异形内腔曲面加工装置导轨的结构设计与优化

2014-01-25 05:32中北大学机电工程学院郑福祥范国勇

河北农机 2014年8期

中北大学机电工程学院郑福祥范国勇

前言

异形内腔曲面目前很难采用普通机床和常规工艺方法加工，长期以来一直是加工中难以解决的问题[1]。以钢铁行业大型连铸机的核心部件结晶器为例，采用一种全新的专用工艺方法和设备。导轨是整套设备的核心部件，它可承载、固定、引导运动部件，而滑动导轨具有良好的刚性、抗振性和阻尼性，且结构简单，维修方便，是机床上广泛应用的部件[2]。导轨的刚度直接影响着加工工件的精度，导轨的刚度主要取决于在载荷作用下，运动件和承导件的弯曲变形和它们工作面接触变形的大小。导轨的刚度与导轨截面的尺寸、材料等因素有关。

1 结构设计

导轨的结构形式、变形及刚度是影响导向精度的主要因素之一，导轨的刚度是在外力作用下导轨本身抵抗变形的能力，主要取决于导轨的形式、尺寸与支撑件的连接方式及受力状况等因素[3]。因此合理进行导轨形式设计非常重要。根据结构要求，设计的导轨选用矩形导轨，因矩形导轨具有制造简单、承载能力大等特点，但简单的矩形截面无法保证滑块在导轨中高度方向的定位，在切削加工过程中可能导致整个动力头脱离导轨，将会导致十分严重的加工事故。为了解决这一问题，将矩形截面改为工字形截面。

弧形滑动导轨副由导轨、滑块、压板、间隙调整装置等组成，图1为导轨滑块系统的结构图。导轨1作为承载部件安装在机床固定座上，起导向作用；滑块6作为运动部件安装在导轨1上，进行往复运动；卡板垫片7安装在滑块6与卡板8之间，调节导轨与滑块之间上下的间隙；镶条9安装在滑块与导轨之间，通过调节螺钉3来调节左右的间隙；压板5安装在两个滑块上。压板上安装有伺服电机，减速器，刀架。

图1 导轨滑块系统结构图

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

利用Solidworks构造导轨的三维几何模型，然后导入ANSYSWorkbench建立有限元模型，在ANSYSWorkbench中设置材料弹性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-9tonne/mm3。滑动导轨采用六面体网格划分，导轨有限元模型（如图2所示）共有52161个节点，364284个单元。

2.2 施加载荷及边界条件

导轨作为异形内腔曲面加工装置的核心部件与关键受力件，根据模型的三维坐标及受力分析可知：导轨被看做是两端固定的简支梁结构，所以在导轨两端的螺钉孔处施加x、y、z方向的全约束。当滑块运行至导轨中间时，导轨所发生的挠度变形最大，所以将载荷加载在导轨的中间位置[4]。

2.3 强度分析

导轨作为本装置动力装置及刀架等的承载部件，在150N压力的作用下，最大挠度变形为0.37248mm，导轨的变形图如图3所示；最大应力产生在导轨和导轨支撑座的连接处，最大应力为166.01MPa，导轨的应力云图如图4所示。已知材料的屈服极限为355MPa，取安全系数为1.5，则导轨所承受的最大应力为236.67MPa，所以安全裕度较大。