臥式加工中心床身結(jié)構(gòu)的有限元分析

王 瑋

（寶雞文理學(xué)院 機械工程學(xué)院，寶雞 721016）

0 引言

加工機床的高速化對機床的動態(tài)性能提出了越來越高的要求，近年來國內(nèi)外對機床結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計方面都開展了大量的研究。仇政、張松等人以加工中心進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)及工作臺為研究對象，建立了進(jìn)給系統(tǒng)的有限元模型，利用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行了分析，以提高工作臺的固有頻率為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了工作臺的尺寸優(yōu)化[1]；巫修海等人在高速臥式加工中心動態(tài)設(shè)計時候，通過動態(tài)測試的方法獲得導(dǎo)軌結(jié)合面的特性參數(shù)并將其應(yīng)用到數(shù)字仿真模型中，提高了模型的精度。在加工中心的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，對主要部件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，提高了加工中心的靜動態(tài)特性[2]；李小彭，趙志杰等人以機床床身為研究對象，建立床身的簡化有限元模型，以固有頻率作為衡量床身動態(tài)性能優(yōu)劣的指標(biāo)，重點研究床身固有頻率的變化趨勢以及主軸箱支撐臺筋板布置方式對床身動態(tài)特性的影響，并對此提出有效的解決方案[3]。

床身是機床關(guān)鍵零部件之一，是整個機床的基礎(chǔ)，主要起承重的作用[4,5]。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，以某大型臥式加工中心床身為研究對象，該床身由于采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計，缺乏相關(guān)動態(tài)特性分析的支撐，所以有必要對該臥式加工中心床身進(jìn)行動態(tài)分析，找到其結(jié)構(gòu)剛度的薄弱環(huán)節(jié)。本文首先建立了床身部件的三維模型，利用有限元軟件ANSYS Workbench對床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動態(tài)分析，為床身結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化指明了方向。

1 床身有限元模型的建立

臥式加工中心由床身、立柱、工作臺及主軸箱等部件組成。其中，床身采用三點支撐結(jié)構(gòu)，是整個機床的基礎(chǔ)；立柱采用與床身導(dǎo)軌一高一低的設(shè)計方式，大幅降低重量，實現(xiàn)輕量化，并使得該立柱組件獲得較高的動態(tài)響應(yīng)性能；主軸箱組件標(biāo)配6000rpm機械式主軸，通過兩級齒輪傳動實現(xiàn)大切削扭矩，同時選配8000～12000rpm的電主軸，可進(jìn)行高速、精密銑削，適合模具等要求較高的零件加工。用三維建模軟件SolidWorks對這些部件建立實體模型并裝配得到整機模型如圖1所示。

圖1 臥式加工中心

該臥式加工中心床身采用QT-400-15精密鑄造而成，自重8300kg；其結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)部主要采用方格筋布筋設(shè)計，筋板厚度20mm，主板壁厚25mm，X軸兩根導(dǎo)軌跨距為800mm，Z軸兩根導(dǎo)軌跨距為750mm。對原有的三維實體模型去除倒角、圓角、溝角，并去除尺寸較小的孔等加以合理簡化，取彈性模量1.69×1011Pa，泊松比0.275，采用自由劃分網(wǎng)格，劃分

后節(jié)點總數(shù)為1207916，單元總數(shù)為308403網(wǎng)格生成如圖3所示。

圖2 床身結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 床身簡化有限元模型

2 床身靜力分析

根據(jù)課題研究的內(nèi)容和機床的實際工況（立柱在X軸行程中間位置、工作臺滑座在Z軸行程后端靠近極限位置、主軸箱置于Y軸下端靠近極限150mm的位置），忽略其它附件力的影響，該臥式加工中心主要承受自身重力、工作臺最大承重、切削力等。其受力情況如表1所示。

圖4 加工中心自重與負(fù)載情況

根據(jù)表1和床身對應(yīng)的載荷分布，分別在床身的相應(yīng)安裝面上通過Remote Force命令施加立柱組件重力G2（立柱中置）、主軸組件重力G4、切削力FC、工作臺和工作臺滑座重力G5、工作臺最大承重G6，交換臺站重力G7。同時，通過Standard Earth Gravity命令或重力加速度對床身施加重力。床身實體模型最終加載情況如圖5所示。

圖5 床身載荷圖

在Solution 選項下，插入Total Deformation，Equivalent Stress等命令，從彈出的快捷菜單中選擇Equivalent All Results求解。床身的變形分布圖如圖6所示。

圖6 床身綜合變形圖

從床身綜合變形圖得，床身的最大變形位于床身前側(cè)兩個床沿角（最大變形量0.0361mm），主要是受交換臺站及零件重力、工作負(fù)載等影響；其余變形主要發(fā)生在床身后側(cè)，X床身后側(cè)導(dǎo)軌面位置等。在后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)該對這些問題進(jìn)行改善以期得到性能更好的結(jié)構(gòu)。

表1 臥式加工中心部件自重和負(fù)載情況

3 床身模態(tài)分析

加工中心床身的動態(tài)性能反映其結(jié)構(gòu)在承受動態(tài)載荷時的抗振能力，對機床的加工精度具有重要影響。高階模態(tài)阻尼值較高，在振型分析中的作用相對較小, 所以一般模態(tài)分析主要集中在對振型影響相對較大的低階模態(tài)上[6]。本文應(yīng)用ANSYS Workbench對床身進(jìn)行模態(tài)分析，給出了全約束狀態(tài)下的前四階模態(tài)分析結(jié)果，得到了床身固有頻率及相應(yīng)振型，如圖7所示。

圖7 床身模態(tài)振型圖

表2 床身前四階模態(tài)的固有頻率和振型

從床身的前四階振型圖上可以得到以下結(jié)果： 床身前側(cè)兩外沿，床身中部的位置，還有床身外側(cè)X導(dǎo)軌安裝面處等位置為薄弱環(huán)節(jié)，這種薄弱環(huán)節(jié)可能會導(dǎo)致床身剛性不足，但是其中只有中部及X向?qū)к壋锌棵鏋殛P(guān)鍵點，其余對整機精度變化造成影響不大。

4 結(jié)論

1）對試制加工中心床身進(jìn)行實體化建模并運用ANSYS Workbench有限元分析軟件對床身進(jìn)分析，得出了改床身結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性。

2）通過對前四階頻率的振型研究，分析了試制床身在不同頻率振型下的變形，指出了其結(jié)構(gòu)剛度的薄弱點，為該臥式加工中心床身的優(yōu)化打下了基礎(chǔ)并提供了一定的方向。

[1]仇政,張松,田昆,等.加工中心進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)特性分析及工作臺尺寸優(yōu)化設(shè)計[J].制造技術(shù)與機床,2017(4):56-61.

[2]巫修海,馬云芳,張建潤.高速高精度臥式加工中心動態(tài)優(yōu)化設(shè)計[J].振動與沖擊,2009,28(10):74-77.

[3]李小彭,趙志杰,聶慧凡,等.某型數(shù)控車床床身的模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2011,32(7):988-991.

[4]Yang J P,Chen S X.Vibration predictions and verifications of disk drive spindle system with ball bearings[J].Computers and Structures,2002,80(16/17):1409-1418.

[5]何成浩,尹志宏.基于有限元分析的機床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(23):5743-5747.

[6]吳曉楓,王禹林,馮虎田.大型數(shù)控螺紋磨床床身的模態(tài)分析與優(yōu)化[J].機械設(shè)計與研究,2010,26(6):114-117.