基于機床剛度的滑軌聯(lián)接面性能分析

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0  引言

機床為了實現(xiàn)一定的運動功能，零部件之間是由聯(lián)接面組合起來的。聯(lián)接面分為固定聯(lián)接面(如螺栓聯(lián)接)、半固定聯(lián)接面(如摩擦離合器)和運動聯(lián)接面(如滑動導軌、滾動導軌)。由于聯(lián)接面存在著接觸剛度和接觸阻尼，聯(lián)接面與機床的靜動態(tài)特性存在著十分密切的關系，對于高精度機床設計更不能忽略聯(lián)接面的影響。因此，機床聯(lián)接面性能分析，研究聯(lián)接面性能與機床整機性能的影響關系顯得尤為必要。

本文對兩種滑截面構型的滑軌聯(lián)接面進行靜態(tài)性能計算，對滑軌聯(lián)接面的位移特性進行了分析，從聯(lián)接面的位移特性找出聯(lián)接面剛度與機床剛度的關系，為滑軌聯(lián)接面設計提供了依據(jù)。

1  滑軌聯(lián)接截面構型

機床滑軌的作用是導向和承載，引導運動部件沿一定軌跡準確地運動，并承受運動部件及其上安裝件的重量和切削力。

滑軌聯(lián)接的截面構型指滑軌縱向橫截面上所具有的不同形狀。機床滑軌聯(lián)接面有多種不同的構型，常用的有矩形滑軌、三角形滑軌和燕尾形滑軌等，如表1所示。 

2  有限元靜力計算

2.1  平床身數(shù)控車床

平床身數(shù)控車床主要由床身、床鞍、橫滑板、刀架、刀架底座、主軸箱和尾座七大支承部件組成，其結構模型如圖1所示。在數(shù)控車床加工過程，主軸箱固定，工件由三爪卡盤夾緊并旋轉，橫滑板沿著床鞍X向運動，床鞍沿床身Z向運動。 

平床身數(shù)控車床共有三處滑軌聯(lián)接面，分別為床身一尾座聯(lián)接面、床身一床鞍聯(lián)接面和床鞍一橫滑板聯(lián)接面。選取床鞍一橫滑板聯(lián)接面作為主要分析對象，床鞍橫滑板實體模型如圖2所示。 

車床床鞍與橫滑板的滑軌連接，常用的截面構型有矩形滑軌和燕尾形滑軌。對床鞍一橫滑板實體模型分別采用矩形滑軌和燕尾型滑軌聯(lián)接，共進行兩次有限元靜力計算。截面構型如表2所示。 

2.3  邊界條件

零件的邊界條件提取與等效直接影響有限元的靜力計算結果準確性。邊界條件分為約束邊界條件和載荷邊界條件。約束邊界條件指分析對象自由度的限制情況。載荷邊界條件指分析對象承受載荷的情況。

床鞍與床身的滑軌聯(lián)接面約束了床鞍的Y/Z向自由度，對其施加Y/Z向位移約束。床鞍與床身絲杠的聯(lián)接面約束了床鞍的X向自由度，對其施加X向位移約束。

 

載荷邊界條件為車床在切削試驗工況下承受的切削載荷。選擇橫滑板位于床鞍中間位置工況，根據(jù)切削力經(jīng)驗公式。進行計算，得到切削載荷如表3所示。 

有限元靜力計算是分析研究對象在靜態(tài)載荷作用下的位移和應力。用ANSYS分析軟件完成床鞍橫滑板的邊界條件設置、載荷的施加，對其進行靜力計算。本文主要對機床位移場進行數(shù)據(jù)提取，位移場如圖3所示。 

基于上述機床整機位移場，提取刀具端處X/Y兩向位移。根據(jù)靜剛度定義一。(機床在靜載荷作用下，在規(guī)定方向上抵抗承裝刀具與承裝工件的部件間相對位置變化的能力)，提取刀具端處X/Y兩向位移，聯(lián)立切削載荷(見表3)，求得機床X/Y兩向剛度，如表4所示。 

機床靜態(tài)剛度主要由支承零部件結構剛度、聯(lián)接面剛度和傳動部件剛度等組成。影響聯(lián)接面剛度的因素有聯(lián)接面類型、聯(lián)接面布局和聯(lián)接面結構特征等?；壜?lián)接面截面構型反映了滑軌的承載特點，影響滑軌聯(lián)接面的剛度?；谟邢拊嬎憬Y果，提取橫滑板滑軌面兩側邊位移，分析滑軌聯(lián)接面變形對機床X/Y靜態(tài)剛度的影響。

