基于ANSYS的臥式龍門銑床輕量化設(shè)計*

吳 珊，肖琪聃，孫金磊，劉林超

（信陽師范學(xué)院土木工程學(xué)院，河南信陽 464000）

基于ANSYS的臥式龍門銑床輕量化設(shè)計*

吳 珊，肖琪聃，孫金磊，劉林超

（信陽師范學(xué)院土木工程學(xué)院，河南信陽 464000）

利用ANSYS有限元軟件對TK6363型臥式龍門銑床立柱進行了仿真優(yōu)化分析，計算結(jié)果表明銑床立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合理，導(dǎo)致銑床用材量增多，制造成本升高。通過優(yōu)化立柱內(nèi)部加筋板布局形式，實現(xiàn)了在保證加工精度條件下的最優(yōu)用材量，產(chǎn)品性價比得到大幅提升。同時計算分析了改進前后銑床立柱的振動特性，改進前后銑床立柱基本振動形式?jīng)]有發(fā)生明顯改變，改進后立柱各階頻率均有提高。實踐表明，該研究不僅解決了工程實際問題，而且為臥式龍門銑床立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有益參考。

臥式龍門銑床；立柱；優(yōu)化分析；振動特性

0 引言

臥式龍門銑床是一種高效率的金屬切削機床，因其具有質(zhì)量穩(wěn)定，操作方便，性能可靠等優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用于建筑、機械、航空、冶煉、鐵路等部門［1-2］。

床身立柱是臥式龍門銑床的重要組成部分，起著支撐主軸箱在導(dǎo)軌上運動和連接工作臺及主要零部件的作用［3-4］。立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了數(shù)控銑床的各種加工特性，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的加工精度和效率、抗振性能、工作壽命等方面；如果立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理將會導(dǎo)致銑床的加工剛度不足，從而在銑削過程中發(fā)生變形和振動，最終影響加工產(chǎn)品的精度［5］。

TK6363型臥式龍門銑床為某廠自主研發(fā)生產(chǎn)的大型數(shù)控銑床，該銑床具有加工類型多，工作效率高、加工精度高等優(yōu)點。由于該型號銑床的結(jié)構(gòu)是通過經(jīng)驗法、類比法的傳統(tǒng)方法設(shè)計出來的，不僅銑床設(shè)計周期長，而且整機笨重，試驗、制造成本高，從企業(yè)效益方面來說這是較大的浪費應(yīng)急需改進。

本文針對此型號銑床重要部件-立柱進行有限元分析及輕量化設(shè)計，以期得到具有較好動態(tài)特性與剛度的立柱結(jié)構(gòu)，最大限度發(fā)揮出材料的力學(xué)特性，為銑床的研發(fā)與生產(chǎn)服務(wù)。在有限元優(yōu)化分析中，針對這種重型銑床的研究并不多見，通過本文的研究，可為有限元在重型數(shù)控銑床中的應(yīng)用探明一條新的道路，為我國重型數(shù)控銑床的研發(fā)提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 銑床立柱原結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 建立銑床立柱三維實體模型

根據(jù)設(shè)計圖紙尺寸在ANSYS環(huán)境中建立三維幾何模型。立柱豎直方向截面為長方形，每側(cè)立柱內(nèi)壁設(shè)置有水平加筋肋和豎直加筋肋，其布置形式為米字型。三維模型建立過程中，為了簡化立柱結(jié)構(gòu)方便建模，在能夠如實體現(xiàn)立柱結(jié)構(gòu)主要力學(xué)性能的前提下，對立柱個別附屬非受力構(gòu)件作了一些簡化，如簡化掉一些小凸臺、吊裝孔、安裝孔等［6-7］。銑床三維實體模型如圖1所示。

圖1 數(shù)控銑床三維實體模型

1.2 銑床立柱有限元計算模型

（1）劃分單元類型選擇

由于TK6363型銑床立柱結(jié)構(gòu)相對規(guī)則平整，網(wǎng)格類型選用SOLID92（十節(jié)點四面體等參數(shù)單元）即可滿足計算精度要求［8］。

