VMC1000L立式加工中心立柱性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

潘石群 黨建華 陳攀

摘 要：立柱是VMC1000L立式加工中心的關(guān)鍵零部件之一，本文采用ANSYS Workbench軟件對其進(jìn)行仿真分析，通過分析結(jié)果梳理出零件的薄弱位置，并結(jié)合該“C”型機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況提出了立柱的兩個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。通過對該立柱的兩個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案仿真分析結(jié)果對比，從而優(yōu)選出相較原始立柱最大變形減小29.7%，且二階、三階、四階模態(tài)的固有頻率均有大幅度提升的最佳方案，實(shí)現(xiàn)了立柱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并為類似零件的性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效的方法和手段。

關(guān)鍵詞：立柱；性能分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

機(jī)床是機(jī)械制造的工作母機(jī)，是裝備制造的基礎(chǔ)設(shè)備，機(jī)床的工作性能是與其動(dòng)態(tài)性能緊密相關(guān)的。在一般情況下，提高機(jī)床的靜剛度能使機(jī)床的動(dòng)剛度得到提高 。鑒于靜剛度主要取決于零件的材質(zhì)、截面形狀和尺寸等，所以機(jī)床靜剛度與零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、裝配質(zhì)量都有關(guān)系，它不僅影響機(jī)床的加工精度，還影響機(jī)床的動(dòng)剛度。

立柱是VMC1000L式加工中心的關(guān)鍵零部件之一，其剛性和穩(wěn)定性直接影響加工中心的工作狀況和部件之間的相互位置關(guān)系及性能。因此，對立柱性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化課題的研究，一方面可以根據(jù)仿真分析結(jié)果對比、優(yōu)選出零件的最佳結(jié)構(gòu)方案；另一方面也為類似零件的性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效的方法、手段和技術(shù)途徑。

1 實(shí)體建模

實(shí)體建模是有限元分析的基礎(chǔ)，本文選用Pro/E 軟件來建立VMC1000L立式加工中心立柱的三維實(shí)體幾何模型，經(jīng)合理簡化，其三維實(shí)體模型如圖1所示。

2 有限元方法建模

在Workbench軟件中導(dǎo)入立柱的三維實(shí)體模型（材料設(shè)置為HT250，各向同性、介質(zhì)均勻，密度7300kg/ m3，彈性模量1.3e11Pa，泊松比0.25），通過自動(dòng)生成默認(rèn)網(wǎng)格的方式將網(wǎng)格劃分為10節(jié)點(diǎn)的四面體單元solid187和20節(jié)點(diǎn)的六面體單元solid186（總節(jié)點(diǎn)數(shù)為125183個(gè)，總單元數(shù)為69176個(gè)，如圖2所示），并在零件上施加約束和載荷，詳細(xì)如圖3所示。

3 立柱仿真分析

3.1 靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析主要用來分析由于穩(wěn)定外載荷所引起的系統(tǒng)或零部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和作用力。經(jīng)分析，立柱的應(yīng)力分布云圖如圖4所示，變形分布云圖如圖5所示。

從應(yīng)力分布云圖可見，立柱的最大應(yīng)力集中點(diǎn)位于立柱與床身連接的螺栓孔處，最大應(yīng)力9.44MPa。

從變形分布云圖可見，立柱的最大變形位于立柱頂部，最大變形量0.0837mm，變形方式為中、上部向前傾斜，主要是受Z軸絲杠預(yù)拉力和主軸箱部件重力的影響，系立柱自身結(jié)構(gòu)剛性不足所致，會(huì)對整機(jī)的靜態(tài)性能（如機(jī)床坐標(biāo)Z軸軸線運(yùn)動(dòng)的直線度和角度偏差，Z軸線運(yùn)動(dòng)和X、Y軸線運(yùn)動(dòng)間的垂直度等）和零件的加工、裝配造成負(fù)面影響。

3.2 模態(tài)分析

對于數(shù)控機(jī)床而言，機(jī)械加工中的振動(dòng)對加工表面品質(zhì)和生產(chǎn)率有很大的影響，是一種十分有害的物理現(xiàn)象。經(jīng)分析，立柱前四階模態(tài)的固有頻率和振型見表1，其振型圖如圖6所示。

從一到四階振型圖可見，立柱柱體前端頂部的振動(dòng)最大，立柱底部型腔銜接處、上部導(dǎo)軌面、四側(cè)壁等為薄弱環(huán)節(jié)，振型的主要表現(xiàn)為柱體的中、上部擺動(dòng)、錯(cuò)動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，主要是內(nèi)腔加強(qiáng)筋和四個(gè)側(cè)壁壁厚較小、底部支撐剛性不足導(dǎo)致立柱整體剛性較弱等因素造成的。

4 立柱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)變量的類型，可分為：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化。在立柱柱體的幾何形狀已定的情況下，只有以通過優(yōu)化尋找最合適的結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)前一章節(jié)仿真分析的結(jié)論，擬定了如下兩個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案：

（1）立柱A：將立柱正面主板以及左右側(cè)壁的壁厚增加到25mm，后側(cè)壁壁厚增加到20mm（不改變加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)），其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

（2）立柱B：將立柱正面主板以及左右側(cè)壁的壁厚增加到25mm，后側(cè)壁壁厚增加到20mm；同時(shí)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中 “米”字筋立柱成品率較低的問題，通過降低單層筋腔高度來為結(jié)構(gòu)增加一個(gè)筋腔，并將原“米”字筋簡化成“交叉筋”，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

經(jīng)分析，立柱A和立柱B的應(yīng)力分布云圖如圖9所示，變形分布云圖如圖10所示，數(shù)值對比見表2；立柱A的前四階固有頻率和振型見表3，其振型圖如圖11所示；立柱B前四階模態(tài)的固有頻率和振型見表4，其振型圖如圖12所示。

綜上所述，立柱A和立柱B的最大應(yīng)力集中點(diǎn)和最大變形位置均與原始立柱一致，且在數(shù)值上都有改善。特別是立柱B，其在抵抗柱體上部沿X、Z方向錯(cuò)動(dòng)的能力上明顯優(yōu)于立柱A（三階模態(tài)）。雖然立柱B的實(shí)現(xiàn)成本較高，但立足于公司的長遠(yuǎn)未來，本文決定選用立柱B的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。該立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的最終方案與原始立柱的力學(xué)性能對比見表5。

結(jié)語

本文在對VMC1000L立式加工中心立柱進(jìn)行建模設(shè)計(jì)、仿真分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分析結(jié)果驗(yàn)證等幾個(gè)方面開展的研究工作中，主要取得了如下成果：

（1）運(yùn)用Workbench軟件，對VMC 1000L 立式加工中心原始立柱進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果明確零件的薄弱環(huán)節(jié)和優(yōu)化方向。

（2）結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況建立了立柱的兩個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，并通過仿真分析優(yōu)選出動(dòng)靜態(tài)性能提升效果更為明顯的最佳結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案立柱B。

（3）經(jīng)比較，方案B較原始立柱最大變形減小-29.7%，且二階、三階、四階模態(tài)的固有頻率均有大幅度提升，實(shí)現(xiàn)了立柱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，驗(yàn)證了理論分析和仿真分析結(jié)果的正確性，并為類似零件的性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效的方法和手段。

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