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超重型數控龍門移動鏜銑床橫梁的有限元分析與結構優化

2． 6 機床卸荷梁與卸荷輪裝置［1］

卸荷梁與卸荷輪裝置用于消除溜板和滑枕式鏜銑頭等重力對該機床橫梁體位移可能較大的問題。3、20公斤以上：又被稱為大型鏜銑頭，這類產品的結構一定比較大，而精度則相對要低，與以上兩種相比，該類產品靈敏度也要弱一些，主要被應用在一些大型的機床上，加工范圍倒是挺廣泛的。卸荷梁的設計原理是通過預先計算重量，在橫梁上設置一個帶曲線的卸荷梁，卸荷梁為鋼結構件制成，由雙支點將所受之力由絲桿傳遞于立柱上，避免了橫梁產生彎曲變形，以消除溜板和滑枕鏜銑頭對橫梁直線度的撓度影響。橫梁導軌可加工成直線，保證鏜銑頭運動的直線度并使溜板與橫梁導軌面均勻接觸。比較一般橫梁反變形( 起拱曲線［6］) 加工或鑲裝導軌需調整精度，卸荷梁無論在加工性能還是使用性能上都更加優越。

2． 4 橫梁有限元優化

對超重型數控龍門移動鏜銑床橫梁進行結構優化設計。比較一般橫梁反變形(起拱曲線［6］)加工或鑲裝導軌需調整精度，卸荷梁無論在加工性能還是使用性能上都更加優越。應用 Siemens PLM Software NX7． 5 軟件進行橫梁有限元優化設計［10 － 11］，對原橫梁結構進行減輕重量，從而達到橫梁結構輕量化設計的目標。創建求解方案，選擇 NX NASTＲAN 有限元優化模塊進行橫梁優化設計。減小橫梁壁厚和加強肋厚度，從而減少了橫梁質量，具體在橫梁質量減少 2． 5% 的情況下對機床橫梁靜特性進行了有限元優化設計。表 2 為優化前后橫梁靜特性對比，可見在橫梁質量減少了 2． 5% 的情況下，優化設計后橫梁的大位移從 0． 25 mm 減小到0． 192 mm，即橫梁的大位移減少了 23． 2% ; 也就是說在橫梁載荷不變的情況下橫梁的靜剛度提高了23． 2% ，有明顯效果。

2． 2 建立橫梁體有限元模型

運用 Siemens PLM Software NX7． 5 軟件高de 級分析模塊建立橫梁有限元分析模型，為了減少有限元網格數量和歧異網格的生成，針對橫梁體上對分析結果影響不大的圓角、小孔和臺階等結構作一定的簡化處理( 即忽略不計) ; 采用 10 節點四面體有限單元網格對橫梁體有限元模型進行網格劃分，劃分結果為: 橫梁部件中的單元數目為 328 149，節點數目為 397 719。超重型數控龍門移動鏜銑床橫梁的有限元分析與結構優化2．1建立橫梁體三維模型分析中初步確定橫梁體截面結構形式及尺寸［1］，如圖2所示。橫梁體有限元劃分結構如圖 4 所示。

某超重型數控動梁龍門移動鏜銑床正視圖及各軸方向如圖 1 所示［1］，其機床基礎件如床身、滑座、立柱、橫梁、工作臺等基礎件均采用樹脂砂造型高強度鑄鐵，并經時效處理，連接梁采用高剛性焊接件。由于設計真主要分析的目的為橫梁體在受力情況下的變形情況，并且考慮到模型的大小和計算機的計算量，將溜板、滑枕式鏜銑頭等三維模型簡化為0D集中質量單元，并采用1D單元連接，具體簡化模型如圖5所示。龍門框架由左右立柱、連接梁等組成，左右立柱上端與連接梁緊固連接，立柱下端直接與滑座緊固連接，形成高剛度的龍門框架結構。圖 1 中 Y 軸: 橫梁與溜板，Z 軸:溜板與滑枕。動梁龍門橫梁上配置有一個大功率的交流調速滑枕式鏜銑頭，滑枕式鏜銑頭通過溜板與橫梁連接。