Z540钻削中心底座有限元分析

吕 虹，王利平，林 夔，曾晨辉，王 超，高 敏

（1.昆明台工精密机械有限公司，云南 昆明 650206；2.云南正成工精密机械有限公司，云南 玉溪 653106；3.云南省机电一体化应用技术重点实验室，云南省先进制造技术研究中心，云南 昆明650031）

Z540钻削中心底座有限元分析

吕 虹1,2，王利平1,2，林 夔1,2，曾晨辉1,2，王 超3，高 敏3

（1.昆明台工精密机械有限公司，云南 昆明 650206；2.云南正成工精密机械有限公司，云南 玉溪 653106；3.云南省机电一体化应用技术重点实验室，云南省先进制造技术研究中心，云南 昆明650031）

利用solidworks建立了Z540钻削中心底座的三维模型，并对其进行了静力学及动力学分析。分析结果表明，底座的动静刚度完全可以满足使用要求。

钻削中心；有限元

0 引言

钻削中心是机械制造行业中应用较广泛的金属切削工艺之一，目前由于高速主轴技术、直线电机技术、高速控制技术以及刀具技术的发展和进步，以加工的高速化实现加工的高品质、高效率已成为钻削加工技术发展的重要特征。Z540钻削加工中心是专门用于针对小型多孔零件的钻削及攻丝加工的高速、高效、高精度的产品。适用于航天航空、汽车机车、仪器仪表、轻工轻纺、电子电器和机械制造等行业的中小型箱体、盖、板、壳、盘等零件的加工。

1 有限元模型

本文通过SolidWorks进行三维建模并导入Abaqus中进行有限元建模。本产品采用材料为HT200，主要壁厚为20mm。材料属性通常由以下物理量表示：抗拉强度、弹性模量、泊松比等。立柱模型的材料参数见表1所示。

表1 立柱材料参数Tab.1 The mechanical properties of the base material

2 载荷及约束

底座静态分析的计算载荷包括立柱重量载荷、工作台重量载荷、工件重量载荷、钻孔时的轴向载荷等。在载荷计算时，要考虑工况载荷组合情况。在底座接地面要分别施加六个自由度的约束。

（1）工况一载荷。当工作台位于最靠近立柱时，建立载荷施加耦合点，并将该点与对应的导轨工作面进行Coupling耦合。再将工作台重量载荷、工件重量载荷、钻孔时的轴向载荷之和通过耦合点施加于该耦合点。

（2）工况二载荷。当工作台位于最中间时，在工作台导轨最中间工作面施加载荷，作用点用Coupling耦合单元链接至工作面。

（3）工况三载荷。当工作台位于最远立柱时，在工作台导轨最右工作处施加载荷，作用点用Coupling耦合单元链接至工作面。三种工况载荷具体的施加位置分别见图1（a）、（b）、（c）中红色箭标部位。

图1 三种工况载荷Fig.1 Load of three condition

3 动静刚度分析

影响底座性能的主要是结构本身的刚度，结构所受的等效应力远远低于材料的许用应力，可以不考虑。底座的刚度主要关注工作台导轨面工作时的总变形。

通过对三种工况的分析可以得到工作台在每种工况下的最大变形情况，并将每种工况下最大变形量统计于表2。

表2 不同工况下工作台导轨面最大变形量Tab.2 Maximum deformation of the guide under different conditions

4 分析与评价

对底座底面固定，其模态分析在求解时采用Lanczos法求解，经过计算其前6阶固有频率及振形见表3。

底座所承受的振动激励主要来自电机主轴转动时产生的振动。该机床选用的电机主轴的基本转速参数如下：

（1）主轴电机1：15000r/min

（2）主轴电机2：24000 r/min

（3）xyz三轴电机转数：3000r/min

因此，电机对机床的激励频率为：

主轴电机1激振频率：f=15000/60×2=500

主轴电机2激振频率：f=24000/60×2=800

xyz三轴电机激振频率:f=3000/60×2=100

若机床结构模态与上述频率相耦合，将会使其产生共振，严重时会使整个结构发生抖振，影响加工精度。经过分析计算，机床经常工作频率都在100Hz以上，已经远大于其结构弹性模态频率。因此，机床主要部件底座在正常使用时不会引起共振。

表3 频率及振形表Tab.3 Table of frequency and mode shape

5 总结

本文建立了Z540钻削中心主要部件底座的有限元模型，应用有限元软件对其基本力学性能进行了分析。分析结果显示，刚度可满足使用要求，机床主要部件在机床工作频率范围内不会出现共振现象，达到设计目标。

[1]石亦平，周玉蓉.ABAQUS_有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]王爱玲.现代数控机床结构与设计[M].北京：兵器工业出版社，1999.

[3]万鹏程，周建军.BT-30钻削中心立柱建模及其有限元分析[J].杭州电子工业学院学报，2003，4.

Finite Element Analysis of the Base of Drilling Machining Center Model Z540

LV Hong1,2，WANG Li-Ping1,2，LIN Kui1,2，ZENG Chen-Hui1,2，WANG Chao3，GAO Min3
（1.Kunming Taigong Precision Machine Tool Co.,Ltd.，Kunming Yunan 650206,China；2.Yunan Zhengchenggong Precision machine tool Co.,Ltd.,Yuxi Yunan 653106,China；3．Mechatronics Technology and Key Applications Laboratory of Yunnan Province，Advanced Manufacturing Technology Research Centre of Yunnan Province，Kunming Yunnan 650031，China）

A three dimensional model of the base of drilling machining center model Z540 is medeled by using solidworks,its static and dynamic is analyzed with abaqus.?Analysis results show that,?the?static and dynamic stiffness?can fully meet the use requirements.

drilling machining center；finite element

TG68

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.066

1002－6673（2014）03－174－02

2014－03－17

吕虹（1965-），女，工程师，昆明台正、台成、台工、云南正成工精密机械有限公司信息办主任，昆明台工精密机械有限公司总经理，多年来一直从机电一体化技术、信息化技术研究及企业管理工作；王利平（1985-），女，2008年进入公司至今，一直从事机床设计研究，在钻削中心的开发中承担主要设计工作。