摘 要（yào）：車銑複合加工中心把車削和銑削加工工藝（yì）集成到同一台加工機床，可實現工（gōng）件的同基準多工序集成加（jiā）工（gōng），有利於提高（gāo）零件（jiàn）的製造精度。而影響該類機床加工精度的核心零件之一，就是機床的床身。本文針對 MJ-520MC/Y 數控車（chē）銑複合加工中心的斜（xié）床身進行高剛性設計分析，探討建立有利於（yú）仿真分析的數字樣機的方法；對斜床身數控車銑複（fù）合加工中心（xīn）的受力情況進行分析，將典型工況（kuàng）下的切（qiē）削力、床身上方（fāng）各機床（chuáng）零部件的重力折算到床（chuáng）身上（shàng），得出斜床身的載荷參數；運用有限元方法對斜床身零件進行靜力學（xué）分析，得（dé）到斜床身靜態特性，探討外部靜力載荷對斜床身應力應變的影響；提出了斜床身改進優化的基本思路，為斜床身車銑複合加工中心的結構設計與改進提供技術支（zhī）持。
     
      關鍵詞：斜（xié）床身 車銑複合 加工中（zhōng）心 載荷分析 有限元 靜態特性
 
      車銑複合加工中（zhōng）心（xīn）把車削和銑削（xuē）工藝（yì）整合在一台機床上，可以實現對工件的車削和銑削加工，這（zhè）種整合比分（fèn）別進行車削和銑削的加工精（jīng）度更高 [1-3]。而機床床身是影響該（gāi）類機床加工精度的核心零件之一。
 
     天津大學楊崇澤等以搖臂鑽床為研究對象，結合機床結構結合麵，建立係統（tǒng）動力學模型 [4]；吉林大學機械工程（chéng）學（xué）院的苗壯等人分別（bié）對 HTM61350 臥式車銑中心進（jìn）行了整機靜剛（gāng）度分析、模態分析和主（zhǔ）軸箱的熱分析，確定了機床工作狀態下的主要變形部件，並得出了該部件相應的變形量信息 [5]；大連理工大學潘（pān）琪（qí）等通過對 CD614O 車（chē）床斜床身的分析和結構優化，減輕了斜床身（shēn）重量，提高了斜床身的剛度和（hé）固有頻率等指標，為同類型機床設計生產提供理論依據 [6]。但（dàn）是（shì），對於（yú） MJ-520MC/Y斜床身數控車銑複合加工中心的（de）研究較少。本（běn）文針對 MJ-520MC/Y 數控車銑複合加工（gōng）中心的斜床身進行高剛性（xìng）設計分析，探討建立有利於仿真分析的數字樣機的方（fāng）法；對斜床身數控車銑複合加工中心的受（shòu）力情況進行分析，將（jiāng）典型工況下的切（qiē）削力、床身上方各機床（chuáng）零部件的重力折算到床身上，得出斜床身的（de）載荷參數；運用有限（xiàn）元（yuán）方法對斜床零件進行靜力學分析，得到斜床身靜態特性，探討（tǎo）外部力載荷（hé）對斜床身應力應變的影響；提出了斜床身改進優化的基本思路，為斜床（chuáng）身車銑複合加工（gōng）中（zhōng）心的結構設計與改（gǎi）進提
供技術支持。
 
      1　、車銑複合加工中心介紹
 
      該機（jī）床（chuáng）配置（zhì）臥式（shì）回輪動力型刀架。當（dāng）對工件進行平麵銑削時，可通過直接（jiē）驅（qū）動機床由（yóu） X1、X2 雙軸構成虛擬“Y”軸結構進（jìn）行加（jiā）工，平麵（miàn）銑削的工作範圍（wéi）、效率及精度等得（dé）到極大提高，產品得到了用（yòng）戶的較好評（píng）價[7]。圖 1是機床的外觀照片。
 