（2）定義立柱材料參數(shù)

銑床立柱選用ZG16MN鋼作為鑄造材料，依據(jù)材料手冊資料，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 銑床立柱材料參數(shù)

（3）網(wǎng)格劃分

采取ANSYS提供的人工劃分網(wǎng)格的方法，對銑床立柱模型進行單元尺寸設(shè)置：主軸箱和立柱網(wǎng)格單元邊長度設(shè)置為0.04m，銑刀盤和主軸網(wǎng)格單元邊長度設(shè)置為0.02m。按照上述方案對TK6363型數(shù)控銑床進行網(wǎng)格劃分后總的節(jié)點數(shù)為281643個，總單元數(shù)為176935個。

（4）載荷計算

該銑床在進行銑削加工時主要受軸向力和扭矩的作用。軸向力可轉(zhuǎn)化為面力作用于銑刀盤面上，以避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)而影響有限元計算結(jié)果；扭矩可轉(zhuǎn)化為集中力的形式作用于銑刀盤的各節(jié)點處。實驗銑削深度分別為5mm和10mm，軸向力和扭矩［9］可由式（1）求得：

CF（系數(shù)）=89；ae（銑削接觸弧深）=80mm；

af（進給量）=0.2mm/齒；dt（銑刀直徑）= 100mm；ap（銑削深度）=5mm/10mm；z（銑刀齒數(shù)）= 6；

Pc（主軸切削功率）=31kW；n（轉(zhuǎn)數(shù)）=500 r/min。

通過式（1）計算得到軸向力F和扭矩M：

銑削深度為5mm時：F=5.2kN，M=600N·m；

銑削深度為10mm時：F=10kN，M=600N·m。

（5）約束條件

在加工工件時，銑床立柱固定不動，工作臺做水平運動，立柱底面無線位移和角位移，6個自由度都為零，有限元計算時立柱底面全部約束。施加約束和載荷后的有限元模型如圖2所示。

圖2 銑床立柱有限元模型

2 有限元數(shù)值模擬可靠性驗證

2.1 可靠性驗證

為驗證ANSYS模擬的可靠性，利用YJ-4501A型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測量立柱在銑削深度分別為5mm和10mm時測量點的應(yīng)變值，并與ANSYS模擬數(shù)據(jù)對比分析，應(yīng)變片位置如圖3和圖4所示。（括號內(nèi)貼片編號為對面對稱點貼片編號）

圖3 粘貼應(yīng)變片的數(shù)控銑床

圖4 應(yīng)變片貼片位置

圖4中的應(yīng)變片1、5、6（19）、11（22）、12（23）、14（24）、9（21）、8（20）、3貼片方向沿x軸方向，應(yīng)變片15～18貼片方向沿y軸方向，應(yīng)變片2、4、7、10、13貼片方向沿z軸方向，有限元模擬結(jié)果與實驗測試結(jié)果如表2所示（對稱點貼片取其平均值）。

表2 實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可以看出，每一組ANSYS模擬數(shù)據(jù)與實驗測試數(shù)據(jù)都處于同一數(shù)量級上，由于實驗設(shè)備的測試精度及現(xiàn)場測試環(huán)境的影響導(dǎo)致了誤差的產(chǎn)生，但相對誤差均在5%以內(nèi)，基于此，可以證明本文所使用的建模、分析和模擬方法與步驟適用于TK6363型數(shù)控銑床的有限元數(shù)值模擬，并且數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

2.2 銑床立柱原結(jié)構(gòu)有限元模擬結(jié)果分析

（1）強度分析

銑床強度是指銑床承受載荷后抵抗發(fā)生變形的能力。銑床立柱在銑削深度為5mm和10mm兩種工況下的最大等效應(yīng)力分別為0.07MPa和2.33MPa，其位置均在主軸箱附近，提取立柱應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 銑削深度為5mm和10mm的應(yīng)力云圖

