搜索CosmosWorks銑床結(jié)構(gòu)分析
2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
用有限元軟件CosmosWorks對現(xiàn)場銑床進(jìn)行建模和靜、動(dòng)態(tài)性能分析,依據(jù)橫粱振動(dòng)相對變形的振型和幅值,分析出影響加工精度的因素,為機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。
作者: 謝黎明*李大明*沈浩*靳嵐 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: CosmosWorks 現(xiàn)場銑床 橫梁
現(xiàn)場銑床是用于石化裝置的現(xiàn)場加工設(shè)備。為了適應(yīng)現(xiàn)場的加工環(huán)境,要求現(xiàn)場銑床在滿足性能、精度等條件下,其質(zhì)量和體積盡可能最小。在實(shí)際應(yīng)用中由于橫梁的受力變形引起振動(dòng),導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生了波紋狀刀痕,嚴(yán)重影響了加工精度和表面質(zhì)量。因此,有必要借助有限元軟件CosmosWorks,對機(jī)床主要移動(dòng)部件進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析。
1 建模與理論分析
1.1實(shí)體模型的建立
采用SolidWorks軟件建立現(xiàn)場銑床的三維實(shí)體模型。銑床在加工時(shí)切削力經(jīng)主軸、主軸箱傳遞給橫梁,主軸箱的重力及懸臂產(chǎn)生的扭矩直接作用于橫梁,所以橫梁為現(xiàn)場銑床的關(guān)鍵部件,它的剛度直接影響加工精度,因此把橫梁、主軸箱作為主要分析的對象。
1.2現(xiàn)場銑床靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性理論分析
將橫梁的結(jié)構(gòu)簡化為兩點(diǎn)簡支梁支承形式,如圖1所示(a為橫梁中心到主軸箱質(zhì)心距離),主軸箱的重力給橫梁一力矩M,根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)情況,當(dāng)主軸箱沿橫梁移動(dòng)到中間位置時(shí),是機(jī)床靜態(tài)剛度最弱的工作狀況,靜力學(xué)分析將選擇此時(shí)機(jī)床的位姿來計(jì)算。
首先,進(jìn)行變量定義,設(shè)Fx為切向銑削分力;P為銑削力系數(shù);Sx為工件的移動(dòng)距離;B為工件寬度;ap為背吃刀量;z為刀具齒數(shù);D為面銑刀直徑;m為橫梁和主軸箱有限元模型的總體質(zhì)量矩陣;k為橫梁和主軸箱有限元模型的總體剛度矩陣;w為實(shí)數(shù),為簡諧運(yùn)動(dòng)的頻率;φ為任意常數(shù)。
根據(jù)銑削力計(jì)算公式,計(jì)算出在加工過程中刀具在各方向的受力。
以直徑40 mm的6齒盤銑刀銑削45#鋼(調(diào)質(zhì))工件為例,背吃刀量為5 mm時(shí)的進(jìn)給量為每齒0.2 mm。各銑削分力可由與Fx的比值求得,Fx=1315.2 N,Fy=1808 N,Fx=3123.6 N。其中對加工精度影響最大的是沿Z向分力。
當(dāng)銑床處于未工作時(shí)狀態(tài)時(shí),主軸箱的自重G,使橫梁受到主軸箱施加的力矩M1。在銑削加工中,銑刀接觸工件時(shí),主軸箱受的軸向銑削力E=3123.6 N,主軸箱的重力為G=1986.4 N,E>G,合力作用產(chǎn)生力矩M2,由于橫梁剛度不足,使得主軸箱有向上抬起的可能,在銑刀脫離工件時(shí)主軸箱受自重回落到原來位置,這樣產(chǎn)生了"讓刀"現(xiàn)象,如圖2所示,導(dǎo)致銑刀平面與工件面呈一角度,當(dāng)橫梁作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí),工件表面產(chǎn)生波紋狀刀痕,影響了加工精度。
在橫梁和主軸箱振動(dòng)過程中,可轉(zhuǎn)化n自由度無阻尼系統(tǒng)有限元模型的自由振動(dòng)方程為:
由于彈性體的自由振動(dòng)可分解為一系列簡諧振動(dòng)的疊加。因此可設(shè)式(1)的解為:
假定系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣與剛度矩陣都是正定的實(shí)對稱矩陣,可以證明,式(4)的冗個(gè)根均為正實(shí)根,它們對應(yīng)于系統(tǒng)的咒個(gè)自然頻率,這里假定各根互不相等,即沒有重根,因而可以由小到大按次序排列為:
將求得的wr(r=1,2,…,n)分別代人式(3)求得相應(yīng)的"u(r)"這就是系統(tǒng)的模態(tài)向量或振型向量?？芍麟A固有頻率與單位質(zhì)量的剛度成正比,提高了單位質(zhì)量剛度也就提高了固有頻率。由于激振力的頻率一般都不太高,因而只有最低階的幾階頻率才有可能與機(jī)床頻率接近或重合產(chǎn)生共振。高階模態(tài)的頻率已高于可能出現(xiàn)的激振頻率,一般不可能產(chǎn)生共振,對于加工質(zhì)量的影響不大,所以只分析最低階的幾階模態(tài)。
2橫梁結(jié)構(gòu)的有限元分析
2.1 模型簡化
橫梁為鋼板焊接結(jié)構(gòu),因此各個(gè)焊點(diǎn)均作為模型的剛性節(jié)點(diǎn),將主軸箱簡化為和實(shí)際結(jié)構(gòu)重量基本一致的箱形結(jié)構(gòu),考慮到主軸箱與滑板的接觸變形遠(yuǎn)小于橫梁的變形,所以滑板與主軸箱的接觸面定義為剛性接觸。
2.2劃分網(wǎng)格
將橫梁的實(shí)體模型導(dǎo)入CosmosWorks有限元軟件中,建立有限元計(jì)算模型,采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,單元數(shù)目為17 256,節(jié)點(diǎn)數(shù)目為5 352,自由度數(shù)目為97 659。
2.3定義約束和施加載荷
橫梁兩端通過螺釘固定在滑座上,在有限元模型中,把橫梁的邊界約束簡化為與固定螺栓位置相置相對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)對橫梁的約束,橫梁受力為主軸箱的重力和銑削力,橫梁的最大變形量發(fā)生在主軸箱運(yùn)行到橫梁中間位置時(shí)。
通過求解,橫梁的最大變形量為0.1547 mm,實(shí)際的加工誤差(0.15~0.20 ram)與分析結(jié)果非常接近。圖3為原結(jié)構(gòu)位移云圖,對機(jī)床進(jìn)行模態(tài)分析,可以明顯看出機(jī)床動(dòng)態(tài)特性,即第1和第2階振型.如圖4和圖5所示。表1為前5階的固有頻率和振型。
通過分析可知,第l階振型中橫梁在外力激勵(lì)下產(chǎn)生較大幅度的變形,在加工中銑刀隨橫梁上下振動(dòng),嚴(yán)重影響了工件的加工精度和表面質(zhì)量。因此設(shè)計(jì)中如何提高橫梁在Z向的抗彎剛度,減小切削時(shí)橫梁的變形量是提高機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵。
3 結(jié)束語
通過有限元軟件對橫梁建模,進(jìn)行了靜態(tài)動(dòng)態(tài)分析,得到了銑床加工中位移變形數(shù)據(jù)以及橫梁振型變化情況,所得結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合,橫梁在Z向的抗彎剛度是影響加工精度的主要因素,因此要通過改進(jìn)橫粱結(jié)構(gòu)來提高橫梁剛度,進(jìn)而提高加工精度。
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