数控落地铣镗床滑枕变形有限元分析及补偿(定稿)

文章编号：1000-2472(200*)0*-000*-0* 数控落地铣镗床滑枕变形有限元分析及补偿 余剑武1，桂 林2，李民选2，罗嗣春1，张汉卫1 (1. 湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心, 湖南长沙410082;  2. 武汉重型机床集团有限公司, 湖北武汉430205) 摘  要：大型数控落地铣镗床在工作过程中由于滑枕外伸产生变形，从而在加工过程中容易产生过大加工误差，影响加工精度。这种变形主要原因是滑枕自身重力和滑枕及主轴箱的重心偏移造成的，采用预应力挠曲加工法和液压拉杆法能有效补偿滑枕的变形误差，然而采用实验的方法来测量滑枕变形量大小和补偿效果不仅成本高而且误差较大。针对这一问题，基于对滑枕变形使用挠曲线预应力加工法和液压拉杆法补偿的分析，使用Ansys WB有限元分析软件进行滑枕变形和变形补偿效果进行分析预测。根据和实验测量结果的对比，发现有限元分析方法误差较小，效率高，分析结果可靠；补偿方法的补偿效果可以满足加工精度的要求。 关键词：数控落地铣镗床；滑枕变形；预应力挠曲加工法；液压补偿法；有限元分析 中图分类号：TG58       文献标识码：A Analysis of Ram Deformation of CNC Floor Type Boring and Milling Machine by FEM and Compensation Methods Jianwu Yu1, Lin Gui2, Minxuan Li2, Sichun Luo1, Hanwei Zhang1 (1.National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding, Hunan University, Changsha, Hunan 410082; 2. Wuhan Heavy Duty Machine Tool Group Corporation, Wuhan, Hubei 430205) Abstract: It will produce flexural deformation error and affect the machining accuracy during processing due the extension of the ram of CNC floor type boring and milling machine. This deformation error is mainly caused by the ram weight and the gravitational off-center of ram and headstock. Studies have shown that the prestress flexural deflection machining method and hydraulic rod compensation method are useful in reducing the ram flexural deformation. However, it is inaccuracy and uneconomic to measure ram deformation error and compensation effect. In order to solve this problem, finite element method (FEM) is applied to analyze and predict the ram deformation and compensation effect based on the analysis of the prestress flexural deflection machining method and hydraulic rod compensation method which were used in CNC floor type boring and milling machine. Compared with the measured deformation error of ram, the simulation results are reliable and high efficiency, and compensation methods are effective and meet the requirements of machining. Key words: CNC floor type boring and milling machine; ram flexural deformation; prestress flexural deflection machining method; hydraulic rod compensation method; FEM 数控落地铣镗床在工作过程中随着滑枕伸出主轴箱，滑枕前端会产生偏离理想直线的误差。产生这种误差的主要有以下原因[1]：首先，滑枕在主轴箱内移动使滑枕和主轴箱整体的重心偏移，在垂直面内产生向下的微小偏移，在水平方向产生前移，从而使得主轴箱产生微小倾斜。其次，数控落地铣镗床在工作过程中滑枕伸出主轴箱的距离最多可以达到1200mm，由于滑枕、铣轴、镗轴及相关附件自重的影响产生挠曲变形，而且随着滑枕伸出主轴箱的距离增大其变形量也相应会增大。数控落地铣镗床滑枕前端的这种变形误差不仅对零件的加工精度产生影响，还会影响机床的使用寿命，所以落地铣镗床的滑枕变形成为亟待解决的关键技术难题。 