機(jī)床床身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

魏子堯昃向博呂守堂公培強(qiáng)鮑紅生鄧 濤

（1.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.濟(jì)南第一機(jī)床有限公司，濟(jì)南 250000）

機(jī)床床身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

魏子堯1昃向博1呂守堂2公培強(qiáng)2鮑紅生2鄧 濤1

（1.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.濟(jì)南第一機(jī)床有限公司，濟(jì)南 250000）

本文針對(duì)MJ-520MC/Y斜床身數(shù)控車銑復(fù)合加工中心，首先三維實(shí)體建模斜床身；其次，計(jì)算斜床身載荷參數(shù)，運(yùn)用有限元軟件ANSYSWorkbench14.0進(jìn)行模態(tài)分析，得出斜床身前六階的固有頻率和振型，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果優(yōu)化改進(jìn)；最后，再次模態(tài)分析優(yōu)化后結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行對(duì)比，前三階的固有頻率分別提高15.61%、14.63%和16.07%，有效提高機(jī)床穩(wěn)定性，提高對(duì)工件的加工精度，為下一步斜床身車銑復(fù)合加工中心的改進(jìn)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

機(jī)床床身 固有頻率 模態(tài)分析 振型

引言

車銑復(fù)合加工中心是把車削和銑削工藝整合，在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的車削和銑削加工，這種整合比分別車削和銑削的加工精度更高[1-3]。斜床身動(dòng)態(tài)性能直接影響機(jī)床整機(jī)性能，特別是對(duì)機(jī)床整機(jī)的抗振性能、加工精度等影響較大。分析斜床身結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，可為斜床身設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)，避免因共振造成的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)機(jī)床床身動(dòng)態(tài)性能研究的方法應(yīng)用最多的是模態(tài)分析法。通過(guò)模態(tài)分析結(jié)果，判斷振型對(duì)加工精度的影響，優(yōu)化改進(jìn)斜床身，達(dá)到機(jī)床對(duì)加工質(zhì)量和加工精度的使用要求。將低階固有頻率作為動(dòng)態(tài)分析改進(jìn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)，提高床身固有頻率，有效提高機(jī)床穩(wěn)定性，提高對(duì)工件的加工精度，為下一步斜床身車銑復(fù)合加工中心的改進(jìn)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)[4]。

1 機(jī)床床身有限元模型的建立

MJ-520MC/Y配置臥式回輪動(dòng)力型刀架，機(jī)床Y軸進(jìn)給采用虛擬Y軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面銑削作業(yè)[5]，整機(jī)三維模型如圖1所示。

圖1 車銑復(fù)合加工中心整機(jī)三維模型

1.1 模型簡(jiǎn)化

斜床身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以完全按照實(shí)物建立有限元模型。在有限元網(wǎng)格劃分前需簡(jiǎn)化斜床身。簡(jiǎn)化的原則是：（1）在CAD建模時(shí)力求精確，真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性；（2）直線化和平面化處理CAD模型中的小錐度、小曲面[6]。

根據(jù)以上原則簡(jiǎn)化斜床身的模型：刪除導(dǎo)軌上的所有螺紋孔。車銑復(fù)合加工中心整機(jī)模型如圖1所示，簡(jiǎn)化后斜床身（如圖2所示）結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性未發(fā)生改變，但為后續(xù)高效分析計(jì)算提供幫助。

圖2 斜床身虛擬樣機(jī)模型

1.2 定義單元屬性與網(wǎng)格劃分

1.2.1 定義單元屬性

由于斜床身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是不規(guī)則的幾何體，所以選用四面體單元模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)，經(jīng)考慮，選擇SOLID187四面體單元[7]。

1.2.2 網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格劃分時(shí)，需遵循以下幾點(diǎn)原則：（1）模型結(jié)構(gòu)和實(shí)際結(jié)構(gòu)盡可能相同；（2）根據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模來(lái)選擇合適的單元大??；（3）單元體應(yīng)盡量勻稱齊整。

2 模態(tài)分析

2.1 斜床身的材料特性

斜床身材料為灰鑄鐵，具體的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 斜床身材料特性

2.2 載荷施加

對(duì)于包含預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的模態(tài)分析，其固有頻率分析結(jié)果比不包含預(yù)應(yīng)力時(shí)大，更符合實(shí)際情況。所以本文采用包含預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的模態(tài)分析，對(duì)受力情況轉(zhuǎn)化計(jì)算。

由于牽扯零件眾多，篇幅有限，其分析過(guò)程不做介紹，其受力結(jié)果直接給出。機(jī)床接觸構(gòu)件示意圖如圖3所示。

圖3 機(jī)床接觸構(gòu)件示意圖

假定刀架、主軸箱、尾座等部件的材料都為普通碳鋼，將車床模型導(dǎo)入SolideWorks中，得出它們的質(zhì)量分別為650kg、470kg、240kg。那么，它們對(duì)斜床身的作用力即為各自的重力G1、G2、G3，分別是6500kg、4700kg、2400kg。這三個(gè)力分別施加在它們各自的支撐處。斜床身受到的外力經(jīng)過(guò)計(jì)算，分別是G1為6500N，G2為4700N，G3為2400N，M1為400N·m，M2為613N·m，M3為613N·m[8]。

