加工中心支撑大件的设计及分析_CNC加工中心

前言：

1 夹具箱体的设计与分析

夹具箱体是高精度加工中心重要的支撑部件，夹具箱的动态性能对加工中心加工精度的影响不亚于主轴箱。文章通过利用Pro/MECHANICA软件的有限元分析功能，对夹具箱体的设计原型进行模态分析，并通过对夹具箱体结构的结果分析并对原型进行改进和优化，进而实现了夹具箱体最优设计。

1.1夹具箱体的设计与分析

设计的夹具箱体的外形尺寸、厚度尺寸等均按照设计规范以及《机械设计手册》中的相关要求进行设计。为了避免夹具箱体刚度不够，依据经验在薄弱区域增设加强筋板。在完成原型设计后，利用三维建模软件_Pro/ENGINEER建立夹具箱体的初始化模型，并利用p_r0/MECHANICA进行有限兀分析。模型如图1所示。

1.2夬具箱体的模态分析

〔1)模态分析理论。加工中心中很多部件都需要进行模态分析。夹具箱也需要通过模态分析来确认设计方案的可行性。一个具有n自由度的系统在任一瞬间的运动的形态要用n个独立的广义坐标系来描述，对于n自由度的无阻尼系统而言，它具有n阶固有频率。当系统按任意一个固有频率作自由振动时，系统的运动是一种同步运动，称为主振型，系统做主振型时所具有的振动形态称为模态。机构的动力学问题都是以模态理论为基础的。

(1) 模态分析工具。Pro/ENGINEER软件是广泛应用于3D建模的软件。其文件格式被多个有限元软件所采用。Pro/MECHANICA是该软件公司针对机械有限元推出了软件，可以方便对结构进行分析。可以采用Pro/ENGINEER建立了夹具箱体的三维模型，利用Pro/MECHANICA对夹具箱体的模态进行分析，其精度符合工程要求，并且避免了有限元软件因模型格式问题导致的不兼容问题。

(2) 夹具箱体模态分析过程。利用Pro/MECHANICA软件对夹具箱体的固有频率进行有限元法的分析，其流程如下。

几何模型简化。夹具箱体外部设有倒了圆角的加强筋以增加刚度；为避免应力集中夹具箱体尖角及各边都进行了倒角处理。在建立夹具箱体有限元模型时，对于应力低的区域尽量去掉倒（圆）角，以避免因网格剖分产生畸形网格，影响计算精度。

定义材料属性和约束。文章设计的夹具箱体材料为HT200。夹具箱体固定是通过螺栓与底座固定。在有限元模型中，通过约束螺栓与固定位置相对应的节点各个自由度来建立模型的约束。

网格划分。采用Pro/MECHANICA软件中自带的AUT0GEM进行网格划分，网格剖分图如图1所示。

夹具箱体模态分析结果。夹具箱动力学分析的重点是低阶固有振型频率。通过分析得到了前10阶固有频率分别为 180Hz、213Hz、273Hz、287Hz、299Hz、331Hz、344Hz、405Hz、427Hz、447Hz,前4阶固有振型图如图2所示。

2 床身的设计

焊接床身与铸造床身相比具有如下优点：①制造成本低，省去了模具费用，且避免了铸造缺陷等问题；②提高了床身的固有频率；③实现封闭的床身结构；④可以通过增加筋板来实现小质量大刚度的要求。

2.1床身的厚度的选择

加工中心采用封闭截面式焊接床身，附以筋板提高刚度，其壁板的厚度可根据当量尺寸C来选择，当量尺寸C Cm)由下式确定：

C= C2L+B+H) /3 ⑴

其中，L、B、H分别为床身的长、宽、尚（m)，当量尺寸表1所示。查的表得到最小厚度为16mm，通常情况下还要考虑受力和焊接工艺的要求适当调整厚度。

表1当量尺寸与壁厚对应表

项目			参数
当量尺寸	1	1.5	1.8	2. 0	2.5
最小壁厚	10	12	14	16	18

2.2.床身的结构设计

斜床身具有排屑方便，避免了切屑堆积在导轨上f致的床身受热而产生变形；在分布上方便安装自动排肩装置。床身设计成斜45°的封闭箱形，在设计时要具有一

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结束语：

文章主要对加工中心支撑结构中的夹具箱体和床身部分进行了分析。采用有限元法得出了夹具箱体得前10阶固有频率并给出前4阶振型图.分析结果满足设计的冗余耍求；通过对加工中心床身进行了静力分析确认了床身的刚度满足耍求。

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