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2013-06-07 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
用有限元软件CosmosWorks对现场铣床进行建模和静、动态性能分析,依据横粱振动相对变形的振型和幅值,分析出影响加工精度的因素,为机床的结构优化和改进设计提供可靠依据。
作者: 谢黎明*李大明*沈浩*靳岚 来源: 万方数据
关键字: CosmosWorks 现场铣床 横梁
现场铣床是用于石化装置的现场加工设备。为了适应现场的加工环境,要求现场铣床在满足性能、精度等条件下,其质量和体积尽可能最小。在实际应用中由于横梁的受力变形引起振动,导致工件表面产生了波纹状刀痕,严重影响了加工精度和表面质量。因此,有必要借助有限元软件CosmosWorks,对机床主要移动部件进行静、动态分析。
1 建模与理论分析
1.1实体模型的建立
采用SolidWorks软件建立现场铣床的三维实体模型。铣床在加工时切削力经主轴、主轴箱传递给横梁,主轴箱的重力及悬臂产生的扭矩直接作用于横梁,所以横梁为现场铣床的关键部件,它的刚度直接影响加工精度,因此把横梁、主轴箱作为主要分析的对象。
1.2现场铣床静态和动态特性理论分析
将横梁的结构简化为两点简支梁支承形式,如图1所示(a为横梁中心到主轴箱质心距离),主轴箱的重力给横梁一力矩M,根据机床运动情况,当主轴箱沿横梁移动到中间位置时,是机床静态刚度最弱的工作状况,静力学分析将选择此时机床的位姿来计算。
首先,进行变量定义,设Fx为切向铣削分力;P为铣削力系数;Sx为工件的移动距离;B为工件宽度;ap为背吃刀量;z为刀具齿数;D为面铣刀直径;m为横梁和主轴箱有限元模型的总体质量矩阵;k为横梁和主轴箱有限元模型的总体刚度矩阵;w为实数,为简谐运动的频率;φ为任意常数。
根据铣削力计算公式,计算出在加工过程中刀具在各方向的受力。
以直径40 mm的6齿盘铣刀铣削45#钢(调质)工件为例,背吃刀量为5 mm时的进给量为每齿0.2 mm。各铣削分力可由与Fx的比值求得,Fx=1315.2 N,Fy=1808 N,Fx=3123.6 N。其中对加工精度影响最大的是沿Z向分力。
当铣床处于未工作时状态时,主轴箱的自重G,使横梁受到主轴箱施加的力矩M1。在铣削加工中,铣刀接触工件时,主轴箱受的轴向铣削力E=3123.6 N,主轴箱的重力为G=1986.4 N,E>G,合力作用产生力矩M2,由于横梁刚度不足,使得主轴箱有向上抬起的可能,在铣刀脱离工件时主轴箱受自重回落到原来位置,这样产生了"让刀"现象,如图2所示,导致铣刀平面与工件面呈一角度,当横梁作进给运动时,工件表面产生波纹状刀痕,影响了加工精度。
在横梁和主轴箱振动过程中,可转化n自由度无阻尼系统有限元模型的自由振动方程为:
由于弹性体的自由振动可分解为一系列简谐振动的叠加。因此可设式(1)的解为:
假定系统的质量矩阵与刚度矩阵都是正定的实对称矩阵,可以证明,式(4)的冗个根均为正实根,它们对应于系统的咒个自然频率,这里假定各根互不相等,即没有重根,因而可以由小到大按次序排列为:
将求得的wr(r=1,2,…,n)分别代人式(3)求得相应的"u(r)"这就是系统的模态向量或振型向量。可知各阶固有频率与单位质量的刚度成正比,提高了单位质量刚度也就提高了固有频率。由于激振力的频率一般都不太高,因而只有最低阶的几阶频率才有可能与机床频率接近或重合产生共振。高阶模态的频率已高于可能出现的激振频率,一般不可能产生共振,对于加工质量的影响不大,所以只分析最低阶的几阶模态。
2横梁结构的有限元分析
2.1 模型简化
横梁为钢板焊接结构,因此各个焊点均作为模型的刚性节点,将主轴箱简化为和实际结构重量基本一致的箱形结构,考虑到主轴箱与滑板的接触变形远小于横梁的变形,所以滑板与主轴箱的接触面定义为刚性接触。
2.2划分网格
将横梁的实体模型导入CosmosWorks有限元软件中,建立有限元计算模型,采用实体单元划分网格,单元数目为17 256,节点数目为5 352,自由度数目为97 659。
2.3定义约束和施加载荷
横梁两端通过螺钉固定在滑座上,在有限元模型中,把横梁的边界约束简化为与固定螺栓位置相置相对应节点的各个自由度来实现对横梁的约束,横梁受力为主轴箱的重力和铣削力,横梁的最大变形量发生在主轴箱运行到横梁中间位置时。
通过求解,横梁的最大变形量为0.1547 mm,实际的加工误差(0.15~0.20 ram)与分析结果非常接近。图3为原结构位移云图,对机床进行模态分析,可以明显看出机床动态特性,即第1和第2阶振型.如图4和图5所示。表1为前5阶的固有频率和振型。
通过分析可知,第l阶振型中横梁在外力激励下产生较大幅度的变形,在加工中铣刀随横梁上下振动,严重影响了工件的加工精度和表面质量。因此设计中如何提高横梁在Z向的抗弯刚度,减小切削时横梁的变形量是提高机床动态性能的关键。
3 结束语
通过有限元软件对横梁建模,进行了静态动态分析,得到了铣床加工中位移变形数据以及横梁振型变化情况,所得结果与实际情况基本吻合,横梁在Z向的抗弯刚度是影响加工精度的主要因素,因此要通过改进横粱结构来提高横梁刚度,进而提高加工精度。
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