数控机床静刚度有限元分析.docx

*数控机床静刚度有限元分析 刘启伟①王海滨①朱春雨②( ①沈阳机床( 集团) 有限责任公司，辽宁 * 数控机床静刚度有限元分析 刘启伟① 王海滨① 朱春雨② ( ①沈阳机床( 集团) 有限责任公司，辽宁 沈阳 110142; ②沈阳铁路机械学校，辽宁 沈阳 110036) 摘 要: 首先进行了整机的有限元分析，然后通过试验进行了结果验证。在确定了有限元分析结果的有效性 后，利用数控机床串联刚度场理论进行了部件级的详细分析，绘制了串联刚度场图谱，分析了机床的 刚度分布情况及存在的薄弱环节。 关键词: 数控机床 静刚度 试验 有限元 串联刚度场 中图分类号: TG502． 31 文献标识码: B Static stiffness analysis on NC machine tool LIU Qiwei① ，WANG Haibin① ，ZHU Chunyu② ( ①Shenyang Machine Tool ( Group) Co． ，Ltd． ，Shenyang 110142，CHN; ②Shenyang Railway Machinery School，Shenyang 110036，CHN) Abstract: Firstly，the finite element analysis was done for the machine tool，and then the results of FEA were veri- fied through the test． Finally，analysis in the level of component was done using the series stiffness field theory． According to the results，the series stiffness field mapping was drawn，which provided the stiff- ness distribution and existence of weak links． Keywords: NC Machine Tool; Static Stiffness; Test; FEA; Series Stiffness Field 机床的静刚度是指在切削力或其他外力作用下抵 抗变形的能力，亦指刀具和工件间的刚度［1］。数控机 床比普通机床要求具有更高的静刚度和动态特性，有 标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高 50% 左右。 分析材料和结构的刚度是工程设计中的一项重要 工作，对于 一 些 须 严 格限制变形的结 构 ( 如床身、主 轴、刀架等) ，须通过刚度分析来控制变 形，许多结构 也要通过控制刚度以防止发生共振、颤振或失稳。对 于具有复杂结构的装配体来说，其工艺系统的静刚度 不仅要考虑各个零件的材料属性，还要将装配方式和 结合面特性包含进来，因此提高了分析的难度。国内 外对装配结构的分析和研究工作广泛，有针对结合面 参数识别和建模方法研究的［2 － 3］，有针对关键部件进 行分析的［4 － 7］，也有进行整机建模分析的［8 － 9］。 现代加工 条 件 需求的变化和科学技术的不断发 展，使数控机床愈来愈向高速、高精度、高强度的方向 发展，如何保证和提高机床的刚度是设计人员需要面 对的问题。本文通过静刚度试验和有限元分析技术， 结合数控机床串联刚度场理论，分析了数控车床的整 体静刚度和各个部件对整机的刚度影响情况，对机床 的性能分析和结构优化具有很好的参考价值。 机床结构分析 本文试验及分析的对象为沈阳机床集团某数控车 床，机床为采用水平床身配上倾斜放置的滑板的卧式 数控车床，机床的主轴驱动系统采用无级调速主电动 机经皮带轮降速后传给机床主轴。图 1 是机床装配结 构图。 图 2 是机床主轴的装配示意图。主轴有前后 2 个 支撑，前支承由 1 个双列圆柱滚子轴承 6 和 1 对角接 触球轴承 5 组成，轴承 6 用来承受径向载荷，两个角接 触球轴承背对背安装，用来承受双向的轴向载荷和径 向载荷。主轴的后支承为双列圆柱滚子轴承 4，主 轴 的支承形式为前端轴向固定、后端轴向放开，主轴受热 膨胀向后伸长。前后支承所用圆锥孔双列圆柱滚子轴 1 * 国家科技重大专项项目( 2010ZX04016 － 011) · 71 · 承的支承刚性好，允许的极限转速高。前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转 速 承的支承刚性好，允许的极限转速高。前支承中的角 接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转 速高。 大件间的螺栓固定结合 面，研究 表 明，机 床 总 柔 度 的 40% ～ 60% 是结 合 面 产 生 的［10