基于机床刚度的滑轨联接面性能分析.pdf

第 1 l 期 2 0 1 3年 1 1月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M od ul a r M a c h i ne To o l＆ Au t o ma t i c M a n uf a c t u r i n g Te c h ni qu e NO． 1 1 NO V ．2 01 3 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 1 1 0 0 0 1 0 4 基于机床刚度的滑轨联接面性能分析 马雅 丽 ， 叶志明 ， 孙 守林 ， 申会鹏 大连 理 工大 学 机 械 工程 学院 ， 辽 宁 大连 1 1 6 0 2 4 摘 要 采 用有 限元 法对 平床 身数 控 车床 进 行 了静 态性 能 计 算。 基 于位 移 场 结果 ， 对 比分析 了矩 形 滑 轨 和燕尾 形 滑轨 的位 移特性 ， 研 究 了滑轨联 接 面静 态性 能与 机床 刚度 的 关 系。考 察 了两种 截 面构 型 滑轨的接触面分布规律 ， 统计出其有效接触面百分 比。结果表 明， 燕尾形滑轨机床 X ／ Y向刚度均 高 于矩形 滑轨 。矩 形滑 轨有 效接 触 面积 百 分 比为 4 5 ． 9 ％ ， 燕尾 形 滑轨 为 1 5 ． 6 ％ ， 矩 形 滑轨 的 载荷 分 布 比燕尾 形滑轨 要 均 匀。 关键 词 滑轨 联接 面 ； 刚度性 能 ； 位移 特性 中图分 类号 T H1 1 4 ； T G 6 5 9 文献标 识码 A Re s e a r c h o n Sl i d e wa ys Char a c t e r i s t i c s Ba s e d On M a c h i ne To o l St i ffne s s MA Ya l i ，YE Z hi mi n g，S UN S h o u l i n，SHEN Hu i p e n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Da l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 4，C h i n a A b s t r a c t T h e s t a t i c p e r f o r ma n c e o f a h o r i z o n t a l l a t h e i s c a l c u l a t e d b y me a n s o f F E M F i n i t e E l e me n t Me t h o d ．Ba s e d o n t h e d i s p l a c e me n t f i e l d，t h e d i s p l a c e me n t c h a r a c t e r i s t i c s o f t wo k i n d o f s l i d i n g g u i d e s wi t h c r os s s e c t i o n o f r e c t a n g l e a n d d o v e t a i l i s a na l y z e d．Th e r e l a t i o n s h i p o f s t a t i c p e r f o r ma n c e of t h e s l i d i n g j o i n t s u r f a c e a n d t h e s t i f f n e s s o f t h e ma c h i n e t o o l i s s t u d i e d ．Th e d i s t r i b u t i o n o f j o i n t s u r f a c e ’ S c o n t a c t a r e a o f t wo k i n d o f s l i d i n g g u i d e s i s i n v e s t i g a t e d a n d a ’ s t a t i s t i c s o f t he p e r c e n t a ge o f t h e e f f e c t i ve c o n t a c t a r e a i s ma d e ．