      2　、斜床身（shēn）車銑（xǐ）複合加工中心（xīn）關鍵零部（bù）件有限元結構分析
 
      2.1　模型簡（jiǎn）化
 
      車床斜床身結構複雜，難以完全按照實物建立有限元模型。在進行有限元網格（gé）劃分前，需對斜床身實體簡化。簡化的原則是：（1）在 CAD 建模時力求精確，真實模擬結（jié）構的靜動態特性；（2）對 CAD 模型中的小錐度、小曲麵進行直線化和平麵（miàn）化處理 [8]。
  
  

     
                    圖 1　機床外（wài）觀圖
        
      根據以上原則對斜床身的模型進行簡化處理：刪除導軌上的所有螺紋孔。簡化後，斜床身（如圖 2 所示）結構的力學特性沒（méi）有發生改變，但為後續高效分析計算提供了幫助。

      
                      圖 2　斜床身虛擬（nǐ）樣機模型
 
       2.2　定義單元（yuán）屬性與網格劃分
 
     （1）定（dìng）義單元屬性。由於斜床身結構複雜，是不（bú）規則的幾（jǐ）何體，所（suǒ）以（yǐ）選用四（sì）麵體單元來模擬真實結（jié）構。經過考慮（lǜ），選擇（zé） SOLID187 四麵體單元。

     （2）網格（gé）劃分。網格劃分時，需遵（zūn）循以（yǐ）下幾點原則。
 
       ①模型結構和實際結（jié）構盡可能相（xiàng）同，模型幾何形狀尺寸與實際結構尺（chǐ）寸（cùn）相同；②根據計算精度和（hé）計算規模來（lái）選擇合適的單元大小；③單元體應盡量勻稱（chēng）齊整。
 
      2.3　受（shòu）力分析及載荷施加
 
      2.3.1　受（shòu）力分（fèn）析（xī）
   
     （1）切削過程分析。在典型工況下，把床身上各零部件的重力和切削（xuē）力（lì）在斜床（chuáng）身上進行折算。車削加工過程中，刀具和工件都受（shòu）到切削力的作用。切削力傳遞（dì）到機床上的力是機床的（de）主要受力（lì），切削（xuē）力及其分解見圖 3。
  
     
  
                   圖 3　切削力及其分解（jiě）
   
     主切削力、背向力和進給力的計算均采用現有公式（shì） [9]。主切削力：
 
     
 

     刀（dāo）具的切削速度 vc 取 100m/min，進給量 f 取 0.3mm/r，背吃刀量（liàng）αp取 4mm，工件材料為 45鋼，刀具材料為硬（yìng）質合金（jīn）。通過（guò）查表代入上（shàng）式得（dé），FC=1875N，Fp=1 207N，Ff=788N。為保證其可靠性（xìng），適當擴大各分力大小，主切削力為2000N，背向力為 1500N，進給力（lì）為 1000N。
 
    （2）銑削（xuē）過程分（fèn）析（xī）。三麵刃銑刀主要用於臥式銑床上加工槽（cáo）、台階麵（miàn）等，本文選擇三麵刃銑刀，如圖 4 所示。
  
  

     
                                圖（tú） 4　銑削力（lì）及其分（fèn）解
   
     切削條件為：銑刀直徑 D=110mm，齒數 Z=22，工件材料灰鑄鐵 HB=210，刀（dāo）具材料（liào）為高速鋼，銑刀槽寬 B=16mm，槽深 t=20mm，銑削用量 V ≈ 20 米 / 分，Sz=0.lmm/ 齒。根（gēn）據公式計算，得：銑削功（gōng）率：

      為 保 證 可 靠 性， 主 切（qiē） 削 力 取 為（wéi） 300N， 背（bèi） 向 力 取 為1000N，進給力取為 400N。
 
      2.3.2　載荷施加
 
      本文（wén）以（yǐ）斜床身為例，對切削過程中載荷施加進行介紹。機床（chuáng）接觸構件示意圖，如圖 5 所示。
 

     
                   圖 5　機床接（jiē）觸部件示意圖
   
     假定刀架、主軸箱、尾座等部件（jiàn）的（de）材料都為普通碳鋼，將車床模（mó）型導入 SolideWorks 中，計算得出它們的重力 G1、G2、G3，分別是 6500kg、4700kg、2400kg，分別施加在它（tā）們各自的支（zhī）撐處。以下對切削力如何施（shī）加到斜床身進行（háng）介紹。
 
