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基于有限元分析法分析数控机床零部件动静态特性
作者：胡琼
来源：《中国科技博览》2018年第10期
[摘 要]在数控机床零部件动静态特性的分析过程中采用传统的力学分析方式具有一定的局限性，难以对其进行有效充分地评估，为此可以采用有限元的分析法。本文首先介绍了有限分析元具体的理论原理，发展的基本思路与步骤，最终论证了其在数控机床零部件运行中的动静态特性。
[关键词]有限分析法；数控机床；零部件；动静态特性分析
中图分类号：S178 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0220-01
在数控机床结构的设计过程中具有三种不同的设计方法，分别是类比设计、力学设计与有限元法设计。不同的设计方式分别具有其相应的优点与缺陷，分别具有其相对应的应用发展空间。本文的研究重点在于有限元分析法对于数控机床零部件设计中的动静态特性分析。 1.有限元分析法概述
有限元分析法是在数控机床上是一种重要的应用方式。有限元分析法指的是对于载荷工况与几何工况等真实的物理系统进行基于数学分析方法的模拟，充分录利用单元，用未知量去逼近真实系统。对数控机床分析计算是有限元法的重要应用方式之一，其基本运作思路是：首先对整体结构进行结构分析与受力分析，从而简化结构，之后采用离散化的工作方式，把连续体剖分解分为相互联接的单元，通过节点载荷与平衡条件以充分分析，建立单元平衡方程，同时根据变形协调条件，把不同单元组合成平衡方程组，利用引入边界条件来进行求解，最终得到问题数值解的近似解[1]。
2.在数控机床零部件动静态特性的分析过程中利用有限元分析法的具体应用方式 2.1 基于有限元分析法的结构分析模型
基于有限元分析法在数控机床部件分析运用过程中，包括如床身、主轴箱、床鞍与立柱等所受弯曲变形时的应力、变形量与刚度等不同反应情况。有限元分析法分析确定固有频率与振型，目的在于减少或者避免共振影响机床的加工精度等。有限元分析法也是其他动力学分析的重要基础之一。能够运用与载荷作用下随时间变化的位移情况、应变情况、应力变化情况与等变化情况。包括欧拉临界载荷与相应的应力分布以及变形发展因素，并进行相应的优化设计。
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对某一设计变量依据目标函数进行优化处理，得到近似最优解。包括在床身的设计过程中对导轨的有关截面尺寸优化设计的有效进行。 2.2 基于有限元分析法的热分析模型
机床的主轴箱、变速箱与丝杠副等由于热量的产生等原因产生变形现象，并传至刀具，从而不利于零件的加工精度，因此应当加强热分析，以充分解决此类问题，以求解变形量，及时发现热量集中部位，从而进行相应地改进与散热。热变形只是机床结构变形的工序之一，因此可以结构分析一起进行热-结构耦合分析，目的在于及时确定机床部件的最终近似变形量与应力分布具体情况，从而得到得到可靠的分析数据[2]。 2.3 基于有限元分析法对于机床大件的分析计算
机床大件，包括床身、主轴箱与床鞍等，具有复杂的结构，很难进行有效计算，精确计算更加困难，采用有限元法将其简化为三角形、矩形薄板单元与梁单元的组合，或者简化为块体单元，同时利用上边界条件与载荷条件后，就能够实现精确计算具体的静动态特性。 2.4 关键零部件的动静态特性分析
本文在基于有限元分析法对数控机床零部件进行动态分析的过程中主要从主轴箱的动静态特性分析、滑板的动静态特性分析、床鞍的动静态分析、床身的动静态特性分析等四个角度进行分别分析。
主轴箱把工件与传动机构进行了有效连接，能够承受切削力，对于整体机床运行的加工密度与刚度具有重要的影响作用。在对其进行有限元分析的过程中上半部分承接着主轴箱的上端位移，以承受切削力，上端变形情况应当与实际运行情况保持一致。所能够达到的最大位移应当以0.0022454mm为宜，位置可以选择在上部偏右侧外壁位置。
滑板目的在于承受刀架，要求具有较大的载荷承受能力，在滑板安装的过程中要求能够进行短时间内的快速移动，因此应当具有较高的质量与刚性，进行设计的重工作是进行高刚度的轻量化设计。滑板在进行模态分析的过程中可以保持原来的负荷。运行中的最大位移为0.0035279mm，位置在床鞍与左侧滑块的连接位置。这是因为此处是一种悬空的薄板，对于来自外部的刀架的载荷不必直接承受，同时受到来自床鞍的有效约束。运行中的最大应力是0.3MPa，位置在滑板凸台左前角位置，则是因为承受着来自刀架所施加的载荷。床鞍连接着刀架与滑板，对于机床的加工密度具有重要的影响力，其运动过程中应当沿着Z方向进行，这是因为其在Y与X方向上具有比较弱的刚性，同时还需要承受来自滑板与刀架的重量。床鞍具有体积大与重量大的特点，应当对其进行量化处理以促进整体机床性能的提升[3]。 2.5 基于有限元分析法计算主轴相关参数与性能
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机床中的主轴是重要的功能零件之一，对于加工质量与加工精度起着重要的影响作用。因为主轴的结构具有阶梯状以及空心的特征，可使用梁类单元的因素，以主轴的不同直径分段进行单元的充分划分。主轴的动力学模型主要涵盖了支承单元、梁元、质量元与外力等不同的因素。主轴前后支承轴承的简化与相应的支承单元参数进行有效确定，具体包括了径向刚度、角刚度以及角阻尼，同时还应当考虑到削力的计算。在计算过程中需要考虑到应力分布、前端刚度、固有频率与振型，高速主轴与共振频率等不同因素。完成这些工序之后修改主轴设计的参数，具体包括了主轴直径、悬伸量、最佳跨距、支承形式与轴承等，目的在于充分保证主轴运转时的动力性能稳定。
2.6 基于有限元分析法计算机床整机结构特性和动力学特性
机床中的各大件包括主轴共同组成了机床整体的有限元模型，具有可动结合面与固定结合面两个组成部分，这是由于不同的构件之间存在着多种形式的不同结合面。很大程度上影响着整体结构特性的运行情况，因此在整体有限元动力学模型的构建过程中应当把其充分地考虑在内，对其有效处理是模型运行的关键点之一，具体运作方式上可以是把阻尼联接元与线性弹簧进行充分结合，把其运用在结合位置。首先对于简化的整机模型基于不同方式划分网格，继而对于在X、Y、Z三个方向上的静刚度与综合变性量进行求解，包括整机系统不同阶的固有频率等。 3.结束语
把有限元分析法运用到数控机床零部件动静态特特性的分析过程中能够起到显著的作用，对机床大件进行分析计算，以及主轴相关参数与性能与机床整机结构特性和动力学特性等的计算，有利于机床的良好设计。 参考文献
[1] 王立骋，郭志忠，陈致水，等.数控机床变速箱结构参数化设计及有限元分析[J].工具技术，2016，50（2）：36-39.
[2] 李路野.基于有限元的机床床身部件结构特性分析与优化设计[D].沈阳工业大学，2015. [3] 谭峰，殷国富，方辉，等.基于ANSYSWorkbench的微型数控车床主轴动静态性能分析[J].组合机床与自动化加工技术，2015（4）：29-32. 作者简介
胡琼：1979年9月，女，汉，籍贯：汉川市，本科学历，毕业院校：黄石理工学院，职称：中级，研究方向：机械制造，单位：湖北工程职业学院。