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精準回轉工作臺五軸聯(lián)動(dòng)機床有限元結構分析

航空發(fā)動(dòng)機作為飛機的動(dòng)力裝置,是飛機的“心臟”,按照不同的使用要求應具有安全性、可靠、綠色、環(huán)保、長(cháng)壽命、易維護等特點(diǎn),因此航空發(fā)動(dòng)機零件制造對加工設備要求較高,不同材料、不同結構的發(fā)動(dòng)機零件需要的加工設備不同,總體上對加工設備的要求為高精度、高剛性、高穩定性、多功能和易維護…。隨著(zhù)數字化制造技術(shù)、信息化技術(shù)的發(fā)展,數控深孔鉆加工機床廣泛應用于航空制造領(lǐng)域,選擇加工航空零件的數控機床設備,首先要考慮加工零件的結構特點(diǎn)、尺寸精度要求和零件材料特性。葉盤(pán)、葉片加工設備通常采用精準五軸聯(lián)動(dòng)加工中心,能夠在一臺精準五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上完成葉片型面和榫頭的全部加工任務(wù)[2-31�;剞D工作臺數控五軸聯(lián)動(dòng)機床是用于加工飛機發(fā)動(dòng)機葉片的關(guān)鍵設備,在機床的設計過(guò)程中,有必要采用有限元分析技術(shù)對機床整體結構進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能計算,保證機床加工葉片的高精度和穩定性。

1、有限元模型建立
根據機床各大件結構情況,采用殼結構(Shell model)和實(shí)體結構(Solid model)混合建模方式建立整機的有限元模型,對機床進(jìn)行結構靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計算[410 CAE建模過(guò)程完全采用ANSYS命令流控制,這樣既可以提高計算精度,同時(shí)又能采用批處理方式處理多種分析工況,提高工作效率。立柱和底座是由薄板焊接成的結構件,所以在有限元建模時(shí)用二維板殼單元建模;主軸頭為復雜的鑄造結構件,采用三維實(shí)體單元處理。為提高計算精度,在需要建立位移協(xié)調關(guān)系的導軌接觸部位的實(shí)體部分用六面體單元劃分網(wǎng)格,圖1為參數化后的立柱殼結構模型與有限元網(wǎng)格。
深孔鉆
 
將立柱、底座、主軸頭三獨立部件在CAE環(huán)境下按照機床裝配關(guān)系進(jìn)行組裝,立柱與底座、主軸頭與立柱之間的結合面采用彈性單元進(jìn)行連接,滑塊和導軌均簡(jiǎn)化為彈性單元,之間建立位移耦合連接關(guān)系,以此方式完成機床整體有限元模型的集成(圖2),模擬立柱一底座、立柱一主軸頭之間結合面約束關(guān)系,實(shí)現作用力的準確傳遞。


ANSYS提供APDL(ANSYS Parametric Design Language)命令流編程方式編寫(xiě)分析文件,借助APDL,可實(shí)現結構快速建模、參數化批量化有限元計算;并適應結構的變化,通過(guò)修改其中的參數,快速生成新的結構,之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載、求解,完成結構的再分析,通過(guò)綜合比較這些方案的分析結果,就能發(fā)現結構改進(jìn)的方向。如深孔鉆立柱參數可分為形狀參數和厚度參數,形狀參數定義了結構的拓撲外觀(guān),厚度參數用來(lái)給面單元賦值。圖3為通過(guò)參數輸入建立的3種立柱模型。


2、機床靜載荷條件下的性能分析
計算采用4種工況進(jìn)行,沿x、y、z三加工方向分別施加最大推力,定義為工況l、2、3;最后三方向綜合施加最大推力,定義為工況4。應用工況1、2、3的
計算結果,可計算出機床沿x、y、z各加工方向的剛度,由此可判斷機床各加工方向的剛性強弱,以此作為機床性能改進(jìn)的一種手段,圖4為機床x向施力圖及變形。
表1的計算數據表明:X/Y/Z 3個(gè)加工方向的剛度分別為189N/um、379N/um、510N/um,可見(jiàn)該機床最低剛度在戈坐標方向,最高剛度在z坐標方向。若要對機床進(jìn)行剛性加強,首選目標是加強X方向的剛性。

3、深孔鉆機床的模態(tài)計算
模態(tài)分析的目的是通過(guò)計算固有頻率和振型對結構設計提供參考,當激振力頻率接近某一固有頻率時(shí),結構將發(fā)生共振。因此若激振力頻率不可改變,只有通過(guò)改變設計使結構固有頻率避開(kāi)激振頻率。
固有頻率與振型代表結構的內在本質(zhì)特性,計算結果與邊界條件定義有關(guān),與外力無(wú)關(guān)陋J。為加快計算速度,一般需要對分析模型進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化,處理過(guò)程需要豐富的分析經(jīng)驗。加工過(guò)程中機床部件之間都存在位置間的相對運動(dòng),對于某一感興趣的位置進(jìn)行靜力分析時(shí),通過(guò)對運動(dòng)部件間接觸表面施加有限節點(diǎn)的位移耦合建立邊界條件來(lái)分析,這樣做不會(huì )影響靜力分析結果的準確性,因為靜力分析中接觸面間的相對滑動(dòng)只是增加部件間的剛體位移,對變形和應力值沒(méi)有影響。
 
4、主軸系統處于Y向不同加工位置對機床性能的影響分析
機床主軸沿高度方向處于不同的加工位置時(shí),機床性能可能有較大差別,如表3所示。圖6為主軸沿y坐標從上往下所處的3個(gè)加工位置,從靜力和動(dòng)態(tài)計算角度分析各加工位置機床性能。
可見(jiàn),隨著(zhù)機床加工位置的變化,機床性能指標也有很大變化。當主軸在深孔鉆床立柱底部加工時(shí),機床動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能最好,機床剛度是主軸處于頂部時(shí)的3倍左右,頻率值也提高很多。因此當加工葉片時(shí)盡量安排在立柱底部進(jìn)行。

5、結束語(yǔ)
     對回轉工作臺數控五軸聯(lián)動(dòng)機床進(jìn)行有限元分析,過(guò)程包括幾何模型簡(jiǎn)化處理、焊接結構零件的板殼結構參數化、結合面約束方式等建立有限元模型關(guān)鍵技術(shù),并對整機進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)結構計算。
(1)靜力下的剛度計算數據表明:X、Y、Z3個(gè)加工方向,最低剛度在x坐標方向,數值為189N/um;最高剛度在z坐標方向,數值為510N/um。該機床沿x方向剛度最低,若要對機床進(jìn)行剛性方面加強,首選目標是加強該方向的剛性,如可采用加厚立板的方式加強剛性。
(2)模態(tài)計算結果表明,機床初階頻率為41.128Hz,振型沿立柱x方向,證明該方向為機床最低剛度方向,該結論與靜力下的計算結果完全一致。因此模態(tài)分析結果對提高機床的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)剛度均可提供有益參考。
(3)為研究主軸頭運動(dòng)對機床性能的影響,分別計算了主軸頭位于立柱頂部、中部、底部3個(gè)位置時(shí),自重下機床的變形規律。研究表明,主軸頭位于頂部時(shí)機床變形最大、剛度最低、初階固有頻率最低�?梢�(jiàn),隨著(zhù)機床加工位置的變化,機床性能指標也有很大變化。當主軸在立柱底部加工時(shí),機床動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能最好,深孔鉆機床剛度是主軸處于頂部時(shí)的3倍左右,頻率值也提高很多。
本文導讀:精準,回轉,工作臺,五軸,聯(lián)動(dòng),機床,有限元,結構,分析,航
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