鑄鐵與鑄鋼底座靜動(dòng)態(tài)特性分析

于艷東

(山東魯南機(jī)床有限公司，山東滕州277500)

底座主要用于支撐立柱、工作臺(tái)、主軸箱等基礎(chǔ)零部件，是加工中心最重要的基礎(chǔ)部件之一，它的動(dòng)靜剛度是影響機(jī)床加工精度、整體剛性、抗振性能的重要因素。采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，很難得出一個(gè)準(zhǔn)確的衡量數(shù)值，也無(wú)法知道底座各部位的受力和變形情況。出于加工、成本、減震性和穩(wěn)定性等方面的考慮，加工中心底座材料通常選用鑄鐵。鑄鐵材料雖然具有許多優(yōu)越性，但在動(dòng)態(tài)性能和熱變形方面很難滿足對(duì)機(jī)械產(chǎn)品越來(lái)越高的要求[1］。近幾年，隨著新型材料(如混凝土、人造花崗巖等)的出現(xiàn)和加工工藝的提高，機(jī)床材料就有了更多的選擇。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有限元理論的成熟，商品化的有限元分析軟件在工程應(yīng)用中獲得巨大成功[2］。本文采用工程上比較成熟的分析軟件Workbench對(duì)兩種材料的加工中心底座進(jìn)行靜動(dòng)剛度有限元分析。通過(guò)分析兩者之間的靜動(dòng)態(tài)特性，可以看出鑄鋼材料的靜力學(xué)性能、質(zhì)量剛度和抗震性能總體上比鑄鐵材料要好。

1 加工中心底座有限元模型

1.1 底座的三維模型

正確的建立有限元模型是進(jìn)行有限元分析的前提，因?yàn)閃orkbench與SolidWorks可以無(wú)縫銜接，所以選擇SolidWorks軟件建立三維模型，并把SolidWorks三維模型導(dǎo)入到有限元分析軟件Workbench中。

本文利用Workbench軟件對(duì)鑄鐵和鑄鋼兩種材質(zhì)的加工中心底座進(jìn)行有限元分析，并對(duì)不同壁厚的情況做進(jìn)一步分析。

1.2 材料屬性和邊界條件

鑄鐵底座材料HT250，彈性模量1.38×105 MPa，泊松比為0.156，密度為7.28×103kg/m3；鑄鋼底座材料ZG25，彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.311，密度為 7.83×103kg/m3。

由于加工中心底座安裝時(shí)采用10個(gè)地腳螺栓與地面連接，為了模擬實(shí)際受載情況，因此在進(jìn)行邊界處理時(shí)將底座與螺栓連接面進(jìn)行全約束。

1.3 有限元網(wǎng)格劃分

加工中心底座內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此采用工程上比較成熟的分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，劃分方法為HexDominant，并運(yùn)用四面體和六面體相互結(jié)合的劃分方式。ZG25-25底座和HT250-25底座自動(dòng)網(wǎng)格劃分后，得到節(jié)點(diǎn)119 062，單元64 896個(gè)，HT250-10底座自動(dòng)網(wǎng)格劃分后，得到節(jié)點(diǎn)120 182，單元65 209個(gè)。劃分后的網(wǎng)格圖，如圖1和圖2(ZG25-25表示底座材料ZG25壁厚25 mm，其余編號(hào)規(guī)則與之相同)。

2 機(jī)床底座的靜態(tài)分析

在機(jī)床切削工件的過(guò)程中，主軸位置的刀具部位受到工件的反向作用力。靜態(tài)分析時(shí)，為模擬機(jī)床底座實(shí)際承受載荷情況，對(duì)機(jī)床刀具部位施加3個(gè)方向的作用力，分別為FX＝5 140 N，F(xiàn)Y＝2 056 N，F(xiàn)Z＝2 570 N，通過(guò)ANSYS Workbench軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析得出三種底座的總體變形圖，如圖3～5。

對(duì)比HT250-10和HT250-25，兩種不同壁厚的底座總體變形圖(如圖3～4)，可以看出如下特點(diǎn):機(jī)床底座總位移變化在底座中心兩側(cè)呈對(duì)稱狀態(tài)分布，且變形狀態(tài)分布不均勻。滾珠絲杠前端安裝電動(dòng)機(jī)的底座左側(cè)兩凸臺(tái)安裝面變形量最大，其次變形量較大是滾珠絲杠另一端的底座右側(cè)兩凸臺(tái)安裝面。底座前后兩側(cè)變形較小，而底座左右兩端變形最小。HT250-25底座在負(fù)載下的靜力學(xué)最大變形為3.47 μm，而HT250-10底座在負(fù)載下的靜力學(xué)最大變形則為7.9 μm，可以看出HT250-25底座的靜力學(xué)性能更好。

