高速立式鏜銑加工中心滑枕動(dòng)態(tài)特性有限元分析*

叢 明，王貴飛，宋 健

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116023)

高速立式鏜銑加工中心滑枕動(dòng)態(tài)特性有限元分析*

叢 明，王貴飛，宋 健

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116023)

以高速立式鏜銑加工中心滑枕為研究對(duì)象，針對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了滑枕、滑塊和絲杠組合體的有限元模型?？紤]到滑枕與滑塊和絲杠的聯(lián)接方式和運(yùn)動(dòng)形式等因素，采用ANSYSWorkbench中的No Separation接觸類型單元仿真接觸面。對(duì)滑枕進(jìn)行模態(tài)和諧響應(yīng)分析，得出了1至6階固有頻率和相應(yīng)振型以及滑枕結(jié)構(gòu)9個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位移頻率曲線。分析結(jié)果表明，滑枕的薄弱環(huán)節(jié)在其與絲杠接觸的部位，切削力頻率與滑枕五六階固有頻率接近時(shí)，滑枕容易發(fā)生共振。據(jù)此提出了針對(duì)性的改進(jìn)意見，為滑枕的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

加工中心;滑枕;動(dòng)態(tài)特性;有限元

0 引言

滑枕連接著主軸箱和橫梁，是高速立式鏜銑加工中心的關(guān)鍵部件，其動(dòng)態(tài)性能直接影響整個(gè)加工中心的加工精度、精度穩(wěn)定性和抗振性。在加工中心工作過程中，如果切削力頻率恰好和滑枕某一固有頻率同步的話，滑枕可能會(huì)產(chǎn)生共振，進(jìn)而影響切削運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性［1］。因此有必要采用有限元方法研究滑枕的動(dòng)態(tài)特性，為滑枕的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本文建立了滑枕、滑塊和絲杠組合體的有限元模型。根據(jù)滑枕在加工中心工作過程中的運(yùn)動(dòng)形式對(duì)其進(jìn)行合理的約束。由于切削力作用在刀具上，通過主軸箱傳遞到滑枕上，所以有必要系統(tǒng)分析高速立式鏜銑加工中心力和扭矩的傳遞過程，從而得到滑枕上的載荷情況。將約束和載荷作為模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析的邊界條件，最后進(jìn)行模態(tài)和諧響應(yīng)分析，系統(tǒng)分析了滑枕的動(dòng)態(tài)特性。

1 滑枕結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高速立式鏜銑加工中心采用龍門式結(jié)構(gòu)，主要由床身、橫梁、滑枕、主軸箱等部件組成，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。在工件加工過程中，工作臺(tái)不動(dòng)，主軸箱沿著滑枕運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主軸Y方向的運(yùn)動(dòng)，滑枕沿著橫梁運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主軸X方向的運(yùn)動(dòng)，橫梁沿著床身運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主軸Z方向的運(yùn)動(dòng)?；硎顷P(guān)鍵的連接部件，起到連接主軸箱和橫梁的作用。在加工中心工作過程中，滑枕不僅要承受自身和主軸箱的重量，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性以實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)滿足加工中心高速的特點(diǎn)，這對(duì)滑枕的結(jié)構(gòu)提出了較高的要求。

圖1 高速立式加工中心

圖2為滑枕、主軸箱和橫梁的裝配示意圖，滑枕與主軸箱、滑枕與橫梁均通過導(dǎo)軌滑塊以及絲杠配合連接。主軸箱上安裝兩根導(dǎo)軌并與滑枕上的滑塊配合，絲杠1驅(qū)動(dòng)主軸箱沿著滑枕Y方向運(yùn)動(dòng)。同樣橫梁上也安裝兩根導(dǎo)軌并與滑枕上的滑塊配合，絲杠2驅(qū)動(dòng)滑枕可沿著橫梁X方向運(yùn)動(dòng)?；淼慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)是其上安裝有多個(gè)滑塊，與主軸箱配合的滑塊分布在同一個(gè)平面，而與橫梁配合的滑塊則分布在兩個(gè)互相垂直的平面。這樣的結(jié)構(gòu)可使滑枕能夠承受較大的載荷，且運(yùn)動(dòng)速度快并具有較好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

圖2 滑枕、主軸箱、橫梁裝配示意圖

2 滑枕有限元模型建立

由于在滑枕有限元分析過程中，引入了滑塊和絲杠，所以需要對(duì)滑枕、滑塊、絲杠組合體進(jìn)行建模?；斫Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在建模過程中必須進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除非重要分析部位的小尺寸倒角、圓角以及螺紋孔等特征。通過合理的簡(jiǎn)化，既提高了工作效率，又保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。得到的有限元模型如圖3所示，其中滑塊1～4與主軸箱上的導(dǎo)軌配合，滑塊5～8與橫梁上的導(dǎo)軌配合。

