论文部分内容阅读
[摘要]用有限元分析方法计算立式车床大件的刚度和受力状态及刚度匹配问题，应用这种计算和分析方法，对重型立式车床的方案确定、优化设计以及制造过程发挥重要作用。
[关键词]大件 有限元 建模 分析
中图分类号：TH－3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0520097－01
我公司自主研制的12.5米单柱立式车床，是目前国内同类重大型立式车床中加工直径和承重最大的，设计制造难度很大。由于制造能力的限制，主体件不能设计过大，尤其是横梁和立柱两个大部件，按以往的结构设计不能满足生产要求。因此，在对该车床进行工作图设计之前必须进行有限元分析计算，以寻求既能满足机床精度要求又能适应生产能力的最佳结构设计方案。
机床结构布局如图1所示，由横梁、滑枕、立柱、立柱托板、立柱基座、工作台、工作台基座等八年大部件组成。
一、计算状态及计算方案
（一）计算状态
1．各大部件的自身刚度计算主要用于在相同的受力状态和计算条件下，比较由于结构的改变而产生的不同效果，即大部件的不同结构方案在各自受力方向上的刚度。
2.承受最大节削力时的各大部件变形折算至刀尖位移的计算，主要用来模拟和考核机床在粗加工承受最大切削力时的机床加工精度性能，受力条件和状态参照前苏联整机立车刚度标准(Roct44-85)的规定。
3．不计切削力时的各大部件变形折算至刀尖位移的计算，主要用来模拟和考核机床在精加工和机床精度检验时的机床精度性能，计算状态同1.1.2只不计算切削力，各大部件仅受自身重量作用。
（二）计算方法
根据前述的计算结果，按刀架在横梁上的4个位置，横梁在立柱上的3个位置，立柱在立柱基座上的3人位置等，分别进行受力分析和计算，共计18种工况。
二、计算模型的建立
对各大部件的有限元计算，采用了矩形板单元、三角形板单元和梁单元等进行单元划分。
三、结果及综合分析
计算采用UGII GFEM有限元分析程序，各在部件之间的联接面按刚性约束处理。
自身刚度计算：
1．计算结果比较
将立柱、横梁、滑枕的各方案自身刚度计算结果列于表1、表2和表3中，图2为它们的典型截面简图。
2．结构因素对各大部件自身刚度的影响
①截面尺寸的影响。从表2中可看出，立柱截面外廓尺寸每增加100mm，该增加尺寸的自身刚度提高了5%左右，如1号和4号、9号和10号方案在X方向尺寸增加200mm，X方向自身刚度提高了10%左右。同样，外廓尺寸的增加对横梁和滑枕的自身刚度都有不同程度的提高。
②立柱结构因素对扭转刚度的影响。立柱扭转刚度受立柱截面尺寸（a、b、c）和导轨间（e、d）的影响较大。如果单从某一方向增加尺寸，这一方向的弯曲刚度可能加强，但由于结构尺寸的特点，如果a、b、c、d等的不协有所下降，特别是7号方案比1号方案下降了9.7%，这主要是由于X方向尺寸加大造成立柱右导轨处折角尺寸过大，局部刚度减弱的致。
③各大部件方案优选。从各大部件自身刚度的计算方案比较看，立柱第9号和第10号方案、横梁第2号方案、滑枕第4号方案为最佳结构设计方案。
2．弹性位移平衡及各大部件变形在刀尖位移中的占的比例
将所计算的8个大部件的变形折算到刀尖处，进行整台机床的静刚度弹性位移平衡处理，得出了各大部件变形在刀尖位移中所占的比例。
X方向刀尖位移中滑枕所占的比例最大为63.06%；Y方向刀尖位移中，立柱所占比例最大为50.90%；立柱、横梁、滑枕三个大部件位移占了X方向的101.65%，占了Y方向的97.45%；而工作台、工作台底座、立柱托板、立柱基座、辅助卡爪变形引起的刀尖位移只占向位移3%左右。产生这种现象的主要原因有两个：一个是由于横梁、立柱和滑枕的三大部件形状为细长类，主要受弯曲荷载，而工作台、立柱托板和立柱基座的形状为厚板类，主要受压缩荷载；另一个是由于12.5m立车为重型车床，各大部件重量比较大，尤其是立柱、横梁的重量是主切削力的4-5倍，因而各大部件变形中由重力引起的变形占了相当大比例，切削力的影响因素较小。