對(duì)比HT250-25和ZG25-25，兩種不同材料的底座總體變形圖(如圖4～5)可以看出以下特點(diǎn):三種底座的總體變形趨勢(shì)和分布特點(diǎn)相同。HT250-25底座在此處負(fù)載下的靜力學(xué)最大變形為3.47 μm，而ZG25-25底座在此處負(fù)載下的靜力學(xué)最大變形為2.4 μm，可以看出ZG25-25底座的靜力學(xué)性能更好。

3 底座的模態(tài)分析

機(jī)床底座模態(tài)分析主要分析底座的固有頻率和振型，其作用為:避免底座受載后發(fā)生共振現(xiàn)象，同時(shí)也是進(jìn)行其他動(dòng)力學(xué)(響應(yīng)譜)分析的起點(diǎn)[3］。

因?yàn)榍皟呻A固有頻率對(duì)機(jī)床底座動(dòng)態(tài)特性會(huì)有較大影響，所以只列出三種底座前兩階模態(tài)振型圖，如圖6～11。通過(guò)ANSYS Workbench軟件分析得出三種底座的各階振型圖，為便于分析把底座的前5階振型列表，如表1～3。

通過(guò)分析可以看出，HT250-25底座一階振型特點(diǎn)是底座前后擺動(dòng)，二階振型特點(diǎn)是底座左右擺動(dòng)，三階振型特點(diǎn)是底座中間上下擺動(dòng)，四階振型特點(diǎn)是底座右肩上下擺動(dòng)，五階振型特點(diǎn)是底座繞對(duì)稱中心扭擺。HT250-10底座一階振型特點(diǎn)是底座右肩上下擺動(dòng)，二階振型特點(diǎn)是底座繞Z軸扭擺，三階振型特點(diǎn)是底座左右擺動(dòng)，四階振型特點(diǎn)是底座中間部分上下擺動(dòng)，五階振型特點(diǎn)是底座前后擺動(dòng)、底座繞Z軸扭擺。ZG25-25一階振型特點(diǎn)是底座前后擺動(dòng)，二階振型特點(diǎn)是底座左右擺動(dòng)，三階振型特點(diǎn)是底座中間上下擺動(dòng)，四階振型特點(diǎn)是底座繞對(duì)稱中心扭擺，五階振型特點(diǎn)是底座右肩上下擺動(dòng)。

HT250-25底座的起振頻率為421.35 Hz，與HT250-10底座的起振頻率390.68 Hz相比要高。在動(dòng)態(tài)特性上，HT250-25底座的各階振型頻率比HT250-10底座高，此外HT250-25的質(zhì)量大，可以得出HT250-25底座的質(zhì)量剛度也遠(yuǎn)比HT250-10底座好，抗震性能總體上HT250-25底座也遠(yuǎn)高于HT250-10底座。

ZG25底座的起振頻率為479.58 Hz，與HT250-25底座的起振頻率421.35 Hz相比要高。在動(dòng)態(tài)特性上，ZG25底座的各階振型頻率比HT250底座高，但是HT250底座的密度小，可以得出ZG25底座的質(zhì)量剛度也遠(yuǎn)比HT250底座好，抗震性能總體上ZG25底座也遠(yuǎn)高于HT250底座。

表1 HT250-10底座模態(tài)分析結(jié)果

表2 HT250-25底座模態(tài)分析結(jié)果

表3 ZG25-25底座模態(tài)分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ANSYS Workbench軟件對(duì)不同材料的加工中心底座HT250-25和ZG25-25進(jìn)行有限元分析可以得出如下結(jié)果:在靜態(tài)特性上可以看出，負(fù)載相同的情況下，ZG25-25底座的總體最大變形要小于HT250-25的總體最大變形，ZG25-25底座的靜力學(xué)性能更好。在動(dòng)態(tài)特性上，可以看出ZG25-25底座的質(zhì)量剛度也遠(yuǎn)比HT250-25底座好，抗震性能總體上ZG25-25底座也遠(yuǎn)高于HT250-25底座。

通過(guò)對(duì)不同壁厚的加工中心底座HT250-10和HT250-25進(jìn)行有限元分析可以得出如下結(jié)果:在靜態(tài)特性上可以看出，相同負(fù)載的情況下，HT250-25底座的總體最大變形要小于HT250-10的總體最大變形，HT250-25底座的靜力學(xué)性能更好。在動(dòng)態(tài)特性上，可以看出 HT250-25底座的質(zhì)量剛度也遠(yuǎn)比HT250-10底座好，抗震性能總體上HT250-25底座也遠(yuǎn)高于HT250-10底座。

可以得出結(jié)論，鑄鋼材料ZG25的靜動(dòng)態(tài)剛度比鑄鐵材料HT250好，而且壁厚越大，這些性能也就越好。這些研究為機(jī)床基礎(chǔ)件材料的選擇和壁厚的設(shè)計(jì)，提供了一種理論依據(jù)。