從兩種工況的等效應(yīng)力云圖上可以看出最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在立柱與主軸箱附近交匯處，立柱大部分承載區(qū)域的等效應(yīng)力值在0～0.7MPa之間，而銑床立柱的材質(zhì)為16Mn鋼，其強度極限為345MPa?？紤]到銑刀的性能、銑削精度及主軸功率，TK6363型數(shù)控銑床最大銑削深度控制在10mm以內(nèi)，因此，從等效應(yīng)力分析的結(jié)果來看，銑床立柱受到的應(yīng)力較小，且大部分都處于低應(yīng)力區(qū)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足強度要求，且有較大的富余，需要進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（2）剛度分析

TK6363型數(shù)控銑床在銑削反作用力下會發(fā)生微變形，并直接影響到銑床的加工精度。銑床剛度除取決于自身材料的力學(xué)特性外，還與幾何形狀、邊界條件、外力作用形式等因素有關(guān)，分析銑床立柱的剛度是該型號銑床設(shè)計任務(wù)中的一項重要工作。銑床立柱在銑削深度為5mm和10mm兩種工況下的最大位移量分別為4.15E-04mm和4.68E-03mm，其位置均處于銑床頂部，提取立柱變形云圖如圖6所示。

圖6 銑削深度為5mm和10mm的變形云圖

由圖6可知，兩種工況下銑床立柱會發(fā)生變形，其變形值處于較低數(shù)值范圍內(nèi)屬于微變形，變形值由銑床底部向上逐漸變大，直到頂部達(dá)到最大值，由此可知銑床在進行銑削加工時會出現(xiàn)向后的彎曲趨勢，這與強度分析結(jié)果相吻合。由上述分析可知，該型號數(shù)控銑床滿足剛度的要求且有富余，由此進一步說明需要對銑床進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，從而減輕自重，降低造價。

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于分析結(jié)構(gòu)的振動特性，銑床立柱受到來電機和滑軌的激振而產(chǎn)生振動，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理時，會因振動而造成某些構(gòu)件的疲勞破壞，進而影響銑床加工精度和使用壽命。

本文將計算床身立柱在動態(tài)激勵下的響應(yīng)，考慮該型號數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且結(jié)合計算機配置，在此選用Block Lanczos法求解銑床立柱的模態(tài)，該方法精度高，速度快，適合大型結(jié)構(gòu)求解。銑床在銑削加工時振源頻率屬低頻范圍，高階模態(tài)的固有頻率遠(yuǎn)大于該銑床的激振頻率，因此低階固有頻率對銑床立柱的動態(tài)特性起決定作用，本文求解時共擴展了10階模態(tài)，前10階固有頻率如表3所示。前兩階振型如圖7所示，其中一階振型主要是立柱與主軸箱發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)運動，同時沿y軸方向彎曲變形；二階振型主要是彎曲變形。

表3 銑床前十階固有振動頻率（Hz）

圖7 數(shù)控銑床振型圖

4 輕量化設(shè)計

考慮到企業(yè)的澆鑄生產(chǎn)成本及后續(xù)的配套設(shè)施費用［10］，此次輕量化設(shè)計中，銑床的外形尺寸保持不變，在保證加工精度的前提下，對銑床的壁厚及立柱內(nèi)部加筋板布置形式進行優(yōu)化。由原始靜力分析可知：銑床的剛度和強度遠(yuǎn)滿足要求，且存在較大富余，故簡化加筋板的數(shù)量，調(diào)整布置形式，優(yōu)化后的TK6363-B型立柱加筋板結(jié)構(gòu)如圖8所示，輕量化設(shè)計方案見表4。

