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基于有限元分析的现场铣床横梁结构优化

发布于:2016-07-18 22:12
有限元分析

      现场铣床是用于石化装置的现场加工设备,为了能够适应现场较为恶劣的加工环境,需要要求现场的铣床加工在满足性能、精度等条件下,设备的质量和体积应尽可能最小。铣床由于横梁部件刚度不足在加工中工件表面产生波纹状刀痕,会对加工精度和表面质量造成影响。本研究借助CosmosWorks有限元分析App,建立铣床有限元模型,对主要移动部件进行静、动态性能分析,提出对铣床结构合理的改进方法。
      采用SolidworksApp建立现场铣床的三维实体模型。主轴箱的重力及悬臂产生的扭矩M直接作用于横梁,使得横梁扭转变形,所以横梁为现场铣床的关键部件,它的刚度直接影响加工精度,因此把横梁作为主要分析的对象。图为现场铣床横梁的实体模型。
      铣床横梁为钢板的焊接结构,因此各个焊点均作为模型的刚性节点,将主轴箱简化为和实际结构基本重量一致的箱形结构,考虑到主轴箱与滑板的接触变形远小于横梁的变形,所以滑板与主轴箱的接触面定义为刚性接触。
      对横梁的实体模型导入CosmosWorks有限元App中,建立有限元计算模型,网格采用实体单元进行划分,单元数目为17256,节点数目为9352,自由度数目为97659。
      横梁两端通过螺钉固定在滑座上,在有限元模型中,把横梁的边界约束简化为与固定螺栓位置相对应的节点的各个方向的自由度,即固定与螺栓位置相对应节点的各个自由度来实现对横梁的约束。横梁受力为主轴箱的重力和铣削力,横梁的最大变形量发生在主轴箱运行到横梁中间位置时。图为划分网格后对横梁和滑板施加载荷约束后的模型图。
      通过求解,横梁的最大变形量为0.1547mm,实测加工时为(0.15-0.20mm)左右,分析结果与实际加工的误差基本一致,远大于工件0.06mm的平面度要求。图为原结构位移云图,对铣床进行有限元模态分析,可以明显表现出机床动态特性为图的第一、二阶振型图。表为前五阶的固有频率和振型。
      通过分析可知第一阶振型中横梁在外力激励下产生较大幅度的变形,在加工过程中使铣刀的定位精度变差,会严重影响零部件的加工精度。因此要对横梁的结构进行改进。
      从以上分析可知,横梁的刚度不足是影响变形的主要原因。在横梁改进设计中,考虑到机床的工作环境等方面因素,改进时对横梁基本结构不作大的变动,为提高横梁抗扭刚度采用了对角筋板抗扭理论,将横梁内部的筋板改为X型,为了充分发挥纵向筋板的抗扭性能,筋板布置角度应尽量与水平面成45°和135°的方向,改进的方案如下:
      (1)将筋板数量由原3块变为5块,厚度由10mm增加到15mm;
      (2)在横梁内部加一条纵向的水平筋板S,厚度为15mm;
      (3)将梯形角α由16°增大为20°;
      (4)横梁内部新增X型筋板,厚度为15mm,宽为30mm,改进后的结构见图。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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