数控落地镗铣床滑枕变形误差按照国家标准规定的精度要求是0.03mm/500mm[2]，即在滑枕外伸500mm时,滑枕的变形量不能超过0.03mm，但是用户会提出更高的要求以达到高精度的加工目的。如何通过对数控落地铣镗床滑枕变形和补偿的研究来减少滑枕的变形，许多学者提出了不同的解决思路方法。意大利帕马公司[3]在滑枕变形方面做了深入的研究， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 出了在数控落地铣镗床滑枕上部分别安装两个拉杆和油压缸装置，通过数控系统控制油缸压力的变化来补偿滑枕变形；广东锻压机床厂王鸿博[4]等人采用伺服系统装置和配重块对MCMG 180 LG数控落地镗铣床的主轴滑枕进行平衡补偿；五邑大学的康献民[5]设计了一种采用支撑轮、下压轮、平衡条、支撑套组成的机械平衡补偿装置专门针对主轴滑枕“低头”现象。以上方法对减少滑枕变形都具有一定的效果，但还不能完全满足高精度的加工要求。随着有限元分析技术的成熟和计算机技术的发展，使用有限元分析软件来解决工程中的复杂问题变得越来越方便。有限元分析软件Ansys WB由于为CAD软件提供了良好的数据接口和兼容性，方便产品研发过程中的多平台协作，在工业产品设计研发中被广泛使用。 本文以武汉重型机床集团有限公司生产的大型数控落地铣镗床为研究对象，使用有限元分析仿真来研究其滑枕的变形和补偿，采用预应力挠曲加工法和液压拉杆法对滑枕进行补偿。应用Pro/E进行建模，导入Ansys WB中分析滑枕在不同外伸量时的变形量，并使用Ansys WB检验预应力挠曲加工和液压拉杆补偿方法的补偿效果。 1 滑枕变形有限元分析 1.1 滑枕三维建模 TK6920B型大型数控落地镗铣床是武汉重型机床集团有限公司研发的一种大型机床（图1），其滑枕的截面尺寸为480x520mm，最大工作行程为1200mm，滑枕自身重量约6000kg。 图1 TK6920B型大型数控落地镗铣床 Fig.1 TK6920B CNC floor type boring and milling machine tool 如图2所示，使用Pro/E软件建立滑枕的三维实体模型，建模时，严格按照TK6920B数控落地铣镗床滑枕的实际尺寸进行建模。在网格划分时，为了提高Ansys WB分析速度，忽略倒角等细节。 图2 滑枕三维模型 Fig.2 The 3D model of the ram 1.2 滑枕材料属性和网格划分 数控落地铣镗床滑枕材料采用QT600-3，密度、7300kg/m3，弹性模量173GPa，泊松比0.3[6]。 由于滑枕的三维模型比较复杂,采用Ansys WB自动划分方法进行网格划分,最终的网格划分效果如图3所示，当滑枕的外伸量为1200mm时节点数为109704，单元数为60242。本文采用Ansys WB中自带的单元畸变度(Skewness)检测工具进行网格划分质量的检测，经检测，单元畸变度平均值为0.42，属于非常好级别的网格。 图3 滑枕网格划分 Fig.3 The meshed ram 1.3  确定镗削力的大小 镗削力的大小在不同的工况下不同，与吃刀量，进给量和切削对象的材料属性都有很大的关系，所以很难确定在动态过程中的镗削力大小。本文中将使用经验公式计算镗削力F0的大小[7]。 F0=2.73×109×ap×f×η              (1) 根据数控落地铣镗床的机械性能，在粗加工中镗削力更大，其切削参数为：切削深度ap=10mm，是进给量f=0.9mm/r，功率常数取η=0.96。经计算可得镗削力大小F0=23545N。 1.4  确定功能附件的重量 功能附件包括主轴或者安装在滑枕前端的铣头，平旋盘等。功能附件的自重在不同的加工条件下是不同的，在进行滑枕变形有限元分析时通常采用经验原则，大体估算在大部分工况下附件的重量大小。在不同加工工况下，数控落地铣镗床的功能附件的重量约在500kg左右，因此采用功能附件的重量F1=5000N。 1.5  滑枕变形的有限元分析 在定义好相关参数，划分网格后，加载边界条件，启用Ansys WB对滑枕变形进行有限元分析，得到图4所示的滑枕总变形云图。 图4  滑枕总变形云图 Fig.4 Total deformation contours of ram 滑枕的工作行程最大可达到1200mm，对滑枕每伸出100mm时做一次变形的有限元分析，可以得到不同伸出量时的滑枕变形量，见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1。有限元分析结果表明，在没有补偿的情况下，滑枕在外伸量比较大时会产生较大的变形量，这种变形误差很难满足用户的加工精度要求。 表1 没有补偿情况下滑枕的变形量 Table 1 The deformation of ram without compensation 滑枕行程（mm） 100 200 300 400 500 600 滑枕变形（μm） 1.4 2.6 3.8 5.1 6.8 8.8 滑枕行程（mm） 700 800 900 1000 1100 1200 滑枕变形（μm） 11.4 15.0 21.5 30.1 40.5 51.9               2滑枕变形补偿方法 传统上主要使用液压-机械补偿的方式对滑枕变形进行补偿，实践证明这种方法的缺点是，当移动部件移动速度较快的时候由于液压响应有滞后作用，这对加工精度产生了很大的影响。研究表明，综合使用预应力加工补偿法和液压拉杆补偿法对滑枕变形进行补偿，不仅补偿精度高，而且稳定可靠。