張南媚　賴玉活

摘 要：本文是以CK30L數(shù)控車床床身為研究對象，首先床身是整體式床身，再利用UG建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench中，并對模型結(jié)構(gòu)進行靜力分析。根據(jù)靜力分析結(jié)果，得到床身的等效應(yīng)力分布圖，總體變形和各方向變形圖，即可以分析床身的結(jié)構(gòu)是否滿足強度和剛度的要求。理論證明，對床身進行靜力分析，可以為床身的設(shè)計提供有力的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：整體式床身；ANSYS Workbench；靜力分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.112

0 前言

機械制造業(yè)是發(fā)展較快的行業(yè)，數(shù)控車床是其不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)備之一。因此，數(shù)控車床不管是在加工精度，剛度，抗振性，穩(wěn)定性等方面都是在不斷地提高。本文以CK30L數(shù)控車床整體式床身作為研究對象，應(yīng)用有ANSYS Workbench對其進行靜力分析，找出最大變形處和最大應(yīng)力。經(jīng)過靜力分析，指導(dǎo)如何在結(jié)構(gòu)上改進，以提高床身的穩(wěn)定性和整體性能。

1 整體式床身模型的建立

1.1 整體式床身幾何模型的建立與簡化

本文是采用三維建模軟件UG建模，建好床身模型之后，需要對模型進行簡化，也就是要剔除一些如螺栓孔、倒角等細小結(jié)構(gòu)，因為這些細小結(jié)構(gòu)只是對分析時間長短有影響，而對所要的分析結(jié)果并沒有多大影響。如圖1所示。

1.2 材料屬性的確定

本文所研究的整體式床身采用HT250灰鑄鐵鑄造成型，外形尺寸（長×寬×高）：1155×910×1040。床身材料屬性如下表1所示。

1.3 單元選擇及網(wǎng)格劃分

對于此整體式床身來講，選定六面體網(wǎng)格（精度較高、運算時間短）進行劃分。網(wǎng)格大小設(shè)置為15mm，生成單元節(jié)點數(shù)389468，共99079個單元。

1.4 施加床身邊界條件與載荷

整體式床身除了受來自進給系統(tǒng)、主軸箱以及自身的重力外，也受到間接切削力的作用，受力比較復(fù)雜。

（1）切削力計算。在切削的過程中，工件作用在切削刀具上的合力可分解為Fc—主切削力，F(xiàn)p—背向力；Ff—進給力，

可以適當(dāng)擴大各分力來保證安全可靠性，即2000N，1500N，1000N。

（2）床身受力計算。在三維建模軟件UG當(dāng)中，設(shè)置進給系統(tǒng)，主軸箱的材料密度，得出它們質(zhì)量分別為90kg，102kg。所以它們對床身的作用力分別為各自的重力G1=900N、G2=1020N，加載到各自的支撐點。

切削力施加在整體式床身上，根據(jù)受力情況和靜力平衡方程，計算出兩個力矩M1=350N.m，M2=613N.m。

2 整體式床身的靜力分析

通過Workbench對床身模型進行靜力分析，求解計算后得到在載荷作用下的床身的等效應(yīng)力分布圖，如圖2所示。

從圖2中可以看出，整體式床身的等效應(yīng)力最大值為5.23×106Pa，即5.23MPa。而床身的材料為HT250，最低抗拉強度為250MPa，遠遠大于床身的最大應(yīng)力值，其安全系數(shù)值為250/5.23=47，因此只要是正常的加工工作下，此床身都能滿足設(shè)計需求。

整體式床身在正常工作下的變形結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，床身在受力作用下整體變形與應(yīng)力分布基本一致。最大變形位移值是1.073×10-5，這個數(shù)值小于給定的最大變形位移值，因此床身的剛度滿足設(shè)計需求。

3 結(jié)論

本文主要是對CK30L數(shù)控車床床身進行有限元靜力分析，驗證了床身模型結(jié)構(gòu)的強度和剛度都滿足需求，而且具有較強的抗變形能力?？衫孟冗M的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，在滿足強度和剛度的條件下，對床身進行合理優(yōu)化，降低成本，提高床身的整體性能。

參考文獻：

[1]倪曉宇，易紅.機床床身結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化[J].制造技術(shù)與機床，2005（02）：47-49.

[2]劉相新.ANSYS基礎(chǔ)與應(yīng)用教程[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3]呂建國.ANSYS Workbench 15有限元分析自學(xué)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[4]華楚生.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2007.

[5]徐鴻本，曹甜東.車削工藝手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

基金項目：本文系柳州科技開發(fā)計劃“高速高精度數(shù)控車床的研制”（基金編號：2015C010303）的階段性研究成果。

作者簡介：張南媚（1993-），女，安徽亳州人，碩士研究生，主要從事數(shù)控機床開發(fā)與研究。endprint