外圆磨床床身结构有限元分析.pdf

精密制造与自动化
2010年第3期
外圆磨床床身结构有限元分析
岳崇勤郭媛美2
上海建设路桥机械设备有限公司1(201404)
上海机床厂有限公司2(200093)
摘要以某型号外圆磨床床身为研究对象,在对该结构进行动、静态分析,提出了若干个磨床床身结构的改进
方案,该结论对于进一步提高产品市场竞争力具有实用和指导意义。
关键词磨床床身有限元结构分析
随着现代社会的进步和科学技术的发展,先进导轨总长为2800mm,前床身内部有8块横隔板和
的机械装备制造业在整个国民经济中发挥着越米越一块水平横向加强筋板。后床身分别有两块横、纵
重要的作用。作为装备制造业的工作母机一一机床向騙板。布置在床身内部的隔板和加强筋板厚度均
工业,将决定着国家振兴装备制造业的战略目标能为15mm,床身底部由垫铁作为支撑。本文借助于
否顺利实现。暦床作为机床的一种,在机械加工中 Solidworks计算机辅助设计软件,对该型号外圆磨
是专门用来做磨削加工的机械装置。磨床床身是外床床身进行三维实体建模如图1所示。
圆磨床最主要的组成部分之一,起支撑和加工导向
作用。当前,国内的磨床床身的设计大都还是参考
老一辈设计人员的设计经验,结合前苏联的相关设
计图纸进行设计的,磨床床身内部的孔的位置、形
状和加强筋的布局格式等都是根据经验或参考已有
结构进行初步设讨,然后再按照传统设计理论确定
磨床床身的壁厚、内部开孔的尺寸和加强筋的尺寸。
由于当时条件的限制和基于对磨床床身安全的过多
考虑,现有的磨床床身都有很大的安全因数余量
图1原有外圆磨床床身立体模型
这样就造成了钢材的无谓浪费,同时也增加了磨床
的生产成本。因此,为提高产品的市场竞争力,提2磨床床身结构有限元模型的建立
高企业效益,在满足磨床基本功能的前提下,保证
根据图1所示建立的床身三维结构模型,划分
磨床的精度稳定性和性能可靠性的前提下,尽可能网格,建立磨床床身的有限元模型,然后进行有限
简化其结构,努力降低磨床生产成本,成为磨床床元分析。在有限分析过程中单元类型和单元大小影
身研究的一个重要方向。
响着计算效率。在不影响算结构准确度的情况下,
为节约机时,本文选择四面体单元进行计算。有限
磨床床身结构及受力情况筒介
元模型如图2所示。
磨床床身受到工作台、头架、尾架、砂轮架、
工件和自身重力的作用,同时还受到切削力和运动
惯性力的作用。要确保床身受力后的变形量在允许
的范围内,必须使床身具有足够的刚度,在保证刚
度的条件下,尽可能使床身做到重量轻、体积小,
以节省材料降低成本,同时也节省了占用的工作空
间。本文的研究对象为某型号的外圆磨床床身,该
床身由灰铸铁铸造而成,前床身上有Vー平型导轨
图2原有外圆磨床床身的有限元模型
精密制造与自动化
2010年第3期
磨床床身结构有限元分析
平和垂直双向弯曲变形,其固有频率下的最大振幅
静态分析及结果分析
都发生在导轨上。第三阶模态对应前床身水平弯曲
根据外圆磨床床身的实际工作情况,在外圆磨变形和后床身侧板横向弯曲变形,第四阶模态对应
床床身有限元模型上施加外在工作载荷,如图3所后床身侧板横向弯曲变形,第三、四阶固有频率
示。对外圆磨床床身进行有限元分析,得到垂直方的最大振幅均发生在后床身上,而后床身需要装载
向和水平方向的床身变形分别如图4和图5所示
电机,这在一定程度上降低了振幅,因此,后床身
结构对磨床床身动态性能影响较小。
AN
4磨床床身结构改进方案
表1所示为磨床床身静、动态的性能分析结果。
表1磨床床身结构的静力、模态分析结果
轨变形m
图3施加载荷的原有外圆磨床床身
平轨变形小m固有频率质量小kg
最大水「最大垂「最大水「最大垂」AHz
变形直变形平变形「直变形
3.0467.2450535.1852085141.4
由对磨床床身分析可得知:该磨床床身具有较
大的安全余量。可以在满足床身刚度的要求下,实
现床身的轻量化设计。具体来讲有上述分析可得以
下三种优化途径
图4磨床床身垂直方向变形
(1)加强筋板位置和形状需要重新设计
2)床身上的开孔位置、尺寸需要优化;
3)床身壁厚、加强筋板的厚度需要优化。
5结语
木文借助三维制图软件建立了原有磨床床身的
三维实体模型,通过大型有限元分析软件对原有磨
床床身进行了分析研究,得出了该磨床床身结构的
动静态特性,找出了该磨床床身改进方案的方向,
图5磨床床身水平方向变形
对磨床床身结构优化具有积极的指导作用。
3.2动态分析及结果分析
参考文献
磨床床身结构的动态特性是影响磨床产品性能[]郭媛关,岳崇勤,丁晓红,等.基于 ANSYS
的关键因素之一。在结构的动态分析中,低阶模态
Workbench的外圆磨床的有限元分析及优化[.机械
特性基本决定了产品的动态性能。因此,在工程计
设计与制造,2010,227(01):181-182.
算中一般只对几个低阶特征值和相应的特征向量比
管迪华.模态分析技术[M.北京:清华大学出版社,
较关注。固有频率是结构本身的属性,与外界条件
1996.
没有关系,因此在提出床身结构固有频率时不需要[3]纪国伟,蒋书运.高精度无心磨床床身结构动态分析
加上负载,只需要加上垫铁的位移约束。
与优选设计].振动工程学报,2005,18(9):28-31.
对原有磨床床身进行模态分析,得到前四阶固[49陈桂平,文桂林,崔中.高速磨床床身结构动态分析
有频率下的振型图。第一、二阶模态对应前床身水
与优化.制造技术与机床,2009(2):19-23