摘 要：車銑復合加工中心把車削和銑削加工工藝集成到同一臺加工機床，可實現工件的同基準多工序集成加工，有利于提高零件的制造精度。而影響該類機床加工精度的核心零件之一，就是機床的床身。本文針對 MJ-520MC/Y 數控車銑復合加工中心的斜床身進行高剛性設計分析，探討建立有利于仿真分析的數字樣機的方法；對斜床身數控車銑復合加工中心的受力情況進行分析，將典型工況下的切削力、床身上方各機床零部件的重力折算到床身上，得出斜床身的載荷參數；運用有限元方法對斜床身零件進行靜力學分析，得到斜床身靜態特性，探討外部靜力載荷對斜床身應力應變的影響；提出了斜床身改進優化的基本思路，為斜床身車銑復合加工中心的結構設計與改進提供技術支持。
關鍵詞：斜床身 車銑復合 加工中心 載荷分析 有限元 靜態特性
車銑復合加工中心把車削和銑削工藝整合在一臺機床上，可以實現對工件的車削和銑削加工，這種整合比分別進行車削和銑削的加工精度更高 [1-3]。而機床床身是影響該類機床加工精度的核心零件之一。
天津大學楊崇澤等以搖臂鉆床為研究對象，結合機床結構結合面，建立系統動力學模型 [4]；吉林大學機械工程學院的苗壯等人分別對 HTM61350 臥式車銑中心進行了整機靜剛度分析、模態分析和主軸箱的熱分析，確定了機床工作狀態下的主要變形部件，并得出了該部件相應的變形量信息 [5]；大連理工大學潘琪等通過對 CD614O 車床斜床身的分析和結構優化，減輕了斜床身重量，提高了斜床身的剛度和固有頻率等指標，為同類型機床設計生產提供理論依據 [6]。但是，對于 MJ-520MC/Y斜床身數控車銑復合加工中心的研究較少。本文針對 MJ-520MC/Y 數控車銑復合加工中心的斜床身進行高剛性設計分析，探討建立有利于仿真分析的數字樣機的方法；對斜床身數控車銑復合加工中心的受力情況進行分析，將典型工況下的切削力、床身上方各機床零部件的重力折算到床身上，得出斜床身的載荷參數；運用有限元方法對斜床零件進行靜力學分析，得到斜床身靜態特性，探討外部力載荷對斜床身應力應變的影響；提出了斜床身改進優化的基本思路，為斜床身車銑復合加工中心的結構設計與改進提
供技術支持。
1 、車銑復合加工中心介紹
該機床配置臥式回輪動力型刀架。當對工件進行平面銑削時，可通過直接驅動機床由 X1、X2 雙軸構成虛擬“Y”軸結構進行加工，平面銑削的工作范圍、效率及精度等得到極大提高，產品得到了用戶的較好評價[7]。圖 1是機床的外觀照片。
2 、斜床身車銑復合加工中心關鍵零部件有限元結構分析
2.1 模型簡化
車床斜床身結構復雜，難以完全按照實物建立有限元模型。在進行有限元網格劃分前，需對斜床身實體簡化。簡化的原則是：（1）在 CAD 建模時力求精確，真實模擬結構的靜動態特性；（2）對 CAD 模型中的小錐度、小曲面進行直線化和平面化處理 [8]。
圖 1 機床外觀圖
根據以上原則對斜床身的模型進行簡化處理：刪除導軌上的所有螺紋孔。簡化后，斜床身（如圖 2 所示）結構的力學特性沒有發生改變，但為后續高效分析計算提供了幫助。
圖 2 斜床身虛擬樣機模型
2.2 定義單元屬性與網格劃分
（1）定義單元屬性。由于斜床身結構復雜，是不規則的幾何體，所以選用四面體單元來模擬真實結構。經過考慮，選擇 SOLID187 四面體單元。
（2）網格劃分。網格劃分時，需遵循以下幾點原則。
①模型結構和實際結構盡可能相同，模型幾何形狀尺寸與實際結構尺寸相同；②根據計算精度和計算規模來選擇合適的單元大小；③單元體應盡量勻稱齊整。
2.3 受力分析及載荷施加
2.3.1 受力分析
（1）切削過程分析。在典型工況下，把床身上各零部件的重力和切削力在斜床身上進行折算。車削加工過程中，刀具和工件都受到切削力的作用。切削力傳遞到機床上的力是機床的主要受力，切削力及其分解見圖 3。
圖 3 切削力及其分解
主切削力、背向力和進給力的計算均采用現有公式 [9]。主切削力：
