現場銑床是用于石化裝置的現場加工設備，為了能夠適應現場較為惡劣的加工環境，需要要求現場的銑床加工在滿足性能、精度等條件下，設備的質量和體積應盡可能最小。銑床由于橫梁部件剛度不足在加工中工件表面產生波紋狀刀痕，會對加工精度和表面質量造成影響。本研究借助CosmosWorks有限元分析軟件，建立銑床有限元模型，對主要移動部件進行靜、動態性能分析，提出對銑床結構合理的改進方法。
      采用Solidworks軟件建立現場銑床的三維實體模型。主軸箱的重力及懸臂產生的扭矩Ｍ直接作用于橫梁，使得橫梁扭轉變形，所以橫梁為現場銑床的關鍵部件，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。圖為現場銑床橫梁的實體模型。
      銑床橫梁為鋼板的焊接結構，因此各個焊點均作為模型的剛性節點，將主軸箱簡化為和實際結構基本重量一致的箱形結構，考慮到主軸箱與滑板的接觸變形遠小于橫梁的變形，所以滑板與主軸箱的接觸面定義為剛性接觸。
      對橫梁的實體模型導入CosmosWorks有限元軟件中，建立有限元計算模型，網格采用實體單元進行劃分，單元數目為17256，節點數目為9352，自由度數目為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的節點的各個方向的自由度，即固定與螺栓位置相對應節點的各個自由度來實現對橫梁的約束。橫梁受力為主軸箱的重力和銑削力，橫梁的最大變形量發生在主軸箱運行到橫梁中間位置時。圖為劃分網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，實測加工時為(0.15-0.20ｍｍ)左右，分析結果與實際加工的誤差基本一致，遠大于工件0.06ｍｍ的平面度要求。圖為原結構位移云圖，對銑床進行有限元模態分析，可以明顯表現出機床動態特性為圖的第一、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，會嚴重影響零部件的加工精度。因此要對橫梁的結構進行改進。
      從以上分析可知，橫梁的剛度不足是影響變形的主要原因。在橫梁改進設計中，考慮到機床的工作環境等方面因素，改進時對橫梁基本結構不作大的變動，為提高橫梁抗扭剛度采用了對角筋板抗扭理論，將橫梁內部的筋板改為Ｘ型，為了充分發揮縱向筋板的抗扭性能，筋板布置角度應盡量與水平面成45°和135°的方向，改進的方案如下：
      (1)將筋板數量由原3塊變為5塊，厚度由10ｍｍ增加到15ｍｍ；
      (2)在橫梁內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)橫梁內部新增Ｘ型筋板，厚度為15ｍｍ，寬為30ｍｍ，改進后的結構見圖。

                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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