很显然，提高机床的刚度性能，重点应放在立柱、横梁和滑枕三个大部件上。
3．主要大部件的刚度匹配
通过8大部件的弹性位移平衡分析可以看出，立柱、横梁和滑枕是影响整台机床刚度的主要因素。将这三大部件按不同的结构方案进行组合，然后求三大部件变形在刀尖位移中所占比例，从中可以看出各大部件的刚度比例是否匹配。并找到造成位移过大的薄弱环节。
在1-5号组合方案中，立柱显得刚度不足，在刀尖位移中所占的比例过大（X方向）。因此，立柱刚度比例与横梁、滑枕的刚度比例不够匹配，立柱刚度需要提高。
经过第3轮计算，将立柱刚度加强后，在第7号组合方案中，立柱在X方向的刚度已有明显提高，各大部件所占位移比例已趋于合理。考虑到X方向为加工敏感方向，而滑枕是刚度的最薄弱环节，因此将滑枕截面选为矩形，即4号方案滑枕。可以将X方向的综合刚度提高，即8号组合方案。这时，在X方向刀尖总位移中立柱占4.3%，横梁占27.2%，滑枕占68.5%，在Y方向刀尖总位移中立柱占37.68%，横梁占9.97%，滑枕占52.35%。X方向综合刚度比7号组合方案提高15.6%。从表1、表2、表3中也可看出第8号组合方案的选择大部件在其自身刚度方案比较中是最佳的。
四、结论
（一）在机床的方案设计初选阶段对各主要大部件进行有限元分析计算，从而决定各大部件的最佳结构方案，是一个行之有效的方法，使用该方法在方案阶段就可以得到整机加工和检验精度指示。
（二）对机床大部件进行有限元分析计算，除计算其自身刚度外，还应计算在工作状态下各大部件变形对刀尖位移的影响，并进行静刚度弹性位移平衡，确定各大部件在刀尖总位移中所占比例，找出影响整机刚度的薄弱环节，合理地对各大部件进行刚度匹配。
（三）通过分析计算，掌握了12.5m立车各大部件的结构性能特别是确定了影响整机刚度的三个主要大部件，即立柱、横梁和滑枕。在不削弱它们自身刚度的前提下，尽可能减小其重量，尤其是减小横梁的重量对提高立车的刚度具有特别重要的作用。
作者简介：
郑亚军，汉族，籍贯，黑龙江省齐齐哈尔，学历：研究生，职称：工程师，研究方向：重型机床制造工艺技术，现任：齐重数控装备股份有限公司副总经理。
[关键词]大件 有限元 建模 分析
中图分类号：TH－3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0520097－01
我公司自主研制的12.5米单柱立式车床，是目前国内同类重大型立式车床中加工直径和承重最大的，设计制造难度很大。由于制造能力的限制，主体件不能设计过大，尤其是横梁和立柱两个大部件，按以往的结构设计不能满足生产要求。因此，在对该车床进行工作图设计之前必须进行有限元分析计算，以寻求既能满足机床精度要求又能适应生产能力的最佳结构设计方案。
机床结构布局如图1所示，由横梁、滑枕、立柱、立柱托板、立柱基座、工作台、工作台基座等八年大部件组成。
一、计算状态及计算方案
（一）计算状态
1．各大部件的自身刚度计算主要用于在相同的受力状态和计算条件下，比较由于结构的改变而产生的不同效果，即大部件的不同结构方案在各自受力方向上的刚度。
2.承受最大节削力时的各大部件变形折算至刀尖位移的计算，主要用来模拟和考核机床在粗加工承受最大切削力时的机床加工精度性能，受力条件和状态参照前苏联整机立车刚度标准(Roct44-85)的规定。
3．不计切削力时的各大部件变形折算至刀尖位移的计算，主要用来模拟和考核机床在精加工和机床精度检验时的机床精度性能，计算状态同1.1.2只不计算切削力，各大部件仅受自身重量作用。
（二）计算方法
根据前述的计算结果，按刀架在横梁上的4个位置，横梁在立柱上的3个位置，立柱在立柱基座上的3人位置等，分别进行受力分析和计算，共计18种工况。
二、计算模型的建立
对各大部件的有限元计算，采用了矩形板单元、三角形板单元和梁单元等进行单元划分。
三、结果及综合分析
计算采用UGII GFEM有限元分析程序，各在部件之间的联接面按刚性约束处理。
自身刚度计算：
1．计算结果比较
