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現(xiàn)場銑床是用于石化裝置的現(xiàn)場加工設(shè)備，為了能夠適應(yīng)現(xiàn)場較為惡劣的加工環(huán)境，需要要求現(xiàn)場的銑床加工在滿足性能、精度等條件下，設(shè)備的質(zhì)量和體積應(yīng)盡可能最小。銑床由于橫梁部件剛度不足在加工中工件表面產(chǎn)生波紋狀刀痕，會對加工精度和表面質(zhì)量造成影響。本研究借助CosmosWorks有限元分析軟件，建立銑床有限元模型，對主要移動部件進(jìn)行靜、動態(tài)性能分析，提出對銑床結(jié)構(gòu)合理的改進(jìn)方法。
采用Solidworks軟件建立現(xiàn)場銑床的三維實(shí)體模型。主軸箱的重力及懸臂產(chǎn)生的扭矩Ｍ直接作用于橫梁，使得橫梁扭轉(zhuǎn)變形，所以橫梁為現(xiàn)場銑床的關(guān)鍵部件，它的剛度直接影響加工精度，因此把橫梁作為主要分析的對象。圖為現(xiàn)場銑床橫梁的實(shí)體模型。
銑床橫梁為鋼板的焊接結(jié)構(gòu)，因此各個(gè)焊點(diǎn)均作為模型的剛性節(jié)點(diǎn)，將主軸箱簡化為和實(shí)際結(jié)構(gòu)基本重量一致的箱形結(jié)構(gòu)，考慮到主軸箱與滑板的接觸變形遠(yuǎn)小于橫梁的變形，所以滑板與主軸箱的接觸面定義為剛性接觸。
對橫梁的實(shí)體模型導(dǎo)入CosmosWorks有限元軟件中，建立有限元計(jì)算模型，網(wǎng)格采用實(shí)體單元進(jìn)行劃分，單元數(shù)目為17256，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為9352，自由度數(shù)目為97659。
橫梁兩端通過螺釘固定在滑座上，在有限元模型中，把橫梁的邊界約束簡化為與固定螺栓位置相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的各個(gè)方向的自由度，即固定與螺栓位置相對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)對橫梁的約束。橫梁受力為主軸箱的重力和銑削力，橫梁的最大變形量發(fā)生在主軸箱運(yùn)行到橫梁中間位置時(shí)。圖為劃分網(wǎng)格后對橫梁和滑板施加載荷約束后的模型圖。
通過求解，橫梁的最大變形量為0.1547ｍｍ，實(shí)測加工時(shí)為(0.15-0.20ｍｍ)左右，分析結(jié)果與實(shí)際加工的誤差基本一致，遠(yuǎn)大于工件0.06ｍｍ的平面度要求。圖為原結(jié)構(gòu)位移云圖，對銑床進(jìn)行有限元模態(tài)分析，可以明顯表現(xiàn)出機(jī)床動態(tài)特性為圖的第一、二階振型圖。表為前五階的固有頻率和振型。
通過分析可知第一階振型中橫梁在外力激勵下產(chǎn)生較大幅度的變形，在加工過程中使銑刀的定位精度變差，會嚴(yán)重影響零部件的加工精度。因此要對橫梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。
從以上分析可知，橫梁的剛度不足是影響變形的主要原因。在橫梁改進(jìn)設(shè)計(jì)中，考慮到機(jī)床的工作環(huán)境等方面因素，改進(jìn)時(shí)對橫梁基本結(jié)構(gòu)不作大的變動，為提高橫梁抗扭剛度采用了對角筋板抗扭理論，將橫梁內(nèi)部的筋板改為Ｘ型，為了充分發(fā)揮縱向筋板的抗扭性能，筋板布置角度應(yīng)盡量與水平面成45°和135°的方向，改進(jìn)的方案如下：
(1)將筋板數(shù)量由原3塊變?yōu)?塊，厚度由10ｍｍ增加到15ｍｍ；
(2)在橫梁內(nèi)部加一條縱向的水平筋板Ｓ，厚度為15ｍｍ；
(3)將梯形角α由16°增大為20°；
(4)橫梁內(nèi)部新增Ｘ型筋板，厚度為15ｍｍ，寬為30ｍｍ，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)見圖。
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