基于ANSYS的門窗材專用四面刨床身設(shè)計(jì)?

孟慶軍 姜博文 胡萬明

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著我國城鎮(zhèn)化步伐的加快與居民收入的持續(xù)增長，房地產(chǎn)業(yè)欣欣向榮，大量商品房的建設(shè)為現(xiàn)代門窗行業(yè)提供了巨大的發(fā)展空間[1-2]。當(dāng)前我國門窗材加工方式正在向大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)的時(shí)代邁進(jìn)，相比于歐美等發(fā)達(dá)國家，雖然我國木工機(jī)械行業(yè)起步較晚，但在規(guī)模上不斷擴(kuò)大，技術(shù)上推陳出新，正在逐步縮小與發(fā)達(dá)國家之間的差距[3-5]。為提高木材的加工利用率和加工效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，研發(fā)設(shè)計(jì)一臺(tái)專用于門窗材加工的四面刨具有重要意義[6-8]。四面刨的床身作為各工作部件的裝配基礎(chǔ)，床身結(jié)構(gòu)直接決定了設(shè)備的重量以及運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)而決定了門窗材的加工質(zhì)量。因此，本文對(duì)四面刨床身進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究。

1 門窗材專用四面刨整機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合四面刨床加工門窗材工藝分析[9-12]，本研究首先對(duì)門窗材四面刨的整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖1 所示，整機(jī)主要由前進(jìn)料臺(tái)組件、床身、第一下刨刀軸組件、右刨刀軸組件、銑形主軸一組件、銑形主軸二組件、上刨刀軸組件、第二下刨刀軸組件、進(jìn)料系統(tǒng)組件等組成。

圖1 門窗材專用四面刨總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the special four-sided planer of door and window material

在四面刨工作過程中，前進(jìn)料工作臺(tái)通過四桿機(jī)構(gòu)與床身連接，目的是使進(jìn)料工作臺(tái)面始終保持水平，前進(jìn)料工作臺(tái)可短距離上下升降，工作臺(tái)面與下刨刀軸的切削圓之間的距離即為下刨刀軸的切削量，升降機(jī)構(gòu)通過絲杠螺母手動(dòng)調(diào)整，各