引言
数控机床的静刚度对其加工精度具有显著影 响1,机床的静刚度可以通过试验法测量。仇健等2 测量了某系列卧式加工中心主轴的静刚度,并讨论了 主轴刚度的配置方法。李殿新等3以某立式加工中心 为对象,测量了机床整机和主要零件的变形,识别了机 床y向静刚度的薄弱环节。试验法虽然可以准确获取 机床的静刚度,但试验必须在机床制造装配完成后开 展,而有限元法可以在设计阶段对机床的性能进行分 析和优化,从而经济高效提高机床的加工精度。国内 外学者对机床的静刚度开展了大量仿真研究,分析结 果却差强人意,而影响仿真精度的最关键因素是无法 对零部件间的结合面准确建模。刘启伟等4仿真了某 车床整机的静刚度,向尾台的仿真误差达到77. 3%。 孙永平等5仿真了某G型结构立式镗铣床的静刚度,
但没有给出结合面间的参数。
本文以某立式加工中心为研究对象,首先建立了 该机床整机的实体模型,然后将结合面参数添加至有 限元模型,之后对机床整机的静刚度进行了仿真分析, 最后开展了机床静刚度试验,证明了本文仿真分析的 准确性。
1机床整机实体模型建立
本文研究的机床如图1所 示,主要由床身底座、床身、立柱、 主轴箱、主轴、刀柄、十字滑台和 工作台组成。在Pro/E中建立机 床的实体模型时,将尺寸较小的 ?L、凸台、键槽等特征简化,建立 的整机实体模型如图2所示。
建立实体模型后,将模型导入ANSYS中进行有限 元分析。图2中零件的材料均为HT300,弹性模量为 120GPa,泊松比为0. 3,密度为7200kg/m3。添加材料 属性后,对机床整机采用自由网格划分,有限元模型共 有127259个节点和65916个单元,如图3所示。
机床的两个相邻零件以结合面的方式接触,大量 研究表明,机床总柔度的30% ~50% 6是由于结合面 产生的。机床整机静刚度仿真时,通常将结合面的刚 度值通过弹簧单元的方式添加到有限元模型中。本文 对仿真精度影响较大的结合面存在于床身底座与床 身、床身与立柱、立柱与主轴箱、主轴箱与主轴、主轴与 刀柄、床身与十字滑台、十字滑台与工作台之间。
本机床结合面的类型主要有以下3类:①存在于 床身底座与床身、床身与立柱、主轴箱与主轴之间的螺 栓固定结合面,建模时在每个螺栓位置沿x、、向各 添加一个弹簧单元;②存在于立柱与主轴箱、床身与十 字滑台、十字滑台与工作台之间的导轨滑块结合面,建 模时在每个滑块与导轨接触面的4个顶点处沿x、、 向各添加一个弹簧单元;③存在于主轴与刀柄之间的 轴承结合面,建模时在每个轴承位置沿轴向和径向各 添加一个弹簧单元。
影响结合面刚度值的因素很多,如相邻两个零件
的重量、结合面的面积、预紧力大小、接触表面的粗糙 度等[740]。课题组对结合面刚度辨识方法进行了大量 研究,并建立了刚度值数据库,通过查询数据库,得到 各结合面的刚度值如表1所示。另外,主轴与刀柄之 间存在前轴承、后轴承两处支撑,前轴承的轴向刚度为
0. 6 xl0sN/m,径向刚度为7. 7 x 10sN/m;后轴承的轴 向刚度为1. 6 x 108N/m,径向刚度为7. 5 x 108N/m。
表1各结合面的刚度值(109 • N/m)
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本文仿真机床整机沿x、、3个方向的静刚度时, 将数值为2000N且反向的载荷分别施加在刀柄下端 面和工作台上端面的中心点,并将床身底座与地面的 接触面固定约束。机床 向静刚度的仿真结果分
别如图4、图5、图6所示。
由图4可以看出,向仿真时,刀柄中心点的位移 为-0. 20364mm,工作台中心点的位移为+0. 0025570 mm,两者的相对位移为0. 2061970mm,因此x向的静 刚度为: ⑴
由图6可以看出,向仿真时,刀柄中心点的位移 为+0. 10951075 mm,工作台中心点的位移为 -0.021486mm,两者的相对位移为0. 13099675mm,因 此z向的静刚度为:
2000
0. 13099675
根据仿真结果可知,向的静刚度最小,向的静 刚度最大。施加载何后,由床身底座、床身、十字滑台 和工作台串联组成的支路变形很小,而由床身底座、床 身、立柱、主轴箱、主轴、刀柄串联组成的支路变形大得 多。由图4、图5、图6可以看出,施加载荷后,立柱带 动主轴箱、主轴和刀柄变形。因此,可以采取以下措施 提高机床整机的静刚度:①加大立柱与床身之间结合 面的刚度值;②改变立柱内部筋板的布局,从而提高立 柱本身的静刚度。
为了验证仿真分析的准确性,对机床静刚度开展 试验测试。将机床各零件放置在与仿真分析时对应的 位置上;采用压力传感器施加载荷,将压力传感器的下 端固定在工作台上,2000N的载荷施加在刀柄上;采用 千分表测量刀柄相对工作台的变形,千分表的底座固 定在工作台上,指针垂直于刀柄的被测表面。x、、向 静刚度试验测试分别如图7、图8、图9所示。
每个方向均测量3次,3次结果取平均值,3个方 向的静刚度试验结果如表2所示。为了验证仿真分析 的精度,将仿真分析的刚度值、仿真误差也列于表2。
表2静刚度试验与仿真值对比
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由表2可以看出,3个方向的仿真误差均在±5% 以内,说明第3节使用的结合面参数准确,本文建立的 有限元模型准确反映了机床整机的实际静刚度。
5结论
本文以某立式加工中心为对象,首先采用有限元 软件仿真分析了机床整机的静刚度,重点介绍了各主 要结合面的建模方法和结合面刚度值,仿真分析得到 *、、3个方向的静刚度值分别为9700 N/mm、12258 N/mm、15268 N/mm,试验测试得到3个方向的静刚度 值分别为 9255 N/mm、11700 N/mm、15517 N/mm,证 明本文的有限元模型精度很高。为了提高机床整机的 静刚度,可以修改立柱内部筋板的布局从而提高其静 刚度,并加大立柱与床身之间结合面的参数。
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