CK30L数控车床床身的静力分析

张南媚　赖玉活

摘 要：本文是以CK30L数控车床床身为研究对象，首先床身是整体式床身，再利用UG建模，导入ANSYS Workbench中，并对模型结构进行静力分析。根据静力分析结果，得到床身的等效应力分布图，总体变形和各方向变形图，即可以分析床身的结构是否满足强度和刚度的要求。理论证明，对床身进行静力分析，可以为床身的设计提供有力的依据。

关键词：整体式床身；ANSYS Workbench；静力分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.112

0 前言

机械制造业是发展较快的行业，数控车床是其不可缺少的基础设备之一。因此，数控车床不管是在加工精度，刚度，抗振性，稳定性等方面都是在不断地提高。本文以CK30L数控车床整体式床身作为研究对象，应用有ANSYS Workbench对其进行静力分析，找出最大变形处和最大应力。经过静力分析，指导如何在结构上改进，以提高床身的稳定性和整体性能。

1 整体式床身模型的建立

1.1 整体式床身几何模型的建立与简化

本文是采用三维建模软件UG建模，建好床身模型之后，需要对模型进行简化，也就是要剔除一些如螺栓孔、倒角等细小结构，因为这些细小结构只是对分析时间长短有影响，而对所要的分析结果并没有多大影响。如图1所示。

1.2 材料属性的确定

本文所研究的整体式床身采用HT250灰铸铁铸造成型，外形尺寸（长×宽×高）：1155×910×1040。床身材料属性如下表1所示。

1.3 单元选择及网格划分

对于此整体式床身来讲，选定六面体网格（精度较高、运算时间短）进行划分。网格大小设置为15mm，生成单元节点数389468，共99079个单元。

1.4 施加床身边界条件与载荷

整体式床身除了受来自进给系统、主轴箱以及自身的重力外，也受到间接切削力的作用，受力比较复杂。

（1）切削力计算。在切削的过程中，工件作用在切削刀具上的合力可分解为Fc—主切削力，Fp—背向力；Ff—进给力，

可以适当扩大各分力来保证安全可靠性，即2000N，1500N，1000N。

（2）床身受力计算。在三维建模软件UG当中，设置进给系统，主轴箱的材料密度，得出它們质量分别为90kg，102kg。所以它们对床身的作用力分别为各自的重力G1=900N、G2=1020N，加载到各自的支撑点。

切削力施加在整体式床身上，根据受力情况和静力平衡方程，计算出两个力矩M1=350N.m，M2=613N.m。

2 整体式床身的静力分析

通过Workbench对床身模型进行静力分析，求解计算后得到在载荷作用下的床身的等效应力分布图，如图2所示。

从图2中可以看出，整体式床身的等效应力最大值为5.23×106Pa，即5.23MPa。而床身的材料为HT250，最低抗拉强度为250MPa，远远大于床身的最大应力值，其安全系数值为250/5.23=47，因此只要是正常的加工工作下，此床身都能满足设计需求。

整体式床身在正常工作下的变形结果如表2所示。

从表2中可以看出，床身在受力作用下整体变形与应力分布基本一致。最大变形位移值是1.073×10-5，这个数值小于给定的最大变形位移值，因此床身的刚度满足设计需求。

3 结论

本文主要是对CK30L数控车床床身进行有限元静力分析，验证了床身模型结构的强度和刚度都满足需求，而且具有较强的抗变形能力。可利用先进的结构优化方法，在满足强度和刚度的条件下，对床身进行合理优化，降低成本，提高床身的整体性能。

参考文献：

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基金项目：本文系柳州科技开发计划“高速高精度数控车床的研制”（基金编号：2015C010303）的阶段性研究成果。

作者简介：张南媚（1993-），女，安徽亳州人，硕士研究生，主要从事数控机床开发与研究。endprint