2加工中心立柱的静动态特性分析机床的结构性能是保证机床具有一定的加工精度稳定性的基础，一台机床的基础结 构性能的好坏直接关系到其最终的加工精度、加工精度稳定性和切削效率等。为了提高 其结构性能，除了合理配置机床的部件型式外，首先要求在设计上要保证其结构有良好 的静动特性性能。当卧式加工中心处于工作状态时，会产生各种变载荷，导致机床产生 振动进而影响机床的精度和稳定性，这里首先对其静动态特性做相关分析。立柱联系床身和主轴箱，处于加工中心的中间位置，对其质量、抗振性能和刚度等 结构性能要求较高。故本章主要以立柱为研究对象，对其进行静动态性能分析。对于加 工中心的其他部件如床身、主轴箱等，也可利用此节所述思路来分析和优化，这里不再 赘述。2.1加工中心立柱的静力分析该卧式加工中心的立柱釆用整体铸造的形式，其在X方向的快速移动速度为 36m/min，竖直之后高1900mm、长890mm、宽794mm、顶板厚110mm、底板厚120mm， 左右侧壁厚度为155mm，重量为1400kg。分析立柱与其他主要部件的关系，主轴箱通过四个滑块和直线导轨正挂在立柱之 上，并通过滚轴丝杠传递的动力沿直线导轨在Y向作上下运动。床身上也有两条直线导 轨，立柱底面通过导轨上的滑块与床身连接，可沿X轴方向左右移动。虚拟装配图和实 际装配图分别如图2.2-a与2.2-b所示。 -结构的静力分析是指作用在结构上载荷是固定不变的，在这种情况下，进而计算结 构所受到的应力和产生的变形。当然，一个结构只有在非常理想的情况下才会受到固定 不变的载荷，这里将随时间变化很缓慢的载荷也看作是固定载荷。这样，在进行静力分 析时，除了约束载荷和重力载荷外，只需施加静力固定载荷2.1.1加工中心的受力分析加工中心的刀具通过对所加工的工件施加切削力进行切削过程，然后工件会对刀具 产生反作用力，刀具所受到的力通过刀柄、主轴和主轴箱（包括导轨上的四个滑块）传 递到立柱上。为了更好的模拟立柱的受力变形，工件对立柱的作用力应该利用力的等效 原则将力传递到立柱导轨上。根据高速卧式加工中心的受力特点，对其在钻孔和铣削两 种工况时的受力情况分别进行了分析。对该工序加工内容进行分析可知，该工序主要完成缸体的铣面和钻孔工作（图2.3)， 铣刀和钻刀均为硬质合金刀具。这里利用切削力的功率估算方法对一把直径45mm,转 速400 r/min的铣刀进行铣削力计算。对于电主轴来说，其******功率为30Kw,由于没有 齿轮传动功率耗散比较少，故令传动效率为0.98,则可得出实际切削效率为：pc = TJPE = 0.98x30 = 29AKw(2-1)已知刀具直径和转速，进而得到切向切削力也即主切削力：分析可知，当主轴箱位于立柱导轨行程的不同位置时，切削力的杠杆率也不同，会 导致立柱的变形量产生变化。这里取其在实际加工过程中（图2.4)最常用的工作位置， 即下滑块底面距离导轨地面600mm。2.1.2加工中心的静力分析首先利用CAD建模软件Pro/E对立柱结构进行三维建模，由于模型结构较为复杂， 将对立柱性能分析影响较小的一些特征如小倒圆角、螺纹孔、小凸台等省略去，这能够 避免接下来的有限元网格划分过程中出现错误，且节省计算时间。三维模型建完导入ANSYS分析软件中，对立柱进行材料属性定义（表2.1):表2.1各部件的主要材料属性 Tab.2.1Material properties of the parts 部件 材料 弹性模量(N/m2) 泊松比 质量密度(kg/m3) 立柱 HT250 1.38E+11 0.156 7.28E+03 主轴箱 HT300 1.57E+11 0.270 7.25E+03 主轴 轴承钢 3.8E+11 0300 7.82E+03 之后对结构进行网格划分。主轴箱与立柱的接触类型定义为bounded,对主轴施加 上小节计算出的切削力，对立柱与底座（床身）连接处的滑块位置以及与滚珠丝杠连接 处施加约束。
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