圖3 滑枕、滑塊、絲杠組合體模型

滑枕的整體結(jié)構(gòu)由精密鑄造加工而成，其材料為灰口鑄鐵HT300(極限應(yīng)力為250Mpa)?；瑝K和絲杠的材料均為軸承鋼，彈性模量:210GPa，密度:7.82e+3kg/m3。

3 滑枕有限元邊界條件設(shè)置

3.1 滑枕約束條件

在滑枕有限元分析過程中，如果只單獨(dú)分析滑枕而不引入滑塊和絲杠，在滑枕與絲杠接觸部位(如圖3所示)會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩值，分析結(jié)果是不可靠的，而引入滑塊和絲杠之后才能獲得比較準(zhǔn)確的分析結(jié)果［2］，所以將滑枕、滑塊和絲杠作為一個(gè)組合體進(jìn)行有限元分析。滑枕與滑塊，滑枕與絲杠都是通過螺栓聯(lián)接固定，所以采用ANSYSWorkbench中的No Separation接觸類型單元仿真接觸面［3］;這樣既保證了分析結(jié)果的可靠性，又極大的簡(jiǎn)化了分析過程。

滑塊5～8與橫梁上的導(dǎo)軌配合，且只能沿X方向運(yùn)動(dòng)，所以采用位移約束方式約束這四個(gè)滑塊在Y和Z方向的自由度;由于絲杠只能做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且兩端由軸承定位連接，所以絲杠兩端采用固定約束方式。

3.2 滑枕載荷分析

為了準(zhǔn)確的獲得滑枕載荷情況，需對(duì)高速立式鏜銑加工中心的力和扭矩傳遞過程進(jìn)行系統(tǒng)的分析，求出滑枕的具體受力。切削力的傳遞過程為:刀具→主軸箱→滑枕→橫梁→床身。

從切削力的傳遞過程可以看出，在求得滑枕載荷情況之前需要先對(duì)主軸箱進(jìn)行分析。在主軸箱刀具位置施加正常工況下的切削力，約束主軸箱導(dǎo)軌與滑塊1～4配合位置的X和Z方向自由度，主軸箱絲杠兩端施加固定約束，通過靜力分析求解得到約束位置的支反力和扭矩，進(jìn)而得到滑枕滑塊(1～4)及安裝主軸箱絲杠位置(5～6)所受的力和扭矩，受力位置如圖4所示，求得的力和扭矩值如表1和表2所示。

表1 滑枕受力情況

表2 滑枕受扭距情況

圖4 滑枕受力位置

4 滑枕模態(tài)分析

利用有限元軟件對(duì)滑枕進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算其固有振動(dòng)特性，確定其固有頻率和振型，為研究滑枕在加工中心工作過程中產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)［4-5］。由于滑枕的低階固有頻率才有可能與整個(gè)加工中心的固有頻率接近或重合產(chǎn)生共振，高階模態(tài)的頻率已高于可能出現(xiàn)的激振頻率，對(duì)于加工質(zhì)量的影響不大，所以只研究滑枕前六階模態(tài)。前六階固有頻率如表3所示，振型如圖5所示(為了便于觀察滑枕振動(dòng)情況，將滑塊和絲杠隱藏):

表3 滑枕6階固有頻率

如圖5所示，滑枕一階模態(tài)為整體沿X方向振動(dòng)，與絲杠接觸部位有繞Y方向的彎曲變形。從一階模態(tài)來看，與絲杠接觸部位較低的彎曲剛度使得該處產(chǎn)生繞Y方向的彎曲變形，進(jìn)而導(dǎo)致了滑枕整體沿X方向的振動(dòng)?；矶A模態(tài)為滑枕上端沿Z方向振動(dòng)，滑枕三階模態(tài)為滑枕上端沿X方向振動(dòng)。從二、三階模態(tài)來看，滑枕上端剛度較弱。四階模態(tài)滑枕上端、下端同時(shí)沿X方向振動(dòng)，且上下端運(yùn)動(dòng)方向相反。五階模態(tài)與六階模態(tài)類似，都表現(xiàn)為與絲杠接觸部位沿Y方向振動(dòng)，上端沿Z方向振動(dòng)。從五、六階模態(tài)來看，滑枕與絲杠接觸部位和上端剛度較弱。

由于主軸箱安裝在滑枕上，因此滑枕的振動(dòng)將直接傳遞到主軸箱下端的刀具上，而刀具的振動(dòng)直接影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。在對(duì)滑枕進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，提高滑枕與絲杠接觸部位以及滑枕上端的剛度，會(huì)顯著提高滑枕的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而提高整個(gè)加工中心的加工精度和抗振性。

