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官方微信摘要 刘召洋魏和平朱登伟黄云/文重庆三磨海达磨床有限公司重庆大学机械工程学院 1.引言 大型船用螺旋桨砂带磨床是一种能够加工单叶片和整体涡轮盘的数控机床，由于该机床用于机加工的最后一...
刘召洋 魏和平 朱登伟 黄云/文
重庆三磨海达磨床有限公司 重庆大学机械工程学院
1.引言
大型船用螺旋桨砂带磨床是一种能够加工单叶片和整体涡轮盘的数控机床，由于该机床用于机加工的最后一道工序即抛光打磨，所以这道工序要求磨床的加工精度较高。
龙门砂带磨床整体结构的好坏直接将影响设备的加工精度、工作的稳定性和可靠性。所以该机床的结构分析具有很重要的实际意义，本文采用有限元法对该机床整体结构进行静态分析。
随着数控大型船用螺旋桨砂带磨床工作速度的提高，其动态性能和振动问题的分析愈来愈重要。单纯的静态设计和经验设计已不能满足工程实际的要求。在进行结构设计时，必须考虑到各种动态因素的影响，对结构进行详细的动力分析，以达到抗振、安全、可靠的目的。
2.龙门式砂带磨床介绍
本文所用磨床为重庆三磨海达磨床有限公司专门针对船用螺旋桨叶片这一类复杂曲面成功开发的数控砂带磨床。龙门式砂带磨床结构简图如图2.1所示。
1、工作台2、待加工件3、磨头4、滑柱5、横梁6、滑座7、立柱
图2.1龙门式砂带磨床结构简图
龙门式螺旋桨整体叶片砂带磨床主要包括床身、磨头机构、磨头进给机构和工件方位调整机构。磨头进给机构包括相对于工件的轴向进给机构、径向进给机构和磨头偏摆驱动机构。
该机床具有两个直线运动的运动轴和两个旋转运动的运动轴，其中，平行于磨头并垂直于螺旋桨叶片厚度方向的为X轴，可以保证叶片表面法向的进给加工;垂直于磨头并沿螺旋桨叶片高度方向的为Z轴，可以保证叶片纵向的加工;绕X轴旋转的方向的为A轴，可以保证叶片扇形方向的加工;绕Z轴旋转的方向的为C轴，可以保证在加工叶片时磨头与曲面更好的拟合。加工叶片时四个运动轴由数控程序驱动同时联动，从而保证对叶片进行更好的加工。
相比手工打磨进行螺旋桨加工，砂带磨削不但劳动强度小、生产效率高，而且加工出来的螺旋桨曲面光滑度高，叶厚、叶宽精度高，误差较小。螺旋桨叶片手工打磨后效果、磨床加工后效果分别如图2.2、图2.3所示。
3.龙门砂带磨床的静力分析
本节的内容对龙门式砂带磨床原始模型进行静力分析，通过ANSYS实现龙门式砂带磨床模型的建立、网格划分、加载求解。磨头、磨床整体划分网格后模型如图3.1、图3.2所示。
根据龙门式砂带磨床的工作原理，可也得出如下的边界条件，第一组边界条件是取底面地脚螺栓位置对应的节点进行X，Y，Z三个方向的耦合约束。第二组边界条件是横梁和立柱之间螺栓孔对应位置进行X，Y，Z三个方向的耦合约束。第三组边界条件为横梁丝杆和滑座上对应的丝杆螺母所对应的节点进行约束，对应节点建造弹簧单元。第四组边界条件滑柱上的丝杠和滑座上对应的螺母所对应的节点进行约束。第五组边界条件是滑柱与磨头通过一个轴和八个螺栓进行紧固连接，这里把螺栓空对应的节点进行耦合约束。第六组边界条件是接触轮所对应的Fx，Fz。在施加约束条件后得到整体机床总体位移、等效应力图如图3.3、3.4所示。
图3.3整体机床总体位移
图3.4整体机床等效应力云图
下面表格是磨床模型的静力分析的结果，这样就可以很方便的看出磨头在加工移动中的不相同方向的变形情况。
表3.1原始模型的静力分析结果(mm)
通过对磨床模型静力分析结果的分析，接触轮的x、y、z三个方向的变形小于0.4mm而总体变形量小于0.5mm。本机床的原始设计标准是接触轮的最大允许变形量为1mm。最大等效应力值25.026Mpa小于Q235的许用应力。显然磨床结构是符合设计要求的。
4.龙门式砂带磨床总体模态分析
本文中所分析的龙门式砂带磨床是一台高精密的机床，不但要满足静力情况下的要求，动态情况下的分析也相当重要。磨床固有频率应该避开激振频率。下面对磨床模型进行了模态分析，由于模态分析的主要能量是在前六阶振型，所以在模态分析中提取前六阶模态。图4.1为磨床模型的前六阶振型。
图4.1磨床模型的前六阶振型
通过对磨床模型的分析，求出前六阶振型，现在把所得到磨床模型的各阶频率做表如下：
表4.1磨床模型的模态分析结果(HZ)
根据磨头接触轮的线速度一般为，通过计算得电机的频率没有在共振频率的范围内，所以该磨床在加工过程中不会发生共振。
5.总结
通过对磨床模型静力分析结果的分析，接触轮变形小于原始设计标准接触轮的最大允许变形量。最大等效应力值小于Q235的许用应力。通过对磨床模型模态分析结果的分析，计算得电机的频率没有在共振频率的范围内，所以该磨床在加工过程中不会发生共振。该龙门砂带磨床整体结构具有良好的加工精度、工作的稳定性和可靠性。
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