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图4-2 有限元法的求解过程

有限元分析程序对零件有限元模型进行计算之后，分析结果数据被送回数据库，供CAD系统的后继程序使用，同时由有限元后处理程序进行分析处理，在图形显示器上输出，供设计者分析研究。

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第五章 XH7710型机床动态特性仿真分析

我国数控机床技术与世界先进水平的差距比较大，主要体现在两个方面：一是机床精度普遍不够。只有少数几种产品达到欧洲标准定位精度。精度差距只是表面现象。其实质是基础技术差距的反映。如普遍未进行有限元分析，未做动刚度试验；大多未采用定位精度软件补偿技术、温度变形补偿技术、高速主轴系统的动平衡技术等。 另一方面是机床动、静态刚度部件结构和整机性能开发的差距。高速机床主机结构设计方向是增强刚性和减轻移动部件重量，如国际普遍采用龙门式、侧挂箱式卧式加工中心、箱中箱式结构、三轴移动移出机身、L型床身等，我们则大多未开发。

由此看来，对机床主要部件进行动、静态刚度分析是机床设计过程非常重要的内容。本章主要利用有限元分析法对XH7710型立卧自动转换加工中心主要部件如滑枕、立柱以及铣头进行动力学分析，获得各部件的动力学性能参数，最终实现对加工中心整机结构的优化。

5.1 机床滑枕悬伸动力学仿真分析

图5-1为XH7710型立卧自动转换加工中心的结构简图，其中左图为工作状态下滑枕运动至最左端时的位置，右图为工作状态下滑枕运动至最右端时的位置。可以看出滑枕在工作状态下，由于悬伸量的变化，必然引起滑枕的下垂，滑枕的结构和刚度对整个加工中心的加工质量有很大影响。本章将对滑枕进行静力学分析以及动特性分析，在机床虚拟动态优化设计阶段对滑枕结构提出改进方案。

图5-1 五轴加工中心的结构

5.1.1 滑枕静力学分析

静力学分析的目的是计算滑枕自重引起的静变形下垂量。 1 定义结构材料性能参数

根据《机械设计手册》，滑枕材料选择为灰铸铁HT300，对应的材料参数为：杨氏模

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量为150*109pa，材料密度ρ=7200kg/m3 , 泊松比μ=0.25。

2 建立有限元模型

由于滑枕结构复杂，为了使以后生成的有限元网格形状合理，减少单元数量和节点数，必须对实际结构进行等效简化处理。因为本文关心的是滑枕静、动态特性，所以模型简化的基本原则是刚度、强度和质量等效，因此可以忽略一些如小凸台、倒角和铸造圆角等次要特征，以及螺栓孔、定位孔等特征对滑枕结构影响比较小，所以在建立有限元模型是都可以将其忽略。

本论文中首先在Pro/ENGINEER软件中建立滑枕实体模型，然后通过“IGES” 文件格式导入到ANSYS5.7软件中，对模型进行一些修改，使其成为实体模型。

3 划分网格

在滑枕静力学分析中，选用SOLID92单元，采用ANSYS的自动网格划分的办法对实体模型进行网格划分，得到的有限元模型有6767个单元，滑枕有限元模型如图5-2所示。

图5-2 滑枕有限元模型

4 施加约束和载荷

图5-2所示为滑枕处于最大悬伸量时的位置，为了计算方便，对滑枕自身重力进行一定的简化，把铣头和滑枕悬伸部分的重量折算到图中所示的滑枕端面E上，在端面E上施加4000牛顿的载荷。

约束的施加分为下面两种情况来讨论：

第一种约束：理想情况下，导轨镶条和压板处于无间隙状态，如图5-3所示，点A和点B间所有节点都接触良好，即在点A和点B间所有节点上都加上约束，此时由于接触良好而受力均匀，是悬臂梁结构，滑枕变形为由悬伸部分自重引起的静变形下垂量。

第二种约束：实际情况下，由于间隙的影响，滑枕和导轨以及压板只在点A和点D附近的少量节点接触，可以将其简化为点A端固定、点D端滑动的简支粱支承结构。

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图5-3 滑枕约束分析

4 求解

对上述两种约束情况下的有限元模型分别求解，得第一种约束情况下的位移图如图

5-4所示。

图5-4 第一种约束情况下的位移图

求出的两种约束情况下的Y向最大位移见表1。

表1 两种约束情况下的Y向最大位移

约束类型 第一种约束 第二种约束 Y向最大位移(mm) 与第一种约束相比较 0.167E-04 0.135E-04 1.0 减少19.2% 由于铣头较重，实际上滑枕的接触情况非常近似于第二种约束。由表1可以看出Y向最大位移减少了19.2%。但当滑枕只有点A和点D附近少量节点接触时，滑枕上导轨的受力严重不均，非常容易磨损，使间隙增大，直接影响铣头的加工精度。

假设滑枕和导轨的间隙取为2μm，实际上滑枕的接触情况为第二种约束时，滑枕和导

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