T h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t ，f o r t h e s l i d i n g g u i d e j o i n t o f s a d d l e s l i d e p l a t e ，t h e X／ Y t wo a x i s s t i f f n e s s of t h e ma c h i n e t o o l wi t h do v e t a i l g u i d e i s h i g h e r t ha n t he ma c h i ne t o o l wi th r e c t a n g ul a r g u i d e． Th e p e r c e n t a g e o f t h e e f f e c t i v e c o n t a c t a r e a of r e c t a n g ul a r gu i d e i s 4 5． 9％a n d a t t h e s a me t i me t he va l u e of t h e d ov e t a i l g u i d e i s 1 5． 6％ ．t h e l o a d d i s t r i b u t i o n o f t he r e c t a n g u l a r gu i d e i s mo r e u n i f o r m t ha n t h e d o v e t a i l g u i d e ． Ke y wo r d s s l i d i n g g u i d e j o i n t s u r f a c e；s t i f f n e s s c h a r a c t e r i s t i c；d i s p l a c e me n t c h a r a c t e r i s t i c s O 引 言 机 床为了实现一定的运动功能 ， 零部件之间是 由联 接 面 组 合起 来 的 。联 接 面分 为 固定 联 接 面 如 螺栓 联 接 、 半 固定 联 接 面 如 摩 擦 离 合 器 和 运 动 联 接 面 如 滑动 导 轨 、 滚 动 导轨 。 由 于联 接 面 存 在 着接触刚度和接触阻尼 ， 联接 面与机床的静动态特 性存 在 着 十分 密切 的关 系 ， 对 于 高 精 度 机 床 设 计 更不 能 忽 略 联 接 面 的影 响 。 因此 ， 机 床 联 接 面 性 能 分 析 ， 研 究 联接 面性 能 与机 床 整 机 性 能 的影 响 关 系 显 得尤 为 必 要 。 滑 轨 联接 是 机 床 中常 见 的 运 动 联 接 面 形 式 之 一 。许 多 学 者 对 机床 滑 轨 联 接 面 进 行 了研 究 分 析 。 H S E Y I N F I L l 等 人 用 二 维 滑 轨模 型对 滑轨 结 构 进 行 了简 化 ， 采 用 有 限元 方 法 对 矩 形 滑 轨 、 三 角 形 滑轨 进 行 了静 力 位 移 场计 算 ， 得 到 滑 轨 联 接 面 的变 形及载荷分布 。张 广鹏等 基于结合 面动态 基础 特性参数 ， 研究 了导轨结合部动态特性 的建模解析 方法 。张 学 良 基 于 分 形 理 论 建 立 了 机 械 结 合 面 接触 刚度 的 分 形 模 型 。王 世 军 等 基 于 结 合 面 特 性参数 ， 提出机床导轨结合部特性仿真分析 的有 限 元 方法 。王 维 友 分 析 了 影 响 滑 动 导 轨 动 态 性 能 的主要 因 素 ， 确 定 了 滑 轨 动 态 试 验 研 究 内容 和 方 法 。上述 研 究集 中在 滑 轨 联 接 部 的 等 效 处 理 、 计 算 以及 性 能 参 数 的试 验 提 取 ， 缺 少 对 滑 轨 联 接 面性 能 分 析 的研 究 。 