基于CosmosWorks的现场铣床结构分析

    现场铣床是用于石化装置的现场加工设备。为了适应现场的加工环境，要求现场铣床在满足性能、精度等条件下，其质量和体积尽可能最小。在实际应用中由于横梁的受力变形引起振动，导致工件表面产生了波纹状刀痕，严重影响了加工精度和表面质量。因此，有必要借助有限元软件CosmosWorks，对机床主要移动部件进行静、动态分析。

    1 建模与理论分析

    1．1实体模型的建立

    采用建立现场铣床的三维实体模型。铣床在加工时切削力经主轴、主轴箱传递给横梁，主轴箱的重力及悬臂产生的扭矩直接作用于横梁，所以横梁为现场铣床的关键部件，它的刚度直接影响加工精度，因此把横梁、主轴箱作为主要分析的对象。

    1．2现场铣床静态和动态特性理论分析

    将横梁的结构简化为两点简支梁支承形式，如图1所示(a为横梁中心到主轴箱质心距离)，主轴箱的重力给横梁一力矩M，根据机床运动情况，当主轴箱沿横梁移动到中间位置时，是机床静态刚度最弱的工作状况，静力学分析将选择此时机床的位姿来计算。

    首先，进行变量定义，设Fx为切向铣削分力；P为铣削力系数；Sx为工件的移动距离；B为工件宽度；ap为背吃刀量；z为刀具齿数；D为面铣刀直径；m为横梁和主轴箱有限元模型的总体质量矩阵；k为横梁和主轴箱有限元模型的总体刚度矩阵；w为实数，为简谐运动的频率；φ为任意常数。

    根据铣削力计算公式，计算出在加工过程中刀具在各方向的受力。

    以直径40 mm的6齿盘铣刀铣削45#钢(调质)工件为例，背吃刀量为5 mm时的进给量为每齿0．2 mm。各铣削分力可由与Fx的比值求得，Fx=1315.2 N，Fy=1808 N，Fx=3123.6 N。其中对加工精度影响最大的是沿Z向分力。

    当铣床处于未工作时状态时，主轴箱的自重G，使横梁受到主轴箱施加的力矩M1。在铣削加工中，铣刀接触工件时，主轴箱受的轴向铣削力E=3123.6 N，主轴箱的重力为G=1986.4 N，E>G，合力作用产生力矩M2，由于横梁刚度不足，使得主轴箱有向上抬起的可能，在铣刀脱离工件时主轴箱受自重回落到原来位置，这样产生了"让刀"现象，如图2所示，导致铣刀平面与工件面呈一角度，当横梁作进给运动时，工件表面产生波纹状刀痕，影响了加工精度。