CA6140機(jī)床床身結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

何慧娟，梅 軍，馬路迅

(1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000;2.中國人民解放軍92768部隊(duì)，廣東汕頭 515828)

機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)性能對整機(jī)特性影響很大，關(guān)系到整機(jī)的加工精度和零件的加工質(zhì)量，以及整機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性與工作壽命。目前，對普通車床床身的設(shè)計缺乏有效的理論依據(jù)，床身的設(shè)計不盡合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在不少缺陷。針對這些因素，有必要進(jìn)行以減重為目的的床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。CA6140車床是普通車床中的主流車床之一，因此對該型號車床的床身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計有重要的實(shí)際意義［1－2］。本文利用三維建模軟件UG建立床身的簡化模型，導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析，求得其6階固有頻率，為以防止共振為目的的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向和依據(jù)。以床身原結(jié)構(gòu)為參考，對其腔體數(shù)量、肋板厚度及形狀進(jìn)行設(shè)計，得到4種優(yōu)化方案，逐一導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析，求得各方案質(zhì)量、固有頻率、最大振幅以及振型圖等。對各優(yōu)化后的方案作對比分析，綜合考慮剛度、固有頻率、質(zhì)量、振幅與噪聲等影響，選擇最優(yōu)方案。

1 車床床身三維模型的建立

車床零部件較多，其中對整機(jī)結(jié)構(gòu)性能影響較大的零部件主要有床身、主軸箱、溜板箱、尾架等，因此可以對CA6140車床模型進(jìn)行簡化［1］。根據(jù)CA6140實(shí)體建立的床身UG模型如圖1所示。車床模型總體長1 810 mm，寬240 mm，高397 mm。

圖1 床身UG模型

2 床身結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動屬性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和振型，模態(tài)分析在結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計中不可缺少［2］。固有頻率和振型是機(jī)械零部件承受動態(tài)載荷時結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，為了有效避免結(jié)構(gòu)在使用中因共振等因素造成的影響，對床身進(jìn)行模態(tài)分析，從而確定機(jī)床結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率、阻尼比和振型，分析結(jié)果可作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進(jìn)的理論依據(jù)［3－4］。

將UG建立的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS。設(shè)置床身材料為HT300，密度為7 850 kg/m3，泊松比μ=0.3，彈性模量 E=200 GPa，壓縮屈服強(qiáng)度為250 MPa。

在2個床腿處施加固定約束，以約束全部自由度。網(wǎng)格可劃分為1～10個精度等級，選6級精度對床身模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分出149 705個節(jié)點(diǎn)，89 260個單元，如圖2所示。在ANSYS中定義自由模態(tài)分析階數(shù)為6階進(jìn)行有限元分析［5－7］。求解得到床身前6階剛體模態(tài)振型如圖3所示。床身結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率和振型見表1。

圖2 網(wǎng)格劃分模型

圖3 床身前6階模態(tài)振型

表1 CA6140車床床身模態(tài)分析

箱體固定在床身上，內(nèi)部有齒輪傳動系統(tǒng)。若箱體激振頻率與床身的固有頻率接近時將產(chǎn)生共振，在設(shè)計中應(yīng)盡量避免。經(jīng)相關(guān)計算，齒輪嚙合振動頻率均比床身的固有頻率高，不會引起床身的共振，回轉(zhuǎn)振動頻率與床身固有頻率相近，將影響噪聲水平和穩(wěn)定性。因此，需要對床身局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使局部振型轉(zhuǎn)化為整體振型，同時改變床身結(jié)構(gòu)的固有頻率，使低階固有頻率偏離傳動軸回轉(zhuǎn)頻率，改善床身動態(tài)特性［8－9］。

3 床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及對比

3.1 優(yōu)化方案

對CA6140車床床身進(jìn)行以減重為目的的床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，保證減重后床身的靜剛度不變，固有頻率不降低。通過研究CA6140的總裝圖，明確與其他零件的裝配方式，以及裝配過程中可能出現(xiàn)的干涉、排屑、潤滑等工作要求，提出優(yōu)化方案，各方案模型見圖4。

方案1 在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加床身肋板數(shù)量和腔體數(shù)量。

方案2 在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加肋板厚度。

方案3 在方案1基礎(chǔ)上，改筋板結(jié)構(gòu)為交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

方案4 在方案1基礎(chǔ)上，改肋板結(jié)構(gòu)為V字型。

對方案1進(jìn)行模態(tài)分析，將其三維模型導(dǎo)入ANSYS中，經(jīng)求解得6階振型，如圖5所示。根據(jù)方案1的模態(tài)分析，各階固有頻率、振幅等數(shù)據(jù)見表2。

圖4 改進(jìn)后模型

圖5 方案1的前6階模態(tài)振型

表2 方案1模態(tài)分析

對方案2進(jìn)行模態(tài)分析，將其三維模型導(dǎo)入ANSYS中，經(jīng)求解得6階振型，如圖6所示。各階固有頻率、振幅等數(shù)據(jù)見表3。

圖6 方案2的前6階模態(tài)振型

表3 方案2模態(tài)分析

對方案3進(jìn)行模態(tài)分析，將其三維模型導(dǎo)入ANSYS中，經(jīng)求解得6階振型，如圖7所示。各階固有頻率、振幅等數(shù)據(jù)見表4。

對方案4進(jìn)行模態(tài)分析，將其三維模型導(dǎo)ANSYS中，經(jīng)求解得6階振型如圖8所示。各階固有頻率、振幅等數(shù)據(jù)見表5。

3.2 各方案對比分析

對優(yōu)化前后的床身模態(tài)進(jìn)行對比分析，由表6中數(shù)據(jù)及表7中固有頻率/質(zhì)量比值可知:4種優(yōu)化方案中除方案1固有頻率略低外，其余各階固有頻率均有所提高，質(zhì)量都有降低，振幅也有所減少。方案1由于增加了腔體的數(shù)量，質(zhì)量上有明顯降低，剛度卻略顯不足，且考慮到其3階固有頻率19.475 Hz與II軸回轉(zhuǎn)振動頻率19.52 Hz很接近，易發(fā)生共振，故此方案舍棄。方案2基本實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的目的，減輕了床身質(zhì)量，增加了床身剛度，但其1階固有頻率13.125 Hz與I軸回轉(zhuǎn)振動頻率13.02 Hz相接近，其3階固有頻率19.607 Hz與II軸回轉(zhuǎn)振動頻率19.52 Hz相接近，較易發(fā)生共振。方案3較好地實(shí)現(xiàn)了床身的優(yōu)化，質(zhì)量減輕，固有頻率有較大提高，有效避開了車床的回轉(zhuǎn)振動頻率及嚙合振動頻率，不易發(fā)生共振。方案4也很好地滿足了要求，但其1階固有頻率12.994 Hz與I軸回轉(zhuǎn)振動頻率13.02 Hz很接近，易發(fā)生共振。

圖7 方案3的前6階模態(tài)振型

表4 方案3模態(tài)分析

表5 方案4模態(tài)分析

圖8 方案4的前6階模態(tài)振型

表6 優(yōu)化前后各階固有頻率及質(zhì)量對比

表7 各方案固有頻率/質(zhì)量比

4 結(jié)論

綜上分析，方案3在減輕床身總質(zhì)量的同時，提高了系統(tǒng)剛度，降低了振動與噪聲，有效避開了傳動軸回轉(zhuǎn)振動頻率和齒輪嚙合振動頻率，使系統(tǒng)更安全、可靠。本文針對CA6140型號車床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，可為同類機(jī)床的研發(fā)設(shè)計提供理論參考。

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