本 文对 两种 滑截 面构 型 的 滑轨 联 接 面进 行 静 态 性 能计算 ， 对 滑轨 联 接面 的位 移特 性 进行 了分 析 ， 从 联 接 面的位移 特性 找 出联 接 面刚度 与机 床 刚度 的关 系， 为滑轨联接面设计提供了依据。 收稿 日期 2 0 1 3 0 31 7 ； 修 回日期 2 0 1 3 0 40 2 基金项 目 国家科技重大专项 2 0 1 2 Z X 0 4 0 1 0一O 1 1 作者简介 马雅丽 1 9 6 3 一 ， 女 ， 满族 ， 辽宁鞍山人 ， 大连理工 大学机械工程学 院副教授 ， 硕士生导师 ， 博士 ， 主要从事 机械系统创新设计理 论 及方法研究等 ， Em a i l m y l d l u t ． e d u ． e n 。 2 组合 机床 与 自动 化加 工技术 第 l 1期 l 滑轨联接截面构型 机床 滑轨 的作 用 是 导 向和 承 载 ， 引导 运 动部 件 沿 一定轨 迹 准 确 地运 动 ， 并 承 受 运 动 部 件及 其 上 安 装件 的重 量 和切削 力 。 滑轨 联接 的截 面构 型指 滑 轨纵 向横截 面上 所 具 有 的不 同形 状 。机 床 滑 轨 联 接 面 有 多 种 不 同 的 构 型 ， 常用 的 有 矩 形 滑 轨 、 三 角 形 滑 轨 和燕 尾 形 滑 轨 等 ， 如表 1 所示 。 表 1 滑 轨 截 面 构 型 名称 滑轨截面图 备注 ／C A ． 同 定 部 件 矩形 B ． 移动部件 C ． 滑 轨 面 I 扫 角 形 c A． 固定部件 B ． 移动部件 C ． 滑 轨 面 燕 尾 形 堡i 曼 J _ 。 A ．固 定 部 件 B ．移 动 部 件 C ． 滑轨面 2有限元静力计算 为分 析 不 同滑 轨截 面 构 型 的静态 性 能 以及 对 机 床 性能 的影 响 ， 本 文采 用有 限元 方法 ， 以平 床身 数 控 车床为 例 ， 分 别分 析矩 形 和燕 尾 形 滑轨 的静 态 性 能 。 基 于静力 计 算 结 果 ， 分 别 提 取 机 床 敏 感 位 置 的位 移 数 据进行 性 能分析 ， 得到 机床 静态刚 度 。 2 ． 1 平 床身数 控 车床 平床 身数 控 车 床 主要 由 床 身 、 床 鞍 、 横 滑 板 、 刀 架 、 刀 架 底 座 、 主轴 箱 和 尾 座七 大 支 承 部 件 组成 ， 其 结 构 模 型 如 图 1所示 。在数 控 车 床 加 工 过 程 ， 主 轴 箱 固定 ， 工件 由三 爪 卡盘夹 紧并 旋转 ， 横 滑板 沿 着 床 鞍 向运动 ， 床 鞍沿床 身 z 向运 动 。 图 1平 床 身 数控 车床 2 ． 2床 鞍横滑 板 实体 模型 平床身数控车床共有三处滑轨联接 面， 分别为 床身一尾座联接 面、 床身一床鞍联接 面和床鞍一横 滑板联接面。选取床鞍一横滑板联接面作为主要分 析对象 ， 床鞍横滑板实体模 型如图2所示。 车 床床 鞍 与横 滑 板 的滑 轨 连 接 ， 常 用 的 截 面 构 型有矩形 滑 轨和 燕尾 形 滑轨 。对 床 鞍一 横 滑板 实 体 模 型分 别采 用 矩 形 滑 轨 和 燕 尾 形 滑 轨 联 接 ， 共 进 行 两 次有限元 静力计 算 。截面 构型如 表 2所 示 。 横滑板 Z 图 2 床 鞍一横 滑板实体模型 表 2横滑板一 床鞍 滑轨截面构型 名称 滑轨截面图 备注 z A ／ ， ∥ l A ． 横 滑 板 矩 形 滑 轨 皇 - _ 一 B ． 床 鞍 0 ／ z A r＼ 、 ＼ 0 、 A ．横滑板 燕尾形 B ． 床鞍 滑轨 为保证分析结 果准确 性 的 同时提高 计算 效率 ， 床 鞍、 横滑板、 刀架底座和刀架细节结构进行简化， 如倒 角 、 圆角及 小尺寸 螺栓 孔 。床 鞍 、 横 滑板 、 刀架 底座 和 刀架为铸造件 ， 其材料为灰口铸铁 H T 3 0 0 ， 弹性模量为 1 ． 51 0 E l 1 P a ， 泊 松 比为 0 ． 2 5 ， 密度为 7 4 0 0 K g ／ m 。 2 ． 3 边界 条件 零件 的边界 条件 提取 与 等 效直 接影 响有 限 元 的 静 力计算 结果 准确 性 。边界 条 件 分为 约束 边 界 条件 和 载荷边 界条件 。