加工中心立柱的静力分析
2加工中心立柱的静动态特性分析
机床的结构性能是保证机床具有一定的加工精度稳定性的基础，一台机床的基础结 构性能的好坏直接关系到其终的加工精度、加工精度稳定性和切削效率等。为了提高 其结构性能，除了合理配置机床的部件型式外，首先要求在设计上要保证其结构有良好 的静动特性性能。当卧式加工中心处于工作状态时，会产生各种变载荷，导致机床产生 振动进而影响机床的精度和稳定性，这里首先对其静动态特性做相关分析。
立柱床身和主轴箱，处于加工中心的中间位置，对其质量、抗振性能和刚度等 结构性能要求较高。故本章主要以立柱为研究对象，对其进行静动态性能分析。对于加 工中心的其他部件如床身、主轴箱等，也可利用此节所述思路来分析和优化，这里不再 赘述。
2.1加工中心立柱的静力分析
该卧式加工中心的立柱釆用整体铸造的形式，其在x方向的快速移动速度为 36m/min，竖直之后高1900mm、长890mm、宽794mm、顶板厚110mm、底板厚120mm， 左右侧壁厚度为155mm，重量为1400kg。
分析立柱与其他主要部件的关系，主轴箱通过四个滑块和直线导轨正挂在立柱之 上，并通过滚轴丝杠传递的动力沿直线导轨在y向作上下运动。床身上也有两条直线导 轨，立柱底面通过导轨上的滑块与床身连接，可沿x轴方向左右移动。虚拟装配图和实 际装配图分别如图2.2-a与2.2-b所示。 -
结构的静力分析是指作用在结构上载荷是固定不变的，在这种情况下，进而计算结 构所受到的应力和产生的变形。当然，一个结构只有在非常理想的情况下才会受到固定 不变的载荷，这里将随时间变化很缓慢的载荷也看作是固定载荷。这样，在进行静力分 析时，除了约束载荷和重力载荷外，只需施加静力固定载荷
2.1.1加工中心的受力分析
加工中心的刀具通过对所加工的工件施加切削力进行切削过程，然后工件会对刀具 产生反作用力，刀具所受到的力通过刀柄、主轴和主轴箱（包括导轨上的四个滑块）传 递到立柱上。为了更好的模拟立柱的受力变形，工件对立柱的作用力应该利用力的等效 原则将力传递到立柱导轨上。根据高速卧式加工中心的受力特点，对其在钻孔和铣削两 种工况时的受力情况分别进行了分析。
对该工序加工内容进行分析可知，该工序主要完成缸体的铣面和钻孔工作（图2.3)， 铣刀和钻刀均为硬质合金刀具。这里利用切削力的功率估算方法对一把直径45mm,转 速400 r/min的铣刀进行铣削力计算。对于电主轴来说，其大功率为30kw,由于没有 齿轮传动功率耗散比较少，故令传动效率为0.98,则可得出实际切削效率为：
pc = tjpe = 0.98x30 = 29akw(2-1)
已知刀具直径和转速，进而得到切向切削力也即主切削力：
分析可知，当主轴箱位于立柱导轨行程的不同位置时，切削力的杠杆率也不同，会 导致立柱的变形量产生变化。这里取其在实际加工过程中（图2.的工作位置， 即下滑块底面距离导轨地面600mm。
2.1.2加工中心的静力分析
首先利用cad建模软件pro/e对立柱结构进行三维建模，由于模型结构较为复杂， 将对立柱性能分析影响较小的一些特征如小倒圆角、螺纹孔、小凸台等省略去，这能够 避免接下来的有限元网格划分过程中出现错误，且节省计算时间。
三维模型建完导入ansys分析软件中，对立柱进行材料属性定义（表2.1):
表2.1各部件的主要材料属性 tab.2.1material properties of the parts
部件
材料
弹性模量(n/m2)
泊松比
质量密度(kg/m3)
立柱
ht250
1.38e+11
0.156
7.28e+03
主轴箱
ht300
1.57e+11
0.270
7.25e+03
主轴
轴承钢
3.8e+11
0300
7.82e+03
之后对结构进行网格划分。主轴箱与立柱的接触类型定义为bounded,对主轴施加 上小节计算出的切削力，对立柱与底座（床身）连接处的滑块位置以及与滚珠丝杠连接 处施加约束。
