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電火花機床床身的有限元分析及優化

發表時間:2022-04-05 22:11 閱讀:
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      電火花加工是非接觸式加工,能加工高速銑削不能加工的零件,在航空、航天、能源化工和模具制造等相關行業得到了廣泛應用。電火花加工機床整機結構包括床身、立柱、工作臺和主軸頭等機械部分,其中床身是基礎結構件,它承載機床絕大部分的部件和載荷。電火花加工機床床身靜態及模態特性的好壞直接關系到機床的加工精度。通過靜態有限元分析可以確定機床床身靜力變形的大小,模態分析可以確定機床床身的固有頻率和振型。研究機床結構件中筋板厚度和間距,對部件進行設計改進,可以提高加工精度。利用有限元軟件對電火花加工機床床身進行靜力分析和模態分析,優化床身筋板的結構尺寸,為床身設計提供參考。
      集成使用有限元分析軟件與三維建模軟件,既能發揮三維軟件的復雜零件建模優勢,又能發揮有限元分析軟件的分析計算優勢。先利用SolidWorks軟件建立床身的三維模型,簡化一些不影響床身剛度要求的小倒角、小圓弧,然后導入ANSYS軟件中分析。在建立床身模型并定義材料屬性之后,進行有限元網格劃分。圖1為網格劃分完成后建立的床身有限元模型。
      圖2為機床結構示意圖,圖3為機床總體結構圖。機床包括床身、中滑板、上滑座、油槽、工作臺、立柱和主軸頭等部件。為了實現機床沿X、Y方向的伺服運動,床身上安裝有中滑板和上滑座2個支撐件,用來承載油槽、工作臺和工件等。立柱位于床身后部,其上通過導軌、滑塊安裝有主軸頭,實現機床沿Z方向的伺服運動。有限元分析床身模型施加載荷。在中滑板、上滑座、工作臺、工作液、油槽、工件、夾具、立柱和主軸頭等零部件綜合作用的情況下,床身的變形分析結果如圖4所示。床身的最大變形量為6.6194um,床身的靜力變形較大。床身變形主要集中在前端,影響機床的加工精度。
      在ANSYS Workbench軟件中模態分析床身,其前六階固有頻率如表1所示。固有頻率高于工作頻率(50Hz以下),固有頻率隨著模態分析階數的增加而增大,在此基礎上優化結構尺寸。
      床身的前六階振型圖如圖5所示。圖5a為一階振型圖,表現為床身繞Y軸偏轉,床身后端的振幅比較大;圖5b為二階振型圖,表現為床身以Y軸為中心同時向內收縮或向外擴張;圖5c為三階振型圖,表現為床身繞Y軸扭轉振動;圖5d為四階振型圖,表現為床身以Y軸為中心同時向內收縮或向外擴張,床身前端的振幅比較大;圖5e為五階振型圖,表現為床身后端兩側凹凸變形;圖5f為六階振型圖,表現為床身繞Y軸偏轉。
      床身是機床的基礎結構件,它的變形影響到相關連接件的進給精度和運行平穩度。因此,有必要對床身進行結構尺寸優化,通過改變床身的筋板厚度和高度來改善和優化。床身剖面圖如圖6所示。圖7為筋板厚度對床身固有頻率的影響圖。表2為優化床身筋板厚度的分析結果(設計初選筋板厚度為12mm)。由圖7和表2中的分析結果可以看出:增加筋板厚度可以提高床身的固有頻率,同時也會增加床身質量,提高制造成本。當筋板厚度從12mm增加到14mm時,床身的變形量減小12.9%;當筋板厚度從14mm增加到16mm時,床身的變形量減小13.2%;當筋板厚度從16mm增加到18mm時,床身的變形量減小10.7%;當筋板厚度從18mm增加到20mm時,床身的變形量減小9.6%。由以上分析可知,床身筋板厚度增加到16mm時,床身變形量的減小較為明顯,再增加筋板厚度對床身變形量的影響變小。因此,筋板厚度16mm較為合適。


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