约 束 边界 条 件指 分 析对 象 自由度 的限制情 况 。载荷边 界 条件 指 分 析对 象承 受 载 荷 的 情 况 。 床鞍 与床 身的滑 轨联接 面 约束 了床 鞍 的 Y ／ Z向 自由度 ， 对 其 施 加 Y ／ Z 向位 移 约 束 。床 鞍 与 床 身 丝 杠 的联接 面约 束 了床 鞍 的 向 自由度 ， 对 其 施 加 x 向位移 约束 。 载荷 边界条 件为 车 床在 切 削试 验工 况 下 承 受 的 切 削载荷 。 选择 横 滑 板 位 于床 鞍 中间 位 置 工 况 ， 根 据 切削力 经验公 式 进 行计算 ， 得到 切削 载荷 如 表 3 所 示 表 3 切 削载 荷 N 矩 形 燕 尾形 x向 载荷 4 5 6 0 4 5 6 0 Y向载荷 5 8 6 0 5 8 6 0 z向载荷 一I 3 0 0 0 一l 3 0 0 0 2 ． 4计算 结果 有 限元静力 计算 是分 析 研 究对 象在 静 态 载 荷作 用 下 的位移 和应 力 。用 A N S Y S分 析软件 完成 床鞍横 滑板的边界条件设置、 载荷 的施加 ， 对其进行静力计 算 。本文 主要 对 机 床 位 移 场 进 行 数 据 提 取 ， 位 移 场 如 图 3所示 。 组 合机床 与 自动化加 工技 术 第 l 1期 4 ． 1 滑轨 联接 面接触 面分 布规律 接触 面 分 布 规 律 的实 质 是 传 递 载 荷 面 积 的 分 布 。滑轨 联 接 面 承 受 载 荷 时 ， 不 同 区 域 具 有 不 同 的 接 触状 态 。接 触状 态 分 为 分 离 F a r O p e n 、 分 离 接 近 接触 N e a r C o n t a c t 、 粘 接 接 触 S t i c k i n g 和 滑 动 接 触 S l i d i n g 四种 。分 离 状 态 指 联 接 面 不 产 生 接 触 ， 处 于分离 状态 。分离 接 近接 触 指联 接 面分 离 ， 但 接近 接触 状 态 。 粘 接 接 触 状 态 指 联 接 面 产 生 接 触 ， 摩擦 力 小 于 其 极 限 值 。滑 动 接 触 状 态 指 联 接 面 产 生接 触 ， 摩 擦力 等 于其 极 限值 ， 联 接 面间 产生 相 对 滑 动 。 基 于有 限元 静 力 分 析 结 果 ， 提 取 矩 形 和 燕 尾 形 滑 轨联 接面 在 切 削 载 荷 下 的 接 触 状 态 分 布 图 ， 提 取 位 置 如图 6所 示 。 图 6提 取 面 位 置 图 7为两种滑轨联接 面在切削载荷下 的接触 面分 布规律 ， 分析如下 ①矩 形滑轨的接触面 主要分 布在后 端 上滑轨 面 ， 前端 下滑轨面有少 量分布 ， 能有效承 受 y 向载荷。由于下滑轨面能提供的接触面积较小， 这样 的接触分布规律在承受 向转矩时容易发生绕 轴 的翘曲变形 ， 下滑轨面成为薄弱环节。②燕尾形滑轨 后 端上滑轨 面与前端 斜面 均有 接触 面分 布 ， 能 提供 足 够的接触 面积 有效 抵抗 向转 矩 。③ 矩形 滑轨 与燕 尾 形滑轨垂 向接 触 面均分 布在 对角 两侧分 布 ， 燕 尾形 斜面在垂 向的投影 面积 与矩 形 是相 等 的 ， 两者 抵 抗 y 向弯矩与 向载荷能力相 当。 图 7滑 轨 接 触 面 分布 规律 图 由接触面分布规 律来 看 ， 矩 形滑 轨与 燕尾 形滑 轨 均能有效承受 y向载荷， 但燕尾形滑轨承受 向弯矩 能力要优 于矩 形滑 轨 附加 的绕 轴 偏转 变 形会 使 机 床 y向刚度 降低 。两者承受 向载荷能力相 当。 4 ． 2 滑轨 联接 面有效 接触面 积百 分 比 滑轨 有效 接触 面积 百分 比是衡 量 滑轨 承载 时起 承载作用面积的 比率， 反映 了滑轨面的有效利用程 度 。记有 效接 触面 积 与总 面积 的 比值 为 有效 接 触 面 积 百分 比， 分 析联接 面与机 床静 态刚度 性能 的关 系 。 有 限元计 算 中 ， 滑轨 联 接 面离 散 为若 干 的节 点 ， 计算 结果包 含 了每个 节 点 的接 触 状态 。记 接 触 面 的 节点 数与滑 轨 面的 总节 点数 比值 为有 效接 触 面积 百 分 比 ， 统计 三种 滑轨联 接面 的结果 如表 5所示 。 