搅拌摩擦焊接龙门机床的横梁受力分析

田 来 ，姜 迪

（1.安徽理工大学，安徽淮南 232001；2.黄山学院，安徽黄山 245021）

0 引言

搅拌摩擦焊接龙门机床是搅拌摩擦焊接机床结构中很常用的方式，具有两大优势：一是龙门机床稳定性高，加工效果好，且负载大，可以制作重型机床；再者搅拌摩擦焊接机床恰好符合龙门机床的使用场合，并且可以使工作台范围广，加工行程大。但是龙门机床也有缺点，就是重心过高，为了得到很好的刚度，一般龙门机床均采用大而厚重的横梁作为中间支撑，这使得重心上升，对于机床的稳定性很不利，同时给材料的使用和加工都带来一定的难度。

通过分析横梁强度要求，找出可以进行更换的板材以及改变导轨的压块宽度，来调整整体质量和导轨的变形量。

为了更好的经济要求，使用现有厚度为50 mm和40 mm的板材，导轨的宽度可以适当放宽，考虑到加工问题，变为原来的2倍。

1 分析板材的强度要求

利用Solidworks中的simulation功能模块对横梁的整体结构进行分析，在分析之前的参数设定中，板材均被设置成普通碳钢，滑块以及导轨材料为合金钢，结构形式如图1所示。载荷8000 kg，材料为普通碳钢，接触类型全局接触

由于实际限值是6000 kg，分布在8个滑块上，且板材均为焊接件，考虑到焊接的强度为母材的60%，因此安全系数扩大一倍，以简化焊缝的处理，加快运算的速度。具体的使用要求：安全系数5，导轨变形量0.06 mm，整体变形量0.1 mm，重量上限1400 kg。

在Solidworks simulation中设置好参数变量，画好网格进行分析，分析过程中网格的参数设置选择默认，为了更快得到结果，焊缝选择装饰焊缝，滑块定义为合金钢，以及在滑块之间定义为刚性连接。

得到应力结果如图2所示。

图1 横梁的整体结构

图2 60 mm板厚下的应力

可见，应力最大处是内部加强筋的拐点，最大值为231.5 kgf/mm2（1 kgf/mm2=9.8 MPa），符合要求（图3）。

图3 60 mm板厚下的位移

可见，最大合位移出现在滑块上，最大值为0.056 mm，在允许的范围之内。其中，URES表示合位移。

在变形量和强度均保证的情况下，求出受力较多的部分以及受力很少的位置，用来指导优化。结果如图4所示。

透明部分即为受力很小的位置，可以看出上侧板以及下面的板材受力很小，可以进行改变至较薄的板材。

2 改变参数变量

2.1 改变板材厚度

根据图4的结果，将导轨支撑部分的板材变为50 mm，再次进行强度分析（图5）。

可见，最大应力没有发生太大的突变，依旧在许用范围之内。位移量为 0.0532 mm，也在允许范围内。

同理，将板材改为40 mm，得到如图6所示的应力图解。

由图4可知，整体板厚已经减少了1/3，但强度改变并不大且在允许的范围之内。可见，这个方法是有效的。

图4 板材受力的透明图

图5 50 mm板厚下的应力图解

2.2 改变导轨压块的宽度

根据以往的经验，导轨压块是很好的控制导轨变形的措施，但是压块的宽度一直是依照经验进行设计的，这里作者采用改变宽度的做法，来求解压块宽度对变形量的影响，初步推断，压块越宽，变形量越小。实际分析如图7所示。但是，实际变形量并非想象的那样减小，达到0.0623 mm，反而超过了要求。这是不符合使用要求的，因为压块的宽度不能改变。

3 结果分析

使用趋势迭代器进行跟踪分析，可以得到整个结果的趋势变化曲线（图8）。由图8可知，在控制变形量和强度的允许的范围内，整体质量减少了240 kg，对整体重心的降低起到很大作用，在一定程度上增强设备的稳定性，提高加工精度。所以，本次的改变可以指导生产。

4 结论

（1）减少横梁上侧板的厚度，不仅对减轻重量很有好处，同时可以很好地控制导轨变形量。

图6 40 mm板厚下的应力图

（2）减少导轨压块的数量和宽度，可以达到与经验相反的结果，导轨的变形量会变小，而不是增加。这是因为支撑面的刚度下降，使得整体发生小幅位移，从而减轻导轨局部的变形。

（3）将导轨的支撑板厚度减少至40 mm，不仅可以满足要求，同时对经济成本和整体效果均有益处。

图7 压块宽度改变1倍的变形图解

图8 趋势迭代结果