闭式静压导轨结构静动态性能分析

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10机械 设 计 与制 造Machinery Design & Manufacture第 1O期2013年 l0月闭式静压导轨结构静动态性能分析李 松，宋锦春，任广安，蔡 衍(东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 1 10819)摘 要：闭式液体静压导轨是高精密车床的重要元件，用 Solidworks建立精密机床导轨的关键零部件的实体模型，并且利用Workbench对其进行了有限元分析，其中包括静态性能分析和模态分析。静态性能分析得到导轨零件在工作状态下的受力变形云图和应力分布云图，获得零件的最大变形量和最大应力值；模态分析得到了导轨零件各阶的固有频率和振型，分析结果显示各个导轨零件的各阶固有频率均远远大于机床工作的固有频率，能有效避免“共振”现象的发生，能有效满足机床的使用要求。

关键词：闭式静压导轨；Workbench：静态分析；模态分析中图分类号：THl6 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0010—03Performance Analysis on Closed Hydrostatic GuidewayLI Song，SONG Jin—chun，REN Guang-an，CAI Yan(Schod of Mechanical Engineering&Automation，Northeastern University，Liaoning Shenyang 1 10819，China)Abstract：The closed hydrostatic guideway is an important componentfor high-precision lathe．The models ofits key parts areestablished by using Solidworks$ofiware，and the finite element analysis，including static analysis and modal analysis areobtained by using Workbench．／n addition，maximum deformation and stress value o．re gotfrom deformation map and stressdistributionmap underworking conditionduring static analysis，and naturalfrequency andvibrationmode are obtainedduringmodal analysis．What is more，naturalfreqnency ofthese keyparts is si~ifcantly larger than the one during lathe working，andtherefore resonance wil not happenandthey satisfythe demandsforlathe.

Key Words：Closed Hydrostatic Guideway；W orkbench；Static Analysis；Modal1引言“HTC3250~n精密数控车床和车削中心”是国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题之一，目标是设计制造出具有国际领先水平的系列高档精密数控车床和车削中心。精密数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，它具有广泛的加工工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。除可以进行一般车削外，还可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工。

高精密车床采用闭式液体静压导轨支承。静压导轨要求零件本身有足够的刚度，以免在压力油的作用下由于零件的变形而影响静压效果。在精密加工中，对导轨零件的刚度和导轨的动态性能要求较高。针对静压导轨部分进行分析研究，导轨主要包含滑动滑板、固定滑板和底座部分。

2静态性能分析HTC3250~n精密数控车床和车削中心的z轴导轨材料采用 40Cr，在 Workbench中设置材料属性参数如下。

弹性模量E=206000MPa，泊松比g-0．28，密度p=7820k~m 。

结构设计中允许零件或构件承受的最大应力值，许用应力[ ]=o5／[s]=785／2．2=356．8MPa。

选择Hex Dominant单元，即采用四面体与六面体结合的方式进行网格划分，单元平均尺寸 Element size设定为 5mm，网格划分结果，如图 1所示。生成 59403个单元和 225934个结点。

由图2可知最大变形位置在靠近导轨边缘的主油腔处，由于靠近边缘，又同时受到三个方向的载荷，最大的变形量为0．00041746mm，不会影响导轨的正常运行，满足设计要求。

来稿 日期：2012—12—01基金项目：国家十一五机床重大专项(20092X04001—053)作者简介：李 松，(1987一)，男，江苏徐州，在读博士研究生，主要研究方向：机电液一体化；宋锦春，(1957一)，男，辽宁沈阳人，博士，教授，主要研究方向：机电液一体化图1滑动滑板几何模型的网格划分Fig．1 Mesh of Slider第 10期 李 松等：闭式静压导轨结构静动态性能分析 1 1图 2滑动滑板静态受力总变形Fig 2 The Static Deformation Map('f'Slider如图3所示，从导轨巾间部分向两端的庖力伉逐渐增大，并且主要分布在同油槽附近，最大应力位 锘近导轨边缘的回油槽处。另外，矩形油腔的四个直角处应力俩较周闹大．回油槽处的最大应力值为 5．1】84MPa，远小于导轨的许朋应力值，符合设计要求。由于滑板是运动的，所以作用在导轨㈣定滑板和底座上的载荷位置是随着导轨的运动而发生变化的。墩两个具有代表性的位置分别进行仿真分析：(1)导轨处于滑板的外边缘他置；(2)导轨处于滑板的中间位置。上述两种情况对导轨滑板干¨憾 部件施加约束条件和载荷，如图 4、图5所示。

图3滑动滑板静态受力应力分却云图Fig3 Stress Distribution Map of Slidel图4外边缘位置的约束条件相I裁简Fig．4 Constraint Conditions and l,oads on External Rin图 5中间位置约束条件和载简Fig．5 Constraint Conditions and Loads in lhe Middle如图6、 7所爪，导轨处 J：滑板的外边缘位置和中间位置时，最犬变形均发生 滑板的 I 边缘处。而对导轨精度影响比较大的是与油膜接触的受力叫l-fl 变形，从图中可以看出运行过程f】受力面上的最大变形为 0．0064839mm，能够满足设计要求。

图6滑板外边缘f 静念受力总变形图Fig．6 The Statit·1)efiirmation Map on External Rim图 7滑板的lII问f证镫静怎受力总变彤图Fig．7 Fhe Statit·I)cfo~n~ation Map in the Middle3模态分析滑动滑板的4阶 频率及 应的振型分析，如表 1所示。

导轨的各阶模态振型，如 8所示(省略 3阶和 4阶模态振型)。

机床加T最大转速 8000r／~llil '附动滑饭的一阶、二阶同有频率都远远大丁机床T作频率 J 331tz，所以能满足机床T作需要。固定滑板和底座部件的六阶?lf】。顿牢技卡H应的振型分析，如表2所示。

各阶模态振型，如罔9所爪(竹略 5阶和6阶模态振型)。固定滑板和底座部件的前两阶?有频牢都远远大于机床 r作频率，能有效避开共振点，能满足机床 l：作需要。

表 1滑动滑板的模态分析结果Tab。1 Analysis Results on Slider阶次 固有频率LHz] 振型描述(a)第 -I，介模态振12 机械设计与制造No．10Oct．2013(1 )第二阶模态振型图8导轨的各阶模态振划Fig．8 Modal Shape of’Giddeway表 2固定滑板和底座部件的模态分析结果Tab 2 The Results on Modal Analysisof Fixed Slider and Base阶 固有频次 率[Hz] 振型描述(a)第一阶模态振型(b)第二阶模态振型(c )第三阶模态振(d)第四阶模态振型图 9导轨滑板和底座部件的各阶模态振型Fig．9 Mental Shapes of Slider and Base4结论通过导轨零件的静力分析得到静态下导轨滑动滑板的最大变形为 0．00041746mm，固定滑板最大变形为 0．0064839mm．能满足导轨精度要求；模态分析得到各个导轨零件的各阶固有频率均远远大于机床1 作的固有频率，能满足机床动态性能要求。

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