异形内腔曲面加工装置导轨的结构设计与优化

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摘要：根据设计要求对异形内腔曲面加工装置导轨结构进行设计，建立了三维几何模型，然后利用ANSYSWork-bench对其进行了有限元建模，并进行了强度分析，得到了导轨的最大挠度变形与最大应力。最后对导轨的截面尺寸进行了结构优化，优化后模型的静态特性较之前有了很大的改善，优化后的结果满足设计要求，在满足强度的要求下，降低了导轨的最大变形，减轻了导轨的总质量。

关键词：导轨；有限元；强度分析；结构优

化

异形内腔曲面加工装置导轨的结构设计与优化

中北大学机电工程学院

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导轨的刚度主要取决于在载荷作用下，运动着加工工件的精度，

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2导轨有限元模型

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。郑福祥范国勇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中设泊松比μ＝０．３，密度ρ＝７．８５×置材料弹性模量Ｅ＝２×１０５ＭＰａ，

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。

1-主导轨2-沉头螺钉3-调节螺钉4-调节垫片5-压板

6-滑块7-卡板垫片8-卡板9-镶条

图1导轨滑块系统结构图

作者简介：郑福祥，男，1988年生，硕士研究生，主要研究方向为

飞行器计算机辅助设计。

图3导轨变形云图

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2014年第8

期

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图6

图4导轨应力云图

３结构优化

利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ进行结构优化，采用线形静力结构分析，将导轨的截面尺寸（如图５所示）及作用在导轨上的外部载荷作为输入参数，质量、等效应力及整体变形作为优化的输出参数［５，６，７］。优化后的结果如表１所示。

４结论

校核后的应力云图

４．１根据设计要求对异形内腔曲面加工装置导轨的结构进行了设计，经分析可知导轨采用工字型结构更加具有实用性。

４．２利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对导轨进行有限元建模，并进行强度分析，得出导轨的最大变形与应力云图，最大变形为０．３７２４８ｍｍ，最大应力为１６６．０１ＭＰａ，由材料的强度极限可知，导轨的安全裕度较大。

４．３利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对导轨的结构尺寸进行优化，采用线形静力结构分析，优化后导轨的静态特性有了很大的提高，经强度校核后符合设计要求。

参考文献：

[1]叶旭明.一种针对复杂内曲面磨削装置的研究与设计[J].制造技术与机床，2005（1）：43-44.

[2]屈重生，伍良生，肖毅川，张仕海.机床导轨技术研究综述[J].制造技术与机床，2012（1）:30-36.

[3]许贤泽.精密机械学基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.10.

[4]温雪龙.桁架式机床中桁架结构的动静态特性研究[D].东北大学，2010.6.

[5]李兵，何正嘉，陈雪峰.ANSYSWorkbench设计、仿真与优化[M].北京：清华大学出版社，2008.

图5

导轨横截面尺寸参数

[6]凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYSWorkbench13.0从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012.

[7]李逵.大跨度柔性机翼模拟梁的结构设计及其优化[D].西安：西安电子科技大学，2013.

由分析结果可以看出优化４较其他方案更具有可行性，将优化４重新建模进行强度校核，结果最大应力为１２７．５４ＭＰａ，符合材料的强度要求，其应力云图如图６所示：

表1优化后的结果

w1w2w3t1t

2

t3最大变形（mm）最大等效应力（MPa）总质量（kg）

原尺寸优化1优化2优化3优化4优化5

363034363034

303034303034

303030323232

101010101010

101010101010

121010121212

0.372480.39480.371220.340230.338350.33453

9.28079.48.5418.31278.44877.6822

9.19888.25549.19889.48198.77439.7177

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