刀具的切削速度 vc 取 100m/min，進給量 f 取 0.3mm/r，背吃刀量αp取 4mm，工件材料為 45鋼，刀具材料為硬質合金。通過查表代入上式得，FC=1875N，Fp=1 207N，Ff=788N。為保證其可靠性，適當擴大各分力大小，主切削力為2000N，背向力為 1500N，進給力為 1000N。
（2）銑削過程分析。三面刃銑刀主要用于臥式銑床上加工槽、臺階面等，本文選擇三面刃銑刀，如圖 4 所示。
圖 4 銑削力及其分解
切削條件為：銑刀直徑 D=110mm，齒數 Z=22，工件材料灰鑄鐵 HB=210，刀具材料為高速鋼，銑刀槽寬 B=16mm，槽深 t=20mm，銑削用量 V ≈ 20 米 / 分，Sz=0.lmm/ 齒。根據公式計算，得：銑削功率：
為 保 證 可 靠 性， 主 切 削 力 取 為 300N， 背 向 力 取 為1000N，進給力取為 400N。
2.3.2 載荷施加
本文以斜床身為例，對切削過程中載荷施加進行介紹。機床接觸構件示意圖，如圖 5 所示。
圖 5 機床接觸部件示意圖
假定刀架、主軸箱、尾座等部件的材料都為普通碳鋼，將車床模型導入 SolideWorks 中，計算得出它們的重力 G1、G2、G3，分別是 6500kg、4700kg、2400kg，分別施加在它們各自的支撐處。以下對切削力如何施加到斜床身進行介紹。
本文所研究的數控車床可加工的工件最大直徑是520mm，最大長度是 450mm。設工件材料為 45 鋼，則其質量為 744kg，所受重力為 7440N。在切削過程中，工件受到車刀、卡盤和頂尖的作用力，受力情況可用圖 6 的簡圖來表示。隨著切削位置從靠近主軸端向尾座移動，床身的位移和應力都會增加，切削點選在距離主軸箱最遠處 [11]，即工件最長處，距離為 450mm。
圖 6 工件受力示意圖
在 xoy 平面內，進給力 Ff 沿 y 方向，大小為 1000N，距離導軌平面 400mm。所以，該力對斜床身、導軌結合體的力矩 M1 大小為 400N·m，方向為在導軌面上繞 x 軸逆時針旋轉。在 xoz 平面內，主切削力 Fc 與工件重力 G 在 z 方向上近似抵消。因而，在 x 方向上的合力為 Fx=Fp+Gsin45°。代入數據，計算得 Fs 值為 6438N，擴大為 6500N。
在 xoy平面內，工件受到集中力 Fs、卡盤和頂尖的作用力，其受力情況可以簡化為如圖 7的簡支梁。此處，為了容易理解，將坐標軸的名稱進行了相關處理。
圖 7 xoy 平面上力的分布
在 ANSYSWorkbench 靜力學分析模塊上進行仿真求解，得到斜床身的總變形云圖和 X、Y、Z 方向的變形云圖，對分析結果進行處理，具體見表 1。
表 1 斜床身結構改進前靜力學分析結果
2.4 結構改進及有限元分析
針對上述有限元分析結果，對斜床身的上導軌進行結構改進，對上導軌進行加厚、加寬處理。在 ANSYSWorkbench 靜力學分析模塊上進行仿真求解，得到斜床身的總變形云圖和 X、Y、Z 方向的變形云圖，對分析結果進行處理，具體見表2。
表2 斜床身結構改進后靜力學分析結果
2.5 結構分析結果對比
通過對斜床身改進前和改進后的分析結果進行對比可知，改進后的斜床身變形量更小，斜床身的結構更可靠，具體見表 3。
表 3 斜床身結構分析結果對比表
3、 結論
針對 MJ-520MC/Y 數控車銑復合加工中心的斜床身進行高剛性設計分析，探討建立有利于仿真分析的數字樣機的方法；對斜床身數控車銑復合加工中心的受力情況進行分析，得出斜床身的載荷參數；運用有限元方法對斜床身零件進行靜力學分析，得到斜床身靜態特性，探討外部靜力載荷對斜床身應力應變的影響；提出了斜床身改進優化的基本思
路，并通過分析結果對斜床身進行結構改進并進行分析對比，得知對斜床身改進的斜床身變形量更小，斜床身的結構更可靠。這為斜床身車銑復合加工中心的結構設計與改進提供技術支持。
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