精密多功能磨床后床身動(dòng)靜態(tài)有限元分析*

周秦源 任瑩暉 郭懷忠

(①中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004;②湖南省湘潭市三峰數(shù)控有限公司，湖南 湘潭 411201)

精密磨床的床身是機(jī)床的重要部件［1］，其靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性直接影響機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性，及安全可靠性及使用壽命［2-3］。本文針對(duì)三峰數(shù)控有限公司的單立柱雙磨頭多功能數(shù)控磨床SMF6020 床身的特點(diǎn)，考慮到立柱及磨頭等部分的施加力在于后床身，即后床身是承載的主要部件。因此，基于大型有限元分析軟件ANSYS 的有限元靜動(dòng)態(tài)分析的方法，對(duì)精密磨床后床身進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)特性的結(jié)構(gòu)分析，為提高精密磨床的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)［4］。

1 后床身有限元模型的建立

1.1 施加載荷的計(jì)算

由于后床身施加的載荷是由立柱、立磨頭組件和臥磨頭組件共同的重量組成的，分析三者總質(zhì)量:M=423.404 kg，施加后床身表面積:S=266434.45 mm2。

根據(jù)SMF6020 機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立其三維模型，如圖1 所示，對(duì)其三維模型采用四面體網(wǎng)格及上述加載分析進(jìn)行有限模型的建立，如圖2 所示。

1.2 后床身所用的材料參數(shù)

表1 后床身材料(HT250)參數(shù)

2 靜力學(xué)分析

從SFM6020 后床身的靜態(tài)有限元分析可知，最大應(yīng)力和變形都出現(xiàn)在和立柱接觸部位，如圖3 所示最大變形為0.168 mm，如圖4 所示最大應(yīng)力為43.048 MPa。這個(gè)位置的變形直接影響到立柱底部的位置移動(dòng)，進(jìn)一步影響了加工產(chǎn)品的精度。

3 后床身模態(tài)性能分析

從SFM6020 后床身的動(dòng)態(tài)特性分析的前四階的參數(shù)因子可以分析出，在一階振型中，以Z 方向的移動(dòng)，X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)為主;二階振型中，X 向的移動(dòng)，Y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)為主;在第三階振型中，以X 向的移動(dòng)，以Y 向的轉(zhuǎn)動(dòng)為主;在第四階振型中、以Y 向的移動(dòng)、Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)為主。固有頻率最小的部位是后床身放置電機(jī)部位的床身壁處。后床身的前四階固有頻率如表2 所示，前四階模態(tài)振型如圖5 所示。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

4 后床身動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化

4.1 增加后床身筋板

通過(guò)對(duì)SMF6020 精密磨床后床身動(dòng)靜態(tài)分析，靜態(tài)最薄弱的部位是和立柱底部接觸的部位，動(dòng)態(tài)分析最薄弱的地方出現(xiàn)在電機(jī)放置部位，為提高機(jī)床的動(dòng)靜態(tài)剛度，減小變形量，在和立柱接觸部位的后床身的下部增加3 個(gè)縱向筋，避免后床身上面在Y 向的移動(dòng)和X 向的轉(zhuǎn)動(dòng)。改進(jìn)后的前四階固有頻率有所增加，如表3 所示，說(shuō)明增加筋板后提高了后床身的動(dòng)剛度。

表3 增加筋板后床身前四階固有頻率

4.2 增加后床身筋板的厚度

將原來(lái)后床身筋板的厚度是16 mm，增加到20 mm，床身的動(dòng)態(tài)特性有所提高，改進(jìn)前后后床身動(dòng)態(tài)特性的比較如表4 所示。

表4 增加筋板厚度后床身前四階固有頻率

4.3 后床身和前床身接合

為了提高機(jī)床的整體剛性，將后床身和前床身接合，增強(qiáng)動(dòng)剛度。將接合后的床身進(jìn)行模態(tài)分析，前四階振型如圖6 所示，前四階固有頻率及變化值如表5所示，從表5 可以看出，將前后床身接合是將機(jī)床動(dòng)剛度提高有效方法。

表5 改進(jìn)后床身前四階固有頻率

5 結(jié)語(yǔ)

(1)從SFM6020 后床身的靜態(tài)有限元分析可知，最大應(yīng)力和變形都出現(xiàn)在和立柱接觸部位，最大變形為0.168 mm，最大應(yīng)力為43.048 MPa;

(2)通過(guò)對(duì)機(jī)床后床身模態(tài)分析，可知其一階頻率為141.47 Hz，固有頻率最小的部位是后床身放置電機(jī)部位的床身壁處;

(3)提出了增加筋板、增加筋板厚度及將前后床身接合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)后床身優(yōu)化前后對(duì)比分析，可知這3 種方案均能增強(qiáng)床身的動(dòng)剛度，提升機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，其中將前后床身接合是將機(jī)床動(dòng)剛度提高整個(gè)床身動(dòng)態(tài)特性的有效方法。

［1］唐恒齡，楊嘯.機(jī)床動(dòng)力學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］倪曉宇，易紅，湯文成，等.機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2005(2):47 -50.

［3］伍建國(guó)，陳新，孫慶鴻.內(nèi)圓磨床床身結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.精密制造與自動(dòng)化，2002(2):25 -26.

［4］陳桂平，文桂林.高速磨床床身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析與優(yōu)化［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009(2):19 -23.