表 5有 效 接 触 面 积 百 分 比 名 称 有 效 接 触 面积 百 分 比 矩形滑轨 4 5 ． 9 ％ 燕尾形滑轨 l 5 ． 6 ％ 从 表 5可 知 ， 矩 形 滑 轨 有 效 接 触 面 积 百 分 比为 4 5 ． 9 ％ ， 远 高于燕 尾形滑轨 的 1 5 ． 6 ％ 。在 载荷传 递时 ， 矩形滑轨 的载荷分 布 比燕 尾形 滑轨 要 均匀 ， 滑 轨设 计 时应追求 高的有效接触面积百分 比。燕尾形滑轨 比矩 形滑轨 y向 刚度 高 的原 因 在于 矩形 滑轨 的结 构 抗 向弯矩 的能力较为薄弱 ， 对其结构进行 尺寸优化设 计 ， 能有效改善 其静态性能 ， 提高机床 y向刚度 。 5 结 论 研究 了平 床 身 车 床 的 静 态 刚 度 性 能 ， 对 两 种 截 面构 型滑 轨联接 面 的位移 特性 和 车床 X ／ Y向 刚度进 行 了分析 ， 并对 滑轨 联 接 面接触 性 能 进行 了研 究 ， 得 出以下结论 1 矩 形滑 轨机 床 向刚度 为 1 6 6 ． 9 6 N ／ m， 燕 尾形 滑轨 机床 x 向刚度 1 7 4 ． 5 3 N ／ Ix m， 两者 x向 刚度 相 当 ， 燕尾 形 滑 轨 机床 】 ， 向刚度 2 7 2 ． 3 2 N ／ lx m， 高 于 矩 形滑 轨机床 的 2 3 6 ． 5 3 N ／ p m； 2 矩形滑 轨 抵抗 向整 体 位 移 能力 比燕 尾 形 要好 ， 燕 尾形 滑轨抗 l ， 向弯矩 能 力要 优 于矩 形 滑 轨 ， 燕 尾形 滑轨抗 向弯矩 能力要 优 于矩形滑 轨 ； 3 由滑轨 接触 面分 布规律 可 知 ， 矩 形 滑轨 较 小 的下端 接触 面是其 薄弱环 节 ； 4 矩 形滑 轨有效 接触 面积百 分 比为 4 5 ． 9 ％ ， 高 于燕 尾形 滑 轨 的 1 5 ． 6 ％ ， 其 滑轨 联 接 面传 递 载 荷 更 为均匀 ， 基于 矩形结 构抗 向弯 矩 能力 不 足 ， 对 其 进 行 尺寸 优化 ， 能有效 提 高矩 形 滑轨 的静 态性 能 ， 增 加 机 床 y向刚度 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]张学 良， 徐格 宁， 温淑花．机械结合面静动态 特性 研究 回 顾 [ J ] ．太原重型机械学 院学报 ， 2 0 0 2 9 2 7 6 2 8 1 ． [ 2 ]HU S E Y I N F I L l ， A B D U L L A H A K P O L A T a n d I B R A H I MH． G J Z E L B E Y．D i s t r i b u t i o n O n M a c h i n e T o o l S l i d e w a y s [ J ] ． Ma c h i n e T o o l s Ma n u f a c t u r e ， 1 9 9 7 3 3 0 93 1 8 ． [ 3 ]张广鹏 ， 史文浩， 黄玉美．机床导轨结合部的动态特性解析 方法及其应用[ J ] ．机械工程学报 ， 2 0 0 2 1 0 1 1 4 1 1 7 ． [ 4 ]张学 良．机械结合面动态特性及应用 [ M] ．北京 中国科 学 技术 出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ]王世军 ， 黄玉美 ， 赵金娟 ， 等 ．机 床导轨结 合部 的有 限元 模 型[ J ] ．中国机械工程 ， 2 0 0 4 9 1 6 3 41 6 3 6 ． [ 6 ]王维友 ．机床滑动导轨结合 面动态特性 参数识别试验 研 究[ D] ．南京 南京理工大学 ， 2 0 1 0 ． [ 7 ]戴曙． 金属切削机床设计[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 1 ． [ 8 ]卢秉恒．机 械制造技 术基础 [ M] ．北 京 机械工 业 出版 社 ， 2 0 0 7 ． 『 9 ]G BT 1 3 5 7 4 9 2 ．静刚度检验通 则[ S ] ． 编辑李秀敏