圖5 滑枕六階振型圖

5 滑枕諧響應(yīng)分析

由于高速立式鏜銑加工中心在工作過程中所受切削力是動(dòng)態(tài)變化的［3，6-7］，所以滑枕所受的力和扭矩也是不穩(wěn)定的，因此有必要對(duì)滑枕進(jìn)行諧響應(yīng)分析，獲得滑枕在承受載荷隨時(shí)間正弦規(guī)律變化時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。根據(jù)得到的位移頻率響應(yīng)曲線可以分析滑枕在動(dòng)態(tài)載荷下的抗振性能以及滑枕的設(shè)計(jì)能否克服共振引起的有害效果［8］。

在諧響應(yīng)分析之前需添加載荷和約束，設(shè)定所有載荷均按正弦規(guī)律變化，由于滑枕1階固有頻率為118.65Hz，六階為552.82Hz，所以設(shè)置載荷頻率范圍為0～600Hz。由于滑枕是重要的連接部件，所以在其與主軸箱和橫梁的連接部位滑塊及絲杠相應(yīng)位置選擇關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，在8個(gè)滑塊上各取一點(diǎn)，絲杠中間部位取一點(diǎn)，取點(diǎn)位置如圖6所示，分析這9個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位移頻率響應(yīng)曲線。

圖6 取點(diǎn)示意圖

圖7 滑枕關(guān)鍵點(diǎn)位移頻率曲線圖

從圖7可以看出，滑塊1、2和絲杠中間點(diǎn)響應(yīng)位移明顯大于其他部位，說明滑枕上端和其與絲杠的接觸部位抗振能力較弱，與模態(tài)分析結(jié)果一致。載荷頻率0～400Hz范圍內(nèi)，除了滑塊1和2 Y方向響應(yīng)位移在210Hz附近接近0.03mm，其他幾個(gè)點(diǎn)各個(gè)方向的響應(yīng)位移均不超過0.008mm，所以滑枕在該頻范圍內(nèi)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。載荷頻率400～600Hz范圍內(nèi)，所有點(diǎn)在450Hz和550Hz附近響應(yīng)位移都比較大，滑塊1和2 Y方向的響應(yīng)位移接近0.5mm，滑塊3和4 Y方向的響應(yīng)位移在0.2mm左右，滑塊5～8 X方向的響應(yīng)位移接近0.1mm。由模態(tài)分析結(jié)果可知，450Hz和550Hz分別接近滑枕的五、六階固有頻率，由此可知當(dāng)切削力頻率與滑枕五、六階固有頻率接近時(shí)，滑枕容易發(fā)生共振。

在滑枕優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，通過適當(dāng)增加滑枕與主軸箱和橫梁接合部位的阻尼可以有效控制其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使響應(yīng)位移在加工中心允許的誤差范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

(1)建立了滑枕、滑塊和絲杠組合體的有限元模型，采用 ANSYS Workbench中的 No Separation接觸類型單元仿真模型中的接觸面，通過對(duì)高速立式鏜銑加工中心的力和扭矩傳遞過程進(jìn)行系統(tǒng)的分析，獲得了滑枕的載荷情況并根據(jù)實(shí)際情況為滑枕添加了約束。

(2)根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，滑枕上端和其與絲杠的接觸部位剛度較弱。在對(duì)滑枕進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可以通過合理布置加強(qiáng)筋以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高這兩個(gè)部位的剛度。

(3)根據(jù)諧響應(yīng)分析結(jié)果，滑枕在0～400Hz頻率范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)特性較好，400～600Hz頻率范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)特性稍差，切削力頻率與滑枕五、六階固有頻率接近時(shí)，滑枕容易產(chǎn)生共振。適當(dāng)增加滑枕與主軸箱和橫梁接合部位的阻尼，可以有效控制其動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

總之，本文所得結(jié)論為滑枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)特性提高奠定了重要的理論基礎(chǔ)。同時(shí)本文的分析過程可為同類部件的有限元分析提供一定的參考價(jià)值。

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(編輯 趙蓉)

Finite Element Analysis on Dynam ic Characteristics of Ram in High-speed Vertical Boring and Milling NC Center

CONG Ming，WANG Gui-fei，SONG Jian
(School of Mechanical of Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China)

Vertical boring and milling machining center ram as the object of study,the finite element model is established based on structural features.Taking into account of the connection and movement mode of sliders,ram and guide screw,the contact regions were defined as“Bonded”.Modal analysis and harmonic response analysis were performed on the ram w ith the first six natural frequencies and vibrationmodels obtained.The displacement and frequency curves of9 key pointswere also obtained.The results showed that the contact region between ram and guide screw was a frail part and the fifth and sixth natural frequencies would be aroused easily.All these provide us important basis for dynamic optimizing and designing of ram.

maching center;ram;dynamic characters;finite element

TH114

A

1001－2265(2011)06－0001－04

2010－12－14;

2010－12－30

國(guó)家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)課題(2009ZX04001－011)

叢明(1963—)，男，遼寧大連人，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用、結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化，(E － mail)congm@dlut.edu.cn。