1、1基于 COSMOSWORKS 与的龙门导轨基面有限元分析1 引言龙门是卧式钻铣类机床一个极其重要的大件,它起着支撑动力头和连接工作台等关键零部件的作用。由于龙门自身重量以及动力头的重量，将导致龙门变形。龙门上连接动力头的导轨基面的变形直接反映到动力头上加工刀具的位置偏差。若能在此处矫正龙门导轨基面的变形，则可以很大程度上提高机床加工的精度 【1】 。龙门在精加工前采取预变形加工, 使导轨基面加工后获得一定的曲线形状弹性变形线的反变形线, 从而来补偿横梁及其导轨因受钻削动力头重力所产生的弹性变形, 以减少钻削动力头在横梁上移动时产生的不直度误差。故它是提高带有较重移动部件的大型机床的几何精度的
2、一项有效措施。本文首先建立起一个 7m 长的龙门 SOLIDWORKS 三维模型，针对三维模型利用 COSMOSWORKS 做了相关有限元分析。然后根据分析结果，采取最小二乘法，在 EXCEL 中获得反变形曲线方程。为最终实现对龙门横梁导轨基面的反变形加工提供加工依据。2 龙门 SOLIDWORKS 三维模型建立建立准确而可靠的龙门有限元计算模型是一项极为重要的工作。该龙门横梁采用焊接件结构。龙门立柱与横梁焊接成一个整体。内部采用肋板与加强筋交错的封闭箱形结构。动力头与龙门横梁依靠安装在横梁上的导轨滑块连接。本文中所要分析的龙门共装有4个动2力头。动力头最小间距1m。当4个动力头间距最小，且关
3、于中心面对陈布置时，龙门横梁变形量最大。此处，按最大变形量进行补偿。因此该三维模型中，动力头按1m间隔关于中心面对称布置。有限元分析前，为了节省计算成本，缩短计算时间，同时保证结果的准确性，需要对模型中对结果影响甚微的结构特征予以简化。模型的简化需遵循一定的原则，模型简化正确与否直接关系到有限元计算结果的准确性。因此,建立的有限元模型必须具有足够的准确性,要能反映机床整体的实际结构,且结构简化、边界条件的设置需要对最后结果影响需很小 【2】 。用SOLIDWORKS建立其起龙门的实体模型,并按下列原则进行模型简化。（1）简化功能件和非承载构件。有些构件仅为满足结构或使用上的要求而设置,并非根据
4、强度的要求而设置,例如:轴承座、防护罩、丝杠等。这些构件对机床结构的内力分布和变形影响都较小,因此在建模时将其忽略。（2）为了提高计算速度,部件上的螺纹孔，锥销孔等都不考虑。（3）对于一些结构上的孔、台肩、凹槽、翻边在截面形状特性等效的基础上尽量简化,对截面特性影响不大的特征予以忽略。按照以上简化原则,运用SOLIDWORKS 建立龙门的三维模型,简化后的模型如图1所示：3图1 龙门三维模型图3 龙门三维模型的有限元分析（1）模型网格化。有限元分析前需对模型进行网格划分。网格划分得越精细,即每个单元大小越小，模型的计算结果越精确;但是这样复杂的有限元模型将会花费大量的人力、物力在设计前的处理、
5、数据准备、数据计算、数据整理和后处理上,考虑到计算的经济性,应适当选择网格大小。采用COSMOSWORKS自动划分网格功能。采用实体网格四面体单元，单元大小60.32mm ，公差3.25，共划分成133581个单元，边角处自动过渡，以增加计算精确性。生成网格模型如图2所示：图2 模型网格化（2）施加约束载荷。建立了网格后，还要模拟龙门的实际约束情况。龙门是通过下底面的螺栓孔与床身连接。因此在这些螺纹孔施加固定约束，模拟螺栓连接 【3】 。龙门变形的主要原因是各部件的4重力作用。故给所有部件施加重力作用。施加约束载荷后，如图3所示：图3 模型施加约束（3）运行有限元分析。建立网格与施加约束载荷后，还需指定相关材料属性。上述三维模型中龙门为焊接件，材料采用Q235-A,滑板及滑枕均采用灰铸铁HT250,龙门横梁单元对应的弹性模量E = 2.1e+011,泊松比= 0.28,密度= 7800kg/m 3 ,滑板及滑枕单元对应的弹性模量E = 0.66e+011,泊松比= 0.27,密度= 7200kg/m 3。指定材料后，运行分析 【4】 。得到变形图（扩大1000倍）如图4所示：图4 模型有限元分析变形图由图可知，最大位移出现在动力头前端，约0.23mm。此处关注的是龙门横梁件导轨基面的变形情况。所以引用COSMOS里的数据探测工具，提取导轨基面边线变形数据，以绘制变形曲线。
