龙门横梁铸件与焊接件对比分析

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1、龙门横梁铸件与焊接件对比分析韩立光王福军刘邦宁(山东法因数控机械股份有限公司，山东济南250101)CastandWeldmentContrastAnalysisofGantryBeamHANLiguang，WANGFujun，LIUBangning(ShandongFINCNCMachineCo.，Ltd.，Jinan250101，CHN)随着近代工业的发展﹑焊接技术的进步﹑焊接工构，焊接件的阻尼甚至可以高于铸件。艺的提高，各种加工机械，采用焊接结构的例子已越来2铸件横梁与焊接件横梁结构的确立越多。实践经验证明:

2、焊接结构具有生产周期短﹑重量轻﹑成本低﹑所需设备简单﹑改型快等许多优点。以PM6060/2型龙门移动式数控钻床横梁为例，欧美等先进工业国家的机床更是逐步以焊接件或新材其跨距大，总长度达8500mm。横梁主要受自身重力料结构取代了铸件结构。本文针对龙门钻床横梁，分作用﹑主轴箱施加于横梁的力的作用和主轴箱重心偏别对铸件结构和焊接件结构进行有限元分析，比较两离横梁形心形成的一个扭矩作用。在上述弯曲和扭转种结构的优缺点。载荷作用下，横梁弯曲和扭转变形的大小取决于其截面抗弯和抗扭惯性矩。一般而言，抗弯、抗扭惯性矩1铸件与焊接

3、件特点综述大，变形就小，刚度就高。表1列出了在截面积相同(［3］龙门钻床横梁同时承受重力﹑拉力和弯矩作用。即重量相同)时，不同截面形状和尺寸的惯性矩。为了减小变形，提高抗振性，龙门钻床横梁要求有较好由表中数据可知:在形状和截面积相同时，减小壁厚，的刚度。龙门钻床横梁焊接件与铸件对比有以下特加大截面轮廓尺寸，可大大增加刚度;封闭截面的刚度点:远远高于不封闭截面的刚(1)焊接件所用碳钢材料的弹性模量和力学性能度;矩形截面在尺寸大的方高于铸件所采用的铸铁材料，弹性模量E=σ/ε，在应向具有很高的抗弯刚度。综力σ相同时，E

4、大则产生的应变ε小。在结构尺寸相合上述特点，此处龙门横梁同时，E值大的材料刚度高。因此，在同样载荷作用采用抗弯刚度和抗扭刚度都下，钢结构的静刚度比较大。在受迫振动时，提高静刚较高的箱型结构，其截面外度可以降低振幅，提高其固有频率，从而避免发生共轮廓采用1100mm×800振。而对自激振动，提高静刚度可以提高自激振动稳mm矩形结构。因为对于矩［1］定性的极限。形截面，尺寸大的方向具有(2)因为钢板焊接件重量比铸件轻(相同刚性的更高的抗弯刚度，所以将导钢板焊接结构的重量仅为铸件的60%左右)，ωn=轨布置在横梁前壁板上

5、。铸件材料取灰铸铁，四槡K/m(其中ωn为固有频率，K为刚度，m为质量)，所以减轻重量可以提高固有频率，有利于避免共振的发壁厚取40mm，内部采用抗生。合理的焊接结构固有频率可以比铸造结构高弯刚度和抗扭刚度均较好的50%。而龙门横梁跨距大，重量减轻也可以减小下垂，对角交叉肋板加横向肋板间提高机床几何精度。隔布置，如图1。肋板厚度(3)铸铁的内阻尼比钢平均高出3.2倍［2］。但焊25mm，横向肋板可以加强接件阻尼主要来自于钢板材料内阻尼和构件结合面间其抗扭刚度，对角交叉肋板的摩擦，而材料内阻尼只占很小比例，构件结合面

6、间的对加强抗弯刚度和抗扭刚度摩擦阻尼却约占全部阻尼的90%左右。所以，其抗振均有良好效果，在上下壁板性并不比铸件低多少，通过合理的焊接方法和焊接结布置加强筋，以增加抗弯刚·66·度。焊接件采用普通碳钢材料，四壁壁厚取30mm。因为焊接工艺等原因，内部仅采用横向肋板与纵向加强筋。横向肋板可以增强抗扭刚度，纵向加强筋可以增强抗弯刚度。其截面如图2。3铸件横梁与焊接件横梁有限元分析按照已确立的结构，分别建立龙门横梁铸件与焊接件三维模型，并对其进行有限元分析。横梁通过导轨支撑两个主轴箱，每个主轴箱重约2t，钻削的支反力设为

7、5000N。根据以上条件对导轨支撑面施加一个30000N的力﹑一个15000N·m的扭转力矩以及横梁自身重力，将模型导入COSMOS进行有限元分析。划分网格，共划分为100000多个单元，200000［4，5］多个节点。铸件材料铸铁的弹性模量为6.62×1010N/m，泊松比0.27，总重量约20t。焊接件材料碳11钢的弹性模量为2.1×10N/m，泊松比0.28，总重量约11t。此处仅分析对比横梁的变形情况，所以可将约束设在两端面，设其固定。施加上述作用力，其变形情况如图3、图4所示。图3为铸件有限元分析图，图4

8、为焊接件有限元分析图。由图中可以看出，两者最大变形都出现在前壁板中间位置。铸件最大变形约0.32mm，焊接件最大变形约0.15mm。其中铸件弯曲变形量约0.31mm，扭曲变形约0.01mm，焊接件弯曲变形约0.14mm，扭曲变形约0.005mm。两者对比即可发现焊接件总变形量约为铸件的1/2。这是因为一方面铸铁材料的力学性能不如碳钢，另一方面铸件需要加大壁厚