黑龍江 曹英志

臥車刀板有限元分析

黑龍江 曹英志

本文采用了Proe軟件對臥式車床進(jìn)行建模，并對刀板所受載荷和伸長量進(jìn)行了變形及對應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析。

刀板；有限元；建模；載荷；應(yīng)力分析

刀板是數(shù)控臥式車床保證加工的精度的關(guān)鍵部件，安裝在刀架上，刀板在刀架的移動由交流伺服電機(jī)驅(qū)動，半閉環(huán)控制，到位停止時自動夾緊。我單位自行設(shè)計(jì)制造的HTⅢ630×120/120L-NC數(shù)控超重型臥式車床刀板的行程為1000mm，可全部縮進(jìn)刀架體內(nèi)以防與其他的機(jī)床附件干涉。

刀板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和制造精度對整個數(shù)控臥式車床的性能有很大影響，是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要對象。當(dāng)機(jī)床工作時，切削運(yùn)動所產(chǎn)生的切削力通過主刀體傳遞到刀夾上，最后傳遞到刀板上，作用在刀板上的力進(jìn)而使得刀板產(chǎn)生一定的變形，影響刀板的剛度。

為了了解在機(jī)床的切削過程中刀板伸長量和切削力對車削精度的影響，故對主刀板的伸長量和剛度進(jìn)行綜合分析計(jì)算。

1 刀板參數(shù)

HTⅢ630×120/120L-NC數(shù)控超重型臥式車床刀板結(jié)構(gòu)參數(shù)：刀板長度：1260mm；刀板厚度：150mm；刀板行程：1000mm；主切削力：150KN。

2 刀板的計(jì)算條件

刀板剛度計(jì)算條件為：主切削力加在刀板刀尖上，刀板與上刀架把合面按固定支承處理，刀板伸長取,切削力的分配：圓周力：徑向力：軸向力 =Py：Px：Pz=1:0.5:0.5=150:75:75（KN）刀板采用厚度為150mm的鍛鋼材料，其材料的彈性模量為1.2e11、泊松比為0.25，密度為7530。

3 刀板載荷的特點(diǎn)

刀板的受力結(jié)構(gòu)為懸臂梁的支承形式，造成刀板變形的主要原因是刀板自身的重力和加工工件時的切削力。在加工零件的過程中，切削力是造成刀板變形的主要原因，當(dāng)驅(qū)動刀板的交流電機(jī)驅(qū)動刀板運(yùn)行到不同位置時，由于懸臂梁的伸長量有所變化，導(dǎo)致切削力作用在刀板上的力有所不同，進(jìn)而影響刀板的剛度發(fā)生一定的變化，刀板體產(chǎn)生一定的變形。除了切削力，刀板自身重量也會對刀板的剛度產(chǎn)生一定的影響，刀板發(fā)生一定的變形。刀板伸長量越大，懸臂梁的伸長量越大，對刀板變形影響越大。因此，進(jìn)行受力分析時必須同時考慮切削力和刀板伸長量的影響，由于在兩個變化元素下，分析比較復(fù)雜，所以選擇分析刀板固定的伸長量在固定切削力下的受力結(jié)構(gòu)和刀板變形。

4 刀板實(shí)體模型的建立

為了對刀板剛度進(jìn)行載荷分析和應(yīng)變分析，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙通過proe軟件對刀板進(jìn)行三維建模，制作刀板實(shí)體模型。

5 刀板有限元網(wǎng)格的劃分

Proe軟件的功能主要是對實(shí)體進(jìn)行模型的建立，對建立的模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，對建立的模型設(shè)置具體的參數(shù)，包括固體結(jié)構(gòu)的彈性模量的設(shè)定，泊松比的設(shè)定和熱膨脹系數(shù)的設(shè)定等等。當(dāng)采用ANSYS對刀板進(jìn)行建模完成后，接下來的任務(wù)就是對其進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，單元類型的定義，單元屬性的定義，約束條件的定義和邊界條件的定義等一系列操作。由于需要完成的任務(wù)比較多，本文采用ANSYS軟件自帶的mesh的模塊對數(shù)控臥式車床進(jìn)行有限元網(wǎng)格換分，才有四面體網(wǎng)格，采用此方法劃分的網(wǎng)格基本上是能夠滿足分析要求的。

有限元網(wǎng)格的劃分是有限元求解前要做的最重要的工作，網(wǎng)格劃分的合理與否直接影響到求解過程的復(fù)雜性和可靠性，在整個分析過程中，屬于關(guān)鍵部分。它包括節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和單元信息的建立。目前，對復(fù)雜機(jī)構(gòu)模型的有限元網(wǎng)格劃分方式可分為兩種類型：直接建立法和自動生成法。

為了更好的對刀板進(jìn)行剛度分析，分析刀板在固定的載荷下，刀板伸長量不同的條件下，刀板的載荷變形和應(yīng)力變形。我們對刀板進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。劃分結(jié)果見圖1-1：

圖1 -1刀板有限元網(wǎng)格劃分圖

6 刀板的變形和應(yīng)力分析

刀板剛度分析是在固定載荷圓周力：徑向力:軸向力 =Py：Px：Pz=1:0.5:0.5=150:75:75（KN）的條件下，刀板伸長量不斷變化，以至于刀板產(chǎn)生不同程度的變形，進(jìn)而影響刀板的剛度，由于當(dāng)?shù)栋迳斐隽繛?00時刀板受力最大，變形最大，故本論文只對刀板伸出量為800時刀板的變形和應(yīng)力分析。

圖1 -2刀板伸出量為800時刀板受力面選擇圖

①刀板受力面選擇見圖1-2。

②刀板伸出量為800時刀板應(yīng)變圖見圖1-3。

③刀板伸出量為800時刀板的應(yīng)力圖見圖1-4。

圖1 -3刀板伸出量為800時刀板的應(yīng)變圖

圖1 -4刀板伸出量為800時刀板的應(yīng)力

運(yùn)用有限元軟件對刀板進(jìn)行分析，通過圖中可以觀察到，刀板伸出量為800mm時刀板最大變形量為0.63mm，小于1mm，最大應(yīng)力為50.97Mp,小于200Mp，滿足工件剛度分析的變形范圍，刀板符合設(shè)計(jì)要求。

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（編輯 王旸）

（作者單位：齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司）