的最大變形量為0.056mm,改進后橫樑最大變形量比改進前明顯降低。


3.3計算結果與實驗驗證


為驗證上述改進的合理性,對銑床進行了模態實驗。用一剛度小的索懸挂激振器,分別在主軸端部的三個方向上對機床進行正弦掃頻激勵,在銑床上布置了14個測點,通過安裝在主軸端前端、橫樑上部和滑板上的8個加速度感測器拾取系統的振動信號,對其進行模態分析。


從表2中可以看出,本文的計算結果與試驗測試結果比較吻合,橫樑動態性能有了明顯提高。其中,一階頻率偏差相對較大,這是因為機床主軸箱與滑板的接觸剛度在計算時沒有考慮,導致一階模態結果偏小。


4 結束語


通過有限元法對原橫樑及改進后的動態分析和對比,探討橫樑內部筋板的布局對其動態性能的影響,並以橫粱振動模態相對位移量的大小為設計的參考依據,提出了對橫樑的改進建議,並通過實驗驗證,橫樑結構的優化設計是可行的,對減小其變形量、提高加工精度起到良好的作用。

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