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立柱床身和主轴箱，处于加工中心的中间位置，对其质量、抗振性能和刚度等 结构性能要求较高。故本章主要以立柱为研究对象，对其进行静动态性能分析。对于加 工中心的其他部件如床身、主轴箱等，也可利用此节所述思路来分析和优化，这里不再 赘述。
2.1加工中心立柱的静力分析
该卧式加工中心的立柱釆用整体铸造的形式，其在x方向的快速移动速度为 36m/min，竖直之后高1900mm、长890mm、宽794mm、顶板厚110mm、底板厚120mm， 左右侧壁厚度为155mm，重量为1400kg。
分析立柱与其他主要部件的关系，主轴箱通过四个滑块和直线导轨正挂在立柱之 上，并通过滚轴丝杠传递的动力沿直线导轨在y向作上下运动。床身上也有两条直线导 轨，立柱底面通过导轨上的滑块与床身连接，可沿x轴方向左右移动。虚拟装配图和实 际装配图分别如图2.2-a与2.2-b所示。 -
结构的静力分析是指作用在结构上载荷是固定不变的，在这种情况下，进而计算结 构所受到的应力和产生的变形。当然，一个结构只有在非常理想的情况下才会受到固定 不变的载荷，这里将随时间变化很缓慢的载荷也看作是固定载荷。这样，在进行静力分 析时，除了约束载荷和重力载荷外，只需施加静力固定载荷
2.1.1加工中心的受力分析
加工中心的刀具通过对所加工的工件施加切削力进行切削过程，然后工件会对刀具 产生反作用力，刀具所受到的力通过刀柄、主轴和主轴箱（包括导轨上的四个滑块）传 递到立柱上。为了更好的模拟立柱的受力变形，工件对立柱的作用力应该利用力的等效 原则将力传递到立柱导轨上。根据高速卧式加工中心的受力特点，对其在钻孔和铣削两 种工况时的受力情况分别进行了分析。
对该工序加工内容进行分析可知，该工序主要完成缸体的铣面和钻孔工作（图2.3)， 铣刀和钻刀均为硬质合金刀具。这里利用切削力的功率估算方法对一把直径45mm,转 速400 r/min的铣刀进行铣削力计算。对于电主轴来说，其大功率为30kw,由于没有 齿轮传动功率耗散比较少，故令传动效率为0.98,则可得出实际切削效率为：
pc = tjpe = 0.98x30 = 29akw(2-1)
已知刀具直径和转速，进而得到切向切削力也即主切削力：
分析可知，当主轴箱位于立柱导轨行程的不同位置时，切削力的杠杆率也不同，会 导致立柱的变形量产生变化。这里取其在实际加工过程中（图2.的工作位置， 即下滑块底面距离导轨地面600mm。
2.1.2加工中心的静力分析
首先利用cad建模软件pro/e对立柱结构进行三维建模，由于模型结构较为复杂， 将对立柱性能分析影响较小的一些特征如小倒圆角、螺纹孔、小凸台等省略去，这能够 避免接下来的有限元网格划分过程中出现错误，且节省计算时间。
三维模型建完导入ansys分析软件中，对立柱进行材料属性定义（表2.1):
表2.1各部件的主要材料属性 tab.2.1material properties of the parts
部件
材料
弹性模量(n/m2)
泊松比
质量密度(kg/m3)
立柱
ht250
1.38e+11
0.156
7.28e+03
主轴箱
ht300
1.57e+11
0.270
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主轴
轴承钢
3.8e+11
0300
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之后对结构进行网格划分。主轴箱与立柱的接触类型定义为bounded,对主轴施加 上小节计算出的切削力，对立柱与底座（床身）连接处的滑块位置以及与滚珠丝杠连接 处施加约束。
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