曾齊高，羅 飛，楊世龍，黃燈生，鄧進華

（1.深圳市龍崗職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東深圳 518172；2.深圳技師學(xué)院，廣東深圳 518040；3.深圳市華領(lǐng)精密機電有限公司，廣東深圳 518108）

0 引言

從有限元方法（Finite Element Methods）這個名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了四十多年的發(fā)展歷史，理論和算法都已經(jīng)日趨完善。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。

Pro/Mechanica是Pro/Engineer的一個模塊，主要包含結(jié)構(gòu)分析和熱力分析兩個次模塊。其中，結(jié)構(gòu)分析模塊進行零件和裝配體的結(jié)構(gòu)分析，包含靜態(tài)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、接觸分析、預(yù)應(yīng)力分析及振動分析等；熱力分析模塊進行穩(wěn)態(tài)和溫度分布分析，并可根據(jù)其熱力狀態(tài)進行靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計[1-2]。

電動刀架是數(shù)控車床進行自動換刀的實現(xiàn)機構(gòu)，實現(xiàn)刀架上上刀體的轉(zhuǎn)動和刀體的開定位、定位與夾緊的運動，以實現(xiàn)刀具的自動轉(zhuǎn)換。電動刀架采用了由銷盤、內(nèi)端齒、外端齒盤組合成的三端齒定位機構(gòu)，上刀體轉(zhuǎn)位時無需抬起，從而排除了冷卻液及切削對刀架轉(zhuǎn)位時的侵擾。

本文采用Pro/Engineer對數(shù)控車床電動刀架上刀體進行三維建模，利用Pro/Mechanica進行模態(tài)分析，獲得上刀體的固有頻率，從而驗證了上刀體在數(shù)控加工過程中的安全性。

1 電動刀架上刀體的三維建模

本文選用的刀架為LDB4系列電動刀架，由驅(qū)動電動機、三端齒定位機構(gòu)、蝸輪蝸桿傳動裝置以及上下刀體組成。本文選用該電動刀架的上刀體進行分析，利用Pro/Engineer Wildfire 5.0對其進行三維建模，如圖1所示。

圖1 電動刀架上刀體

2 電動刀架上刀體的模態(tài)分析

文中首先運用Pro/Engineer Wildfire5.0建立3D模型，再用Pro/Mechanica軟件進行FEM分析，求解出固有頻率，具體步驟如圖2所示。

圖2 車刀的有限元分析步驟

2.1 設(shè)置材料并指定材料

文中所用的數(shù)控車刀由多個部分組成，每一部分的材料是不一樣的，其中刀粒采用的是WC硬質(zhì)合金材料[5]，其他部分采用鋼材料，其特性參數(shù)如表1所示。

表1 材料特性參數(shù)表

2.2 網(wǎng)格劃分

利用Pro/Mechanica的AutoGEM功能對模型進行網(wǎng)格劃分，得到邊數(shù)5 204，面數(shù)7 139，四面體數(shù)3 043，最小邊角5.03°，最大邊角168.91°，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.3 設(shè)置約束

根據(jù)電動刀架在加工過程中的實際情況，刀架底面需固定，所以設(shè)置平面約束，刀架在換刀時需要轉(zhuǎn)動，換完刀之后刀架需要銷釘固定，所以設(shè)置銷釘約束，所以具體如圖4所示。

2.4 模態(tài)分析計算

由于模態(tài)分析無需加載荷，完成上述步驟即可進行模態(tài)分析，設(shè)置模態(tài)分析模式數(shù)為8，分析其不同模式的應(yīng)力、位移、應(yīng)變等，具體分析結(jié)果如圖5所示。

如圖6所示，數(shù)控車床電動刀架上刀體的前8種模式的頻率隨著模式的增加頻率依次遞增，頻率數(shù)值在4 471.21～8 586.02 Hz范圍之間，根據(jù)數(shù)控加工的運行情況下，電源的頻率為50 Hz，低速車床主軸轉(zhuǎn)速的頻率在100 Hz（相當于6 000 r/min）以下，電動刀架刀位轉(zhuǎn)換時的電動機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min（頻率相當于23.3 Hz），為而該上刀體的固有頻率遠離上述兩個頻率，所以在數(shù)控加工過程中，發(fā)生共振的幾率較低，所以電動刀架的上刀體在加工過程中的動態(tài)分析運行安全、可靠。

圖4 設(shè)置約束

3 結(jié)論

電動刀架作為數(shù)控車床實現(xiàn)刀位轉(zhuǎn)換的重要組成部分，其動態(tài)性能的優(yōu)劣對加工精度的影響至關(guān)重要。本文運用Pro/E軟件進行電動刀架上刀體的3D建模，進而利用Pro/Mechanica進行車刀的有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

圖5 模態(tài)分析結(jié)果

（1）數(shù)控車床電動刀架上刀體的前8種模式的頻率隨著模式的增加頻率依次遞增，頻率數(shù)值在4 471.21～8 586.02 Hz范圍之間，而上刀體的固有頻率遠離數(shù)控加工過程中產(chǎn)生的工作頻率，所以在數(shù)控加工過程中，發(fā)生共振的幾率較低，所以電動刀架的上刀體在加工過程中的動態(tài)分析運行安全、可靠。

圖6 不同模式頻率變化圖

（2）在數(shù)控機床的安裝階段，應(yīng)盡量避免在數(shù)控機床的安裝車間附近出現(xiàn)本文中所分析出來的上刀體的固有頻率，盡量避免引起共振，引發(fā)安全事故。

［1］羅飛，曾齊高，陳恒亮，等.基于Pro/Mechanica的電梯曳引機承重梁的模態(tài)分析［J］.機電工程技術(shù)，2014（02）：57-60，101.

［2］二代龍震工作室.Pro/MECHANICA Wildfire 5.0結(jié)構(gòu)/熱力分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［3］喻步賢.數(shù)控車床的電動刀架故障診斷與維修［J］.機床與液壓，2013（22）：160-162.

［4］曾齊高，羅飛，李積彬.基于MSC.Patran的路燈桿的模態(tài)分析［J］.機電工程技術(shù)，2014（05）：106-108.

［5］周蘭，陳少艾.數(shù)控機床故障診斷與維修［M］.北京：人民郵電出版社，2007.