表4 減重方案

圖8 B型立柱剖面三維實體模型

對輕量化的數(shù)控銑床分別進行靜力學(xué)和模態(tài)分析，優(yōu)化后的銑床其強度和剛度變化量較小，最大等效應(yīng)力由原來的2.33MPa變?yōu)?.34MPa，立柱最大變形量由原來的4.68E-03mm變?yōu)?.72E-03mm，其變形值在0.05mm以內(nèi)，滿足TK6363型數(shù)控銑床加工精度設(shè)計要求，變形云圖如圖9所示。

圖9 B型銑削深度為10mm變形云圖

隨著銑床壁厚的減小及加筋板布局形式的改變，TK6363-B型數(shù)控銑床的各階固有頻率隨之增大，前5階固有頻率如表5所示，前五階振型如圖10所示。

表5 TK 6363-B型銑床前五階固有頻率

圖10 TK6363-B型數(shù)控銑床振型圖

綜上所述，優(yōu)化后的銑床加工精度仍滿足要求，其固有頻率略有升高，動態(tài)特性相對較優(yōu)，振型特點是：底部相對較穩(wěn)定，立柱與主軸箱會發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)運動，并沿y軸方向彎曲，頂部位移量相對最大。

5 結(jié)論

本文針對TK6363型數(shù)控銑床進行了輕量化設(shè)計，在保證最大限度降低澆鑄生產(chǎn)成本及后續(xù)配套設(shè)施費用的前提下，可在重量減輕10%的同時，保證銑床加工精度符合設(shè)計要求。數(shù)值模擬與電測實驗的綜合應(yīng)用使得銑床設(shè)計計算更加快速、精確，有效降低了生產(chǎn)成本，并進一步提升了銑床的質(zhì)量品質(zhì)。同時為工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的理論依據(jù)，為銑床類新產(chǎn)品的研發(fā)提供了有益的指導(dǎo)。

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（編輯 趙蓉）

W eight-reduction Optim ization Design for Horizontal Gantry M illing M achine Based on ANSYS

WU Shan，XIAO Qi-dan，SUN Jin-lei，LIU Lin-chao
（College of Civil Engineering，Xinyang Normal University，Xinyang Henan 464000，China）

The simulation analysis on vertical pillar of BP-1100/700 horizontal gantry m illing machine was accomplished by the finite element analysis software ANSYS.The calculation results show that the original structure is unreasonable in design，which is the key reason for increased material amount and costs. Through adjusting the structure of vertical pillar，whichmake the optimal amount ofmaterial used under the conditions of guarantee precision and also the price performance be improved.Meanwhile，the free vibration of the original structure and redesigned structurewere analyzed.Themodal analysis showed that their principalmode of vibration has no obvious change，and after redesigned，frequency of vertical pillar increased significantly.This research solves a practical problem and also provides a reference for vertical pillar of horizontal gantry m illing machin.

horizontal gantry m illing machine；vertical pillar；optimal analysis；free vibration

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）08-0055-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.014

2014-10-22；

2014-11-28

河南省重點科技攻關(guān)項目（142102210065）；河南省科技發(fā)展計劃項目（142300410200，142300410196）；信陽師范學(xué)院博士科研啟動基金項目（0201307）；信陽師范學(xué)院校青年基金項目（2013-QN-073）；信陽師范學(xué)院大學(xué)生科研基金項目（2014-DXS-155）；河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計劃項目（2013GGJS-121）；信陽師范學(xué)院重大課題預(yù)研項目（2013ZDYY19）；信陽師范學(xué)院青年科研基金項目（2014-QN-063）；國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金資助（UI034003）；河南省高等重點科技項目（15B430008）；信陽師范學(xué)院青年骨干教師資助計劃（2015GGJS-14）；信陽師范學(xué)院大學(xué)生科技基金項目（2015-DXS-179）

吳珊（1982-），女，河南開封人，信陽師范學(xué)院講師，研究方向為機械強度分析與優(yōu)化設(shè)計；通訊作者：肖琪聃，（1982-），男，河南信陽人，信陽師范學(xué)院博士，研究方向為機床力學(xué)分析與工程應(yīng)用，（E-mail）xiaoqidan253@163.com。