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0引言

復(fù)合化是數(shù)控機床一個普遍發(fā)展趨勢，在現(xiàn)代機械加工中復(fù)合化數(shù)控機床發(fā)揮著愈來愈大的作用^[1]。車銑復(fù)合加工中心具有多軸聯(lián)動功能，機床動力刀架配合Y軸移動能實現(xiàn)強力銑削，Y軸立柱作為動力刀架的一個重要支撐零件，必須對其進行最優(yōu) 化設(shè)計以減少機床在強力切削時的振動，使加工零件獲得較高的加工精度和很好的表面粗糙度。目前國內(nèi)復(fù)合機床偏重于結(jié)構(gòu)布局研究，對復(fù)合后機床支撐件力學性能研究不足。筆者通過對車銑復(fù)合加工中心Y軸立柱有限元仿真和分析，完成了對Y軸立柱的優(yōu)化設(shè)計，并在機床的實際使用中，證明優(yōu)化后的 Y軸立柱很好的滿足了機床的加工要求。

1立柱的建模

1.1立柱的三維建模及材料的定義

利用Solidworks進行立柱二維模型建立,在此過程中，三維模型中的一些細小特征，比如加工倒角、螺紋孔、工藝凸臺等會影響有限元網(wǎng)格模型的建立，因此對這些不影響力學性能的特征進行了簡化,進行簡化后的三維模型如圖1所示。根據(jù)立柱的使用情況選擇其材料為HT300鑄鐵，通過查閱相關(guān)參考文獻可得出材料彈性模量為150 GPa、泊松比為0. 27、密度為 7 400 kg/m^3[2]。

1.2立柱有限元網(wǎng)格模型的建立

對簡化后的立柱三維模型利用Simulation進行網(wǎng)格劃分。在進行網(wǎng)格劃分時，如果網(wǎng)格劃分太細，雖然會提高運算精度但也會加大運算時候的運算量, 因此，在對計算的精度不會有較大影響前提下選擇合適的網(wǎng)格單元大小就很重要^[3]。筆者進行模型網(wǎng)格劃分時，朱用的網(wǎng)格單元大小12. 96 mm，經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，共有69 419個節(jié)點，43 337個單元，網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示。

1.3載荷的施加及邊界約束

立柱的受力主要是機床切削加工時的切削力和刀架的重力，其中切削力通過刀具及刀架傳遞給立柱。通過已知的切削參數(shù)及查閱相關(guān)參考文獻，可計算出切削力三個方向的分力大小:切向力2 029 N，徑向力Fy = 569 N，軸向車削力& = 620 N^[4]。刀架的質(zhì)量為396 kg，由于機床切削力和刀架重心與立柱受力點之間存在一定距離，經(jīng)過將切削力與刀架重力進行合成并經(jīng)過施加遠程載荷，可以模擬機床進行加工時的狀態(tài)。

立柱通過螺釘與機床床鞍進行剛性連接，因此可以將立柱下面的六個自由度全部約束,對立柱進行約束并施加遠程外力載荷后，得出立柱的受力示意如圖 3所示。

1.4計算結(jié)果

將各條件確定后，經(jīng)過Simulation模塊進行運算分析，得到了立柱的應(yīng)力、應(yīng)變圖解及總位移圖解 (見圖4 ~6所示）。

2對運算結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1受力分析

通過圖4、5可以看出立柱左端的筋柱上受到的應(yīng)力及應(yīng)變較大，最大應(yīng)力為21.37 N/mm²,在設(shè)計中應(yīng)該是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵位置,而其他位置并沒有出現(xiàn)較高的應(yīng)力及應(yīng)變。

2.2位移分析

通過圖6可以看出,立柱最大變形位移出現(xiàn)在立柱左端的筋柱上部區(qū)域，最大變形位移為0.027 mm，由于結(jié)構(gòu)布局需要，立柱左端處布置有Y軸電機，因此左端處留有較大空位,這就使得立柱局部變形位移較大。由于立柱是機床加工時受力關(guān)鍵部件,該局部變形會在一定程度上直接影響機床的加工精度，因此有必要對立柱進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

2.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過以上分析可知,立柱左端的筋柱區(qū)域是結(jié)構(gòu) 優(yōu)化的重點，可以做有針對性結(jié)構(gòu)加強。首先將立柱左端處筋壁的厚度進行了改進，由原來的20 mm增加為25 mm，其次，在與Y軸電機不發(fā)生干涉的前提下，將立柱左端的空位尺寸改小，提高此處的結(jié)構(gòu)剛性。另外,在立柱受應(yīng)力、應(yīng)變較小的頂部設(shè)計了三個減重孔,改進后的立柱重量比原來的重量只增加了 2 kg。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進后的立柱再此利用Simulatiom進行有限元仿真和分析^[5]，其應(yīng)力、應(yīng)變圖解及總位移圖解如圖7 ~9所示，從分析結(jié)果可知,優(yōu)化后的立柱最大的變形位移由之前的0.027 mm減少到了 0.009 mm，而重量只增加了 2 kg。該機床裝配完成,實際使用效果良好，加工精度和加工表面粗糙度都達到了設(shè) 計要求。

3結(jié)語

車銑復(fù)合加工中心憑借其高效率、高精度及較強的加工性能，越來越受到廣大機床用戶的青睞，因此，如何構(gòu)思、設(shè)計車銑復(fù)合加工中心，已經(jīng)成為機床企業(yè)工程師當下任務(wù)^[6]。筆者利用Simulatiom對車銑復(fù)合加工中心Y軸立柱進行有限元仿真和分析過程，完成了對Y軸立柱的優(yōu)化設(shè)計，通過對機床的實際使用，證明優(yōu)化后的Y軸立柱很好的滿足了機床的加工要求，實踐證明利用有限元仿真和分析方法, 能夠縮短機床設(shè)計周期和提高設(shè)計效率。