      本文所研究的數控車床可（kě）加（jiā）工的工件（jiàn）最大直徑是520mm，最大長度是 450mm。設工件材（cái）料（liào）為 45 鋼，則其質量為 744kg，所（suǒ）受重力為 7440N。在切削過（guò）程中，工件受（shòu）到車刀（dāo）、卡盤和（hé）頂尖的作用力，受力情況可用圖 6 的（de）簡圖（tú）來表示。隨著切削（xuē）位置從靠近主軸端向尾座移動，床身的（de）位移和應力都會增加，切削點選在距離主軸箱最（zuì）遠處 [11]，即（jí）工件最長處，距離為 450mm。
  

     
  
                               圖 6　工（gōng）件（jiàn）受力示（shì）意圖
    

      在 xoy 平麵內，進（jìn）給力 Ff 沿 y 方向，大小為 1000N，距離導軌（guǐ）平麵 400mm。所以，該（gāi）力對斜（xié）床身、導軌結合體的力（lì）矩 M1 大小為 400N·m，方向為在導軌麵上繞 x 軸逆時針（zhēn）旋轉。在（zài） xoz 平麵內，主切削力（lì） Fc 與（yǔ）工件重力 G 在 z 方向上近似抵消。因而（ér），在 x 方向上的合力為 Fx=Fp+Gsin45°。代入數（shù）據（jù），計算得 Fs 值（zhí）為（wéi） 6438N，擴大為 6500N。
 
      在 xoy平麵內，工件受到集中力 Fs、卡盤和頂尖的作用力，其受力情況可以簡化為如圖 7的簡支梁。此（cǐ）處，為了容易理解，將坐標軸的名稱進行（háng）了（le）相關處理。
 

     
  
                     圖 7　xoy 平麵上力的分布
  
       
  
       
        
  
     在 ANSYSWorkbench 靜（jìng）力學分析模塊上進行仿（fǎng）真求解，得到斜床身的總變形雲圖和 X、Y、Z 方向的變形雲圖，對分析結果進行處理，具體見表 1。
 
                      表 1　斜（xié）床身結構改進前靜力學分析結（jié）果
  
       
       

     2.4　結構改進及有（yǒu）限元分析
 
    針對上述有限元分析結果，對斜床身的上導軌進行結構改進，對上導軌進行加厚、加寬（kuān）處理（lǐ）。在 ANSYSWorkbench 靜力學分析模塊上進行仿真求解，得到斜床身的總變形雲圖和 X、Y、Z 方向的變形雲圖，對分析結果進行處理，具體見表2。
 
 
                 表2　斜床身結構改進後靜力學分析結果

      2.5  　結構分析（xī）結果對比
 
     通過對斜床身改進前和改進（jìn）後的分析結果進行（háng）對比可知，改進後的斜床身變形量（liàng）更小，斜床身的結構更可靠，具體見表 3。
   
                       表 3　斜床身結構分析結果對比表
  
    

     3、　結論（lùn）
 
     針對 MJ-520MC/Y 數控車銑複合加工中心的斜床身進行高（gāo）剛性設計分析，探討建立有利於仿真（zhēn）分析的（de）數字樣（yàng）機的方法；對斜床身數控車銑複合加工中心的受力情況進行分析，得出斜床（chuáng）身的載荷參數；運用有限元（yuán）方法對（duì）斜床身零件進行靜力學分析，得到斜床（chuáng）身靜態特性（xìng），探討外部靜力載荷對斜床身應力（lì）應變的影響；提（tí）出了斜床身（shēn）改進優化（huà）的基本思
路，並通過分析（xī）結果對斜床身進行結構（gòu）改進並進行分析對比，得知對斜床身改進的斜床身變形量更小，斜床身的結構更可靠。這為斜床身車銑複合加工中心的結構設計與改（gǎi）進提供技術支持。