影响加工中心立柱刚度的因素研究

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1、２０１２年第４６卷Ｎｏ．１０３１影响加工中心立柱刚度的因素研究１２庞晓琛，袁诚英１２江阴职业技术学院；江阴市教育局摘要：机床立柱的刚度直接影响到机床的加工精度，以两种典型结构的加工中心立柱作为研究对象，应用有限元软件对其进行结构分析和比较，指出了影响立柱刚度的主要因素，并提出了改进方案。为加工中心立柱的设计和优化提供了重要的理论依据。关键词：立柱；有限元；结构分析中图分类号：ＴＧ５０２；ＴＨ１１４文献标志码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＩｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇＦａｃｔｏｒｓｏｆＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＣｅｎｔｅｒＣｏｌｕｍｎＲｉｇｉｄ

2、ｉｔｙＰａｎｇＸｉａｏｃｈｅｎ，ＹｕａｎＣｈｅｎｇｙｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｍａｃｈｉｎｅ，ｃｏｌｕｍｎｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｔｏｗｏｒｋｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｗｏｔｙｐｅｃｏｌｕｍｎｓａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｗｅｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔａｎｄａｗａｙｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔｒ

3、ｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃｏｌｕｍｎ．Ａｌｌｔｈｅｓｅｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｕｍｏｆｔｈｅｃｏｌｕｍｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｌｕｍｎ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ!引言立柱是数控铣床和加工中心中最主要的支承部件之一。对于固定单立柱式结构的数控铣床，主轴安装在箱体上，而主轴箱体悬挂在立柱的一侧，使立柱受一个较大的弯曲力矩。同时立柱上设有导轨和刀库等系统。因此，立柱结构的动态性能对整机的动态性能，以及

4、机床的加工精度都有直接的影响，所以对立柱进行结构动力学分析对提高数控铣床和加（ａ）ＤＭＣ工中心的整机加工精度及振动特性有重要意［１，２］义。由于立柱结构研究对机床精度的研究有重要指导意义，现选用两种典型结构———ＤＭＣ和ＶＤＬ的立柱进行有限元分析和研究。对比它们的结构，分析影响刚度的主要因素，为以后的立柱设计提供理论依据。"两种典型结构立柱的有限元分析比较立柱由两部分组成，主体为方箱结构，下部为塔（ｂ）ＶＤＬ图１立柱结构比较基结构。立柱内部有垂直纵横加强筋，导轨在主体"%!两种立柱的结构分析的左侧面，塔基底部还开有螺钉孔，

5、用于床身的连ＤＭＣ的立柱顶端有六角头外伸结构，外伸处开接，整个立柱结构前后对称，如图１所示。有丝杠孔，立柱顶端另有一孔用于安装Ｙ方向的进给伺服电机（见图２ａ）；下部塔基结构内外均为八字形斜面，两斜面与ＹＯＺ面的夹角分别为３３．３°、５７°基金项目：２０１０年江苏省“青蓝工程”资助项目（见图２ｃ）；为与下部塔基结构一致，立柱左侧面分收稿日期：２０１２年６月３２工具技术别向前后进行了扩展。主体方箱结构的内部有Y“十”字形纵横加强筋（两横一纵），以及六层横隔ZX板，纵横加强筋与立柱前后侧面均伸入塔基部分；平行于导轨面的左右外侧面

6、未开孔，其余上下、前后外壁和内部加强筋均分布有孔，前后外壁为圆孔，其余板壁为方孔，分布均匀有序（见图２ｂ）。（ｅ）ＶＤＬ塔基图ＶＤＬ下部塔基结构内外均为八字形斜面，两斜图２立柱内部结构比较面与ＹＯＺ面的夹角分别为４５°、８０°（见图２ｅ）。其立柱主要的变形是扭转变形和弯曲变形，采用内部有垂直纵横加强筋（两横两纵），以及七层横隔垂直纵横加强筋提高弯曲刚度，结合横隔板共同提板。为布置平衡锤装置，主体内部有箱形空腔，横隔高扭转刚度。ＤＭＣ的纵横加强筋与隔板将立柱分板上有较大方孔，其纵横加强筋为边缘式加强筋，不割为一系列筋格，ＶＤ

7、Ｌ的隔板将立柱外壁分割为一能前后、左右贯穿立柱（见图２ｄ）；塔基下面的中心系列的矩形框。立柱的内部加强筋结构如图３所位置有水平安装板，其上开有腰圆形孔，用于安装平示，立柱内部横隔板如图４所示。衡锤装置。（ａ）ＤＭＣ头部（ａ）ＤＭＣ77&"#$%5.548.55643702018277.5.583&'(!"#$%6124（ｂ）ＤＭＣ主体607211612Y612ZX（ｂ）ＶＤＬ图３立柱加强筋（ｃ）ＤＭＣ塔基"%"立柱的有限元模型（１）单元类型选用立柱属箱体类零件，均由薄壁围成空腔，其主要变形为弯曲变形和扭转变形，板壁主要承受

8、弯矩和扭矩，还有剪力以及与其垂直的作用力，形成由拉伸、压缩、弯曲、扭转组成的复合应力。板壁的厚度与其长、宽尺寸相比要小很多，符合［３］（ｄ）ＶＤＬ主体克希霍夫板壳理论的假设。Ｓｈｅｌｌ４３为四节点中２０１２年第４６卷Ｎｏ．１０３３等厚度壳结构单元，每个节点有Ｘ、Ｙ、Ｚ三方向平动①对于明显不会影响机床整体