0引言

复合化是数控机床一个普遍发展趋势  ，在现代机 械生产制造中黏结化车方机加工中心充分调动着变得大的作 用^[1] 。车铣复合加工中心具有多轴联动功能  ，机床 动力刀架配合Y轴移动能实现强力铣削  ，Y轴立柱作 为动力刀架的一个重要支撑零件  ，必须对其进行最优 化设计以减少机床在强力切削时的振动  ，使加工零件 获得较高的加工精度和很好的表面粗糙度 。目前国 内复合机床偏重于结构布局研究  ，对复合后机床支撑 件力学性能研究不足 。笔者通过对车铣复合加工中 心Y轴立柱有限元仿真和分析  ，完成了对Y轴立柱 的优化设计  ，并在机床的实际使用中  ，证明优化后的 Y轴立柱很好的满足了机床的加工要求 。

1立柱的三维建模

1.1立柱的三维建模及材料的定义

利用Solidworks进行立柱二维模型建立,在此过 程中  ，三维模型中的一些细小特征  ，比如加工倒角、螺 纹孔、工艺凸台等会影响有限元网格模型的建立  ，因 此对这些不影响力学性能的特征进行了简化,进行简 化后的三维模型如图1所示 。根据立柱的使用情况 选择其材料为HT300铸铁  ，通过查阅相关参考文献 可得出材料弹性模量为150 GPa、泊松比为0. 27、密 度为 7 400 kg/m^3[2] 。

1.2立柱有限元网格模型的建立

对变得简化后的立柱3d整治凭借Simulation做网格划分 。在进行网格划分时  ，如果网格划分太细  ， 虽然会提高运算精度但也会加大运算时候的运算量, 因此  ，在对计算的精度不会有较大影响前提下选择合 适的网格单元大小就很重要^[3] 。笔者进行模型网格 划分时  ，朱用的网格单元大小12. 96 mm  ， 网格划 分后  ，共得69 419个点位  ，43 33七个单元测试卷  ，网格分配 后的沙盘模型右图2如图 。

1.3反力的施加压力及轮廓帮助

立柱的承受力一般是数控机床切屑制作时的切屑力和 刀架的重能力  ，在当中切屑力实现刀柄及刀架获取给立 柱 。实现已发现的切屑参数表及查询网站有关系参考使用文献资料  ，可计 算出切屑力三种的方向的分力规模:切向力2 029 N  ，径向力Fy = 569 N  ，载荷铣削力& = 620 N^[4] 。刀 架的质量为396 kg  ，基于数控车床切屑力和刀架重心点与立 柱支承点之中长期存在固定空距  ，经将切屑力与刀架重 力实施分解并经释放远程登陆超载负荷  ，能够模仿数控车床实施粗加工时的程序 。

立柱通过螺钉与机床床鞍进行刚性连接  ，因此可 以将立柱下面的六个自由度全部约束,对立柱进行约 束并施加远程外力载荷后  ，得出立柱的受力示意如图 3所示 。

1.4计算结果

将各条件确定后  ，经过Simulation模块进行运算 分析  ，得到了立柱的应力、应变速率图文教程及总位移图文教程 (见图4 ~6图甲中） 。

2对运算结果分析及结构优化

2.1受力分析

通过图4、5可以看出立柱左端的筋柱上受到的 应力及应变较大  ，最大应力为21.37 N/mm²,在设计 中应该是结构优化的关键位置,而其他位置并没有出 现较高的应力及应变 。

2.2位移分析

通过图6可以看出,立柱最大变形位移出现在立 柱左端的筋柱上部区域  ，最大变形位移为0.027 mm  ， 由于结构布局需要  ，立柱左端处布置有Y轴电机  ，因 此左端处留有较大空位,这就使得立柱局部变形位移 较大 。由于立柱是机床加工时受力关键部件,该局部 变形会在一定程度上直接影响机床的加工精度  ，因此 有必要对立柱进行结构优化设计 。

2.3结构优化

采用以内分折可预知,立柱左端筋柱区是空间结构 提升的关键点  ，可能做有面向性成分加大 。第一个将立柱 左端处筋壁的规格展开了改良  ，由原來的20 mm上升 为25 mm  ，前者  ，在与Y轴电机的不会出现干扰的基础下  ，将立柱左中端空位规格改小  ，从而提高这里的结构的钢性 。 此外,在立柱受弯曲应力、应变速率较小的边侧来设计了二个减肥 孔,改良后的立柱容量比现在才知道的容量只提升了 2 kg 。

经过结构改进后的立柱再此利用Simulatiom进 行有限元仿真和分析^[5]  ，其应力、应变图解及总位移 图解如图7 ~9所示  ，从分析结果可知,优化后的立柱 最大的变形位移由之前的0.027 mm减少到了 0.009 mm  ，而重量只增加了 2 kg 。该机床装配完成,实际使 用效果良好  ，加工精度和加工表面粗糙度都达到了设 计要求 。

3结语

车铣复合加工中心凭借其高效率、高精度及较强 的加工性能  ，越来越受到广大机床用户的青睐  ，因此  ， 如何构思、设计车铣复合加工中心  ，已经成为机床企 业工程师当下任务^[6] 。笔者利用Simulatiom对车铣 复合加工中心Y轴立柱进行有限元仿真和分析过 程  ，完成了对Y轴立柱的优化设计  ，通过对机床的实 际使用  ，证明优化后的Y轴立柱很好的满足了机床 的加工要求  ，实践证明利用有限元仿真和分析方法, 能够缩短机床设计周期和提高设计效率  。