3.1  機床X向剛度分析

不同滑軌聯(lián)接面構型的靜態(tài)性能各異，對機床X向剛度的影響各不同。提取滑軌聯(lián)接面兩側邊X向位移，分析滑軌結構X向剛度與Y向抗彎剛度對機床X向剛度的影響。
以滑軌聯(lián)接面長度方向為坐標系的X軸，滑軌X向位移為Y軸，繪制滑軌兩側邊X向變形曲線如圖4所示。 

由表4可知，矩形滑軌機床的X向剛度為166.96N/μm，燕尾形滑軌機床的X向剛度為174.53N/μm。因此，燕尾形滑軌機床X向剛度高于矩形滑軌。
 
3.2  機床Y向剛度分析

機床Y向剛度是受滑軌結構Y向剛度與X/Y向抗彎剛度影響的。提取滑軌聯(lián)接面兩側邊Y向位移，分析滑軌聯(lián)接面對機床Y向剛度的影響。以滑軌聯(lián)接面長度方向坐標為X軸，滑軌兩側邊Y向位移為Y軸，繪制滑軌Y向變形曲線如圖5所示。 

4  機床滑軌聯(lián)接面接觸性能分析

滑軌聯(lián)接面接觸性能指在外載荷作用下滑軌部件之間的密合程度，與滑軌截面構型、滑軌預緊作用、滑軌面粗糙度和滑軌面幾何誤差等因素有關?；壜?lián)接面接觸性能直接影響機床剛度性能。忽略滑軌面粗糙度和幾何誤差等的影響，在切削試驗工；兄下，從接觸面分布規(guī)律和有效接觸面百分比兩個角度分析不同截面構型對滑軌接觸性能的影響，并考慮了壓板預緊的作用對矩形滑軌的影響。接觸面分布規(guī)律指滑軌聯(lián)接面在承受載荷時接觸面具有的不同分布形式，接觸面的分布規(guī)律決定了滑軌聯(lián)接面的承載特點。有效接觸面積百分是指接觸面積占滑軌總面積的百分數(shù)，決定了滑軌連接面中承載作用的有效成分。接觸面積分布和有效接觸面積百分比共同決定了滑軌聯(lián)接面的接觸性能。

4.1  滑軌聯(lián)接面接觸面分布規(guī)律

接觸面分布規(guī)律的實質是傳遞載荷面積的分布。滑軌聯(lián)接面承受載荷時，不同區(qū)域具有不同的接觸狀態(tài)。接觸狀態(tài)分為分離(FarOpen)、分離(接近接觸)(NearContact)、粘接接觸(Sticking)和滑動接觸(Sliding)四種。分離狀態(tài)指聯(lián)接面不產生接觸，處于分離狀態(tài)。分離(接近接觸)指聯(lián)接面分離，但接近接觸狀態(tài)。粘接接觸狀態(tài)指聯(lián)接面產生接觸，摩擦力小于其極限值。滑動接觸狀態(tài)指聯(lián)接面產生接觸，摩擦力等于其極限值，聯(lián)接面間產生相對滑動。

基于有限元靜力分析結果，提取矩形和燕尾形滑軌聯(lián)接面在切削載荷下的接觸狀態(tài)分布圖，提取位置如圖6所示。 

圖7為兩種滑軌聯(lián)接面在切削載荷下的接觸面分布規(guī)律，分析如下：①矩形滑軌的接觸面主要分布在后端上滑軌面，前端下滑軌面有少量分布，能有效承受Y向載荷。由于下滑軌面能提供的接觸面積較小，這樣的接觸分布規(guī)律在承受X向轉矩時容易發(fā)生繞X軸的翹曲變形，下滑軌面成為薄弱環(huán)節(jié)。②燕尾形滑軌后端上滑軌面與前端斜面均有接觸面分布，能提供足夠的接觸面積有效抵抗X向轉矩。③矩形滑軌與燕尾形滑軌垂向接觸面均分布在對角兩側分布，燕尾形斜面在垂向的投影面積與矩形是相等的，兩者抵抗Y向彎矩與X向載荷能力相當。 

4.2  滑軌聯(lián)接面有效接觸面積百分比

滑軌有效接觸面積百分比是衡量滑軌承載時起承載作用面積的比率，反映了滑軌面的有效利用程度。記有效接觸面積與總面積的比值為有效接觸面積百分比，分析聯(lián)接面與機床靜態(tài)剛度性能的關系。有限元計算中，滑軌聯(lián)接面離散為若干的節(jié)點，計算結果包含了每個節(jié)點的接觸狀態(tài)。記接觸面的節(jié)點數(shù)與滑軌面的總節(jié)點數(shù)比值為有效接觸面積百分比，統(tǒng)計三種滑軌聯(lián)接面的結果如表5所示。 

5  結論

研究了平床身車床的靜態(tài)剛度性能，對兩種截面構型滑軌聯(lián)接面的位移特性和車床X/Y向剛度進行了分析，并對滑軌聯(lián)接面接觸性能進行了研究，得出以下結論：