将立柱、横梁、滑枕的各方案自身刚度计算结果列于表1、表2和表3中，图2为它们的典型截面简图。
2．结构因素对各大部件自身刚度的影响
①截面尺寸的影响。从表2中可看出，立柱截面外廓尺寸每增加100mm，该增加尺寸的自身刚度提高了5%左右，如1号和4号、9号和10号方案在X方向尺寸增加200mm，X方向自身刚度提高了10%左右。同样，外廓尺寸的增加对横梁和滑枕的自身刚度都有不同程度的提高。
②立柱结构因素对扭转刚度的影响。立柱扭转刚度受立柱截面尺寸（a、b、c）和导轨间（e、d）的影响较大。如果单从某一方向增加尺寸，这一方向的弯曲刚度可能加强，但由于结构尺寸的特点，如果a、b、c、d等的不协有所下降，特别是7号方案比1号方案下降了9.7%，这主要是由于X方向尺寸加大造成立柱右导轨处折角尺寸过大，局部刚度减弱的致。
③各大部件方案优选。从各大部件自身刚度的计算方案比较看，立柱第9号和第10号方案、横梁第2号方案、滑枕第4号方案为最佳结构设计方案。
2．弹性位移平衡及各大部件变形在刀尖位移中的占的比例
将所计算的8个大部件的变形折算到刀尖处，进行整台机床的静刚度弹性位移平衡处理，得出了各大部件变形在刀尖位移中所占的比例。
X方向刀尖位移中滑枕所占的比例最大为63.06%；Y方向刀尖位移中，立柱所占比例最大为50.90%；立柱、横梁、滑枕三个大部件位移占了X方向的101.65%，占了Y方向的97.45%；而工作台、工作台底座、立柱托板、立柱基座、辅助卡爪变形引起的刀尖位移只占向位移3%左右。产生这种现象的主要原因有两个：一个是由于横梁、立柱和滑枕的三大部件形状为细长类，主要受弯曲荷载，而工作台、立柱托板和立柱基座的形状为厚板类，主要受压缩荷载；另一个是由于12.5m立车为重型车床，各大部件重量比较大，尤其是立柱、横梁的重量是主切削力的4-5倍，因而各大部件变形中由重力引起的变形占了相当大比例，切削力的影响因素较小。
很显然，提高机床的刚度性能，重点应放在立柱、横梁和滑枕三个大部件上。
3．主要大部件的刚度匹配
通过8大部件的弹性位移平衡分析可以看出，立柱、横梁和滑枕是影响整台机床刚度的主要因素。将这三大部件按不同的结构方案进行组合，然后求三大部件变形在刀尖位移中所占比例，从中可以看出各大部件的刚度比例是否匹配。并找到造成位移过大的薄弱环节。
在1-5号组合方案中，立柱显得刚度不足，在刀尖位移中所占的比例过大（X方向）。因此，立柱刚度比例与横梁、滑枕的刚度比例不够匹配，立柱刚度需要提高。
经过第3轮计算，将立柱刚度加强后，在第7号组合方案中，立柱在X方向的刚度已有明显提高，各大部件所占位移比例已趋于合理。考虑到X方向为加工敏感方向，而滑枕是刚度的最薄弱环节，因此将滑枕截面选为矩形，即4号方案滑枕。可以将X方向的综合刚度提高，即8号组合方案。这时，在X方向刀尖总位移中立柱占4.3%，横梁占27.2%，滑枕占68.5%，在Y方向刀尖总位移中立柱占37.68%，横梁占9.97%，滑枕占52.35%。X方向综合刚度比7号组合方案提高15.6%。从表1、表2、表3中也可看出第8号组合方案的选择大部件在其自身刚度方案比较中是最佳的。
四、结论
（一）在机床的方案设计初选阶段对各主要大部件进行有限元分析计算，从而决定各大部件的最佳结构方案，是一个行之有效的方法，使用该方法在方案阶段就可以得到整机加工和检验精度指示。
（二）对机床大部件进行有限元分析计算，除计算其自身刚度外，还应计算在工作状态下各大部件变形对刀尖位移的影响，并进行静刚度弹性位移平衡，确定各大部件在刀尖总位移中所占比例，找出影响整机刚度的薄弱环节，合理地对各大部件进行刚度匹配。
（三）通过分析计算，掌握了12.5m立车各大部件的结构性能特别是确定了影响整机刚度的三个主要大部件，即立柱、横梁和滑枕。在不削弱它们自身刚度的前提下，尽可能减小其重量，尤其是减小横梁的重量对提高立车的刚度具有特别重要的作用。
作者简介：
郑亚军，汉族，籍贯，黑龙江省齐齐哈尔，学历：研究生，职称：工程师，研究方向：重型机床制造工艺技术，现任：齐重数控装备股份有限公司副总经理。