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      床身作為機(jī)床主要結(jié)構(gòu)件，在工作過(guò)程中承受多種靜載、動(dòng)載作用；并通過(guò)地腳裝置與廠房基礎(chǔ)相連接。受力狀況復(fù)雜，對(duì)剛性及動(dòng)態(tài)特性要求高。那么機(jī)床床身建模及靜力學(xué)是怎么樣的呢，快和小編一起來(lái)看看機(jī)床床身建模及靜力學(xué)分析吧。


      機(jī)床工作過(guò)程中，床身及工作臺(tái)的自重、被切削工件的質(zhì)量產(chǎn)生的作用力，由于方向恒定，大小基本不變，可以視作靜載荷。靜力學(xué)分析的目的是考量指標(biāo)床身在特定載荷約束條件下的最大變形量。變形量直接反應(yīng)床身靜剛度大小。


      對(duì)床身靜剛度影響最大的因素是床身鑄件內(nèi)部筋腔布局，包括筋腔尺寸及筋腔形式兩方面。對(duì)于龍門(mén)機(jī)床來(lái)說(shuō)，常用的筋腔形式有方格筋、米字筋及蜂窩筋等。


      根據(jù)已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在筋腔尺寸相同的前提下，蜂窩筋及米字筋布局的床身靜剛度要優(yōu)于方格筋。但是，相同尺寸下，米字筋及蜂窩筋布局的床身質(zhì)量也明顯高于方格筋床身，鑄件成本隨之顯著增加。因此，單純以筋腔尺寸作為限制條件來(lái)衡量不同形式筋腔布局的剛性優(yōu)劣是不客觀的。本文中采用以床身鑄件總質(zhì)量作為限制條件，分別采用三種筋腔布局方案設(shè)計(jì)了三種床身，在材質(zhì)、載荷和約束均相同的條件下先比較三種床身的靜剛度。


      （1）需求分析及建模。選取GMC2040r2型五面式龍門(mén)加工中心的床身作為分析對(duì)象。該型號(hào)機(jī)床屬于中重型數(shù)控機(jī)床，應(yīng)用廣泛。床身部件設(shè)計(jì)總長(zhǎng)8 460mm，上表面布置四條直線導(dǎo)軌用以承載工作臺(tái)及被加工工件質(zhì)量。工作臺(tái)設(shè)計(jì)質(zhì)量7t，設(shè)計(jì)最大承載工件質(zhì)量20t。同時(shí)規(guī)定：床身質(zhì)量不超過(guò)11t，材質(zhì)為HT300。分別采用方格筋、米字筋及蜂窩筋三種方案設(shè)計(jì)鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并對(duì)螺紋孔、倒角圓角等細(xì)微特征進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后，得到三組床身模型，外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。


      其中，（b）為方格筋布局，床身模型評(píng)估質(zhì)量10.67t；（c）為米字筋布局，床身模型評(píng)估質(zhì)量10.86t；（d）蜂窩筋布局，床身模型評(píng)估質(zhì)量10.80t。三種模型質(zhì)量偏差1.78%，且均不超過(guò)11t質(zhì)量限制。


      （2）靜力學(xué)分析。靜力學(xué)分析借助ANSYS Workbench有限元分析軟件進(jìn)行。作為一款多物理場(chǎng)分析軟件，ANSYS Workbench提供了完善的CAD軟件接口，支持目前絕大多數(shù)3D設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)的無(wú)縫導(dǎo)入及實(shí)時(shí)更新。配合模塊化組態(tài)功能及數(shù)據(jù)共享功能，使得設(shè)計(jì)人員能夠輕松搭建一套完善的CAD/CAE設(shè)計(jì)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)（Design）＋分析（Analysis）＋修改（Correction）這一迭代流程。在工程實(shí)際應(yīng)用中具有顯著意義。


      ①工況分析及前處理。如前文所述，床身材質(zhì)為HT300


      三種床身模型均按照以下規(guī)則施加載荷及邊界條件：加工工件最大質(zhì)量及工作臺(tái)質(zhì)量之和為27t，作用在四條直線導(dǎo)軌與滑塊接觸位置。按照滑塊尺寸切分導(dǎo)軌面，將27t總質(zhì)量轉(zhuǎn)化為均布載荷（Pressure）施加在導(dǎo)軌作用面上。經(jīng)過(guò)計(jì)算，均布載荷大小為3MPa；由于在機(jī)床使用過(guò)程中，工作臺(tái)停留在床身中部區(qū)間的時(shí)間占比最長(zhǎng)，因此均布載荷按照線軌滑塊布局尺寸施加在床身中部位置。并在床身上施加標(biāo)準(zhǔn)重力載荷（Standard Earth Gravity）。在地腳孔位置施加完全固定約束（FixedSupport），床身與立柱聯(lián)接界面上施加無(wú)摩擦支撐約束（Frictionless Support）。網(wǎng)格劃分采用四面體單元，并在關(guān)鍵位置（線軌面、地腳孔等位置）進(jìn)行細(xì)化（Refinement）


      ②后處理及結(jié)果分析。機(jī)床中的力學(xué)問(wèn)題絕大多數(shù)都可以歸結(jié)為剛度問(wèn)題。因此對(duì)三種模型的分析結(jié)果采用床身總變形量（Total Deformation）作為衡量指標(biāo)。經(jīng)求解器計(jì)算后，得到三種床身的總變形量云圖。


      其中，（a）、（b）和（c）分別對(duì)應(yīng)方格筋、米字筋及蜂窩筋布局的床身。三者最大變形量分別為6.95×10-5m、9.06×10-5m和6.26×10-5m，方格筋和蜂窩筋占優(yōu)；同時(shí)，觀察圖中大變形區(qū)域面積，可以發(fā)現(xiàn)方格筋布局床身的大變形區(qū)域明顯多于米字筋及蜂窩筋床身�？梢�(jiàn)，在質(zhì)量限制相同的前提下，考慮床身的靜剛度，蜂窩筋是最優(yōu)布局方案。因此后續(xù)床身的動(dòng)態(tài)特性分析針對(duì)蜂窩筋布局方案展開(kāi)。


      相信通過(guò)上文的介紹，大家對(duì)機(jī)床床身建模及靜力學(xué)分析也有了進(jìn)一步的了解。希望上文給您帶來(lái)幫助。