2.3 有限元分析及結(jié)果討論

通過(guò)自由劃分網(wǎng)格和掃掠的方法將模型劃分，劃分網(wǎng)格的有限元模型如圖4所示。

圖4 斜床身的有限元模型

對(duì)斜床身施加約束條件，斜床身是由底面11個(gè)螺栓固定在底座上，分別對(duì)床身的11個(gè)節(jié)點(diǎn)施加x、y、z三個(gè)方向的完全約束[9]。

機(jī)床工作時(shí)，只有少數(shù)低階模態(tài)起主要作用，所以只分析前六階模態(tài)，通過(guò)ANSYS Workbench分析求解，分析得到固有頻率和振型，通過(guò)模態(tài)分析可分析得到各階模態(tài)振型（見(jiàn)表2）和振型圖（如圖5～圖10所示）。

表2 斜床身前六階固有頻率及振型描述

圖5 床身第一階振型

圖6 床身第二階振型

圖7 床身第三階振型

圖8 床身第四階振型

圖9 床身第五階振型

圖10 床身第六階振型

3 結(jié)果分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

分析斜床身振型可知，前六階振型中，其上導(dǎo)軌變形量較大，兩側(cè)變形量較??；分析固有頻率可知，前六階固有頻率較低，因此單位剛度較低，穩(wěn)定性較差。為提高固有頻率，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)尺寸、上導(dǎo)軌和底座厚度。但為保證其加工范圍要求，斜床身主要結(jié)構(gòu)尺寸不變，因此只改進(jìn)上導(dǎo)軌和底座厚度。具體改進(jìn)措施為：（1）增加上導(dǎo)軌厚度。改善上導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)受力，提高穩(wěn)定性，保證加工精度；（2）增加底座厚度。增加底座穩(wěn)定性，減小變形量，增加斜床身穩(wěn)定性。

改進(jìn)后底座結(jié)構(gòu)加工工藝難度與改進(jìn)前相比相差較小。上導(dǎo)軌承擔(dān)托板的垂直方向和水平方向載荷，改善了導(dǎo)軌受力狀態(tài)，更適合精密元件加工。改進(jìn)后的斜床身模型如圖11所示。對(duì)改進(jìn)后斜床身模型進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)模態(tài)分析可分析得到各階模態(tài)振型（見(jiàn)表3）和振型圖（如圖12～圖17所示）。

圖11 改進(jìn)后的斜床身模型

表3 斜床身前六階固有頻率及振型描述

圖12 床身第一階振型

圖13 床身第二階振型

圖14 床身第三階振型

圖15 床身第四階振型

圖16 床身第五階振型

圖17 床身第六階振型

對(duì)比改進(jìn)前后振型得，改進(jìn)后床身變形量變??；對(duì)比改進(jìn)前后固有頻率(詳細(xì)見(jiàn)表4)得，固有頻率得到提高，斜床身結(jié)構(gòu)剛度得到改善，穩(wěn)定性和加工精度得到提高。

表4 改進(jìn)前后固有頻率對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

（1）利用ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)斜床身進(jìn)行模態(tài)分析，分析得到各階模態(tài)振型圖和斜床身變形特點(diǎn)，確定影響機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的主要因素為上導(dǎo)軌和底座。

（2）優(yōu)化改進(jìn)斜床身的上導(dǎo)軌和底座，與原結(jié)構(gòu)相比，加工工藝難度相差較小，改善了上導(dǎo)軌的受力狀態(tài)，機(jī)床穩(wěn)定性和加工精度得到提高。

（3）對(duì)比改進(jìn)前后斜床身模態(tài)分析結(jié)果，前三階固有頻率改進(jìn)后分別提高6.10%、5.02%和5.43%，斜床身結(jié)構(gòu)剛度得到改善，穩(wěn)定性和加工精度得到提高，為下一步斜床身車銑復(fù)合加工中心的改進(jìn)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

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Modal Analysis and Structure Improvement of Machine Tool Bed

WEI Ziyao1, ZE Xiangbo1, LV Shoutang2, GONG Peiqiang2, BAO Hongsheng2, DENG tao1
(1.School of Mechanical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022; 2.Jinan First Machine Tool Co., Ltd., Jinan 250022)

Turning and Milling Machining Center is the turning and milling process integration, in a machine tool to achieve the workpiece turning and milling, the integration ratio of turning and milling, respectively, higher precision machining. In this paper, the MJ-520MC/Y slant bed CNC turning milling machining center, the first slant bed for three-dimensional solid modeling. Secondly, the load parameters of slant bed are calculated, and the modal analysis of slant bed is carried out by ANSYSWorkbench14.0. The natural frequencies and modes of the first six slopes are obtained. According to the modal analysis results, the natural frequencies of the first three orders are improved by 15.61%, 14.63% and 16.07% respectively, which can effectively improve the stability of the machine tool and improve the machining accuracy of the workpiece and improve the precision of the machine tool. Finally, which will lay a solid foundation for the next step of the lathe bed turning milling compound machining center.

machine tool bed, natural frequency, modal analysis, vibration mode

山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)“高速精密車銑復(fù)合虛擬軸加工工藝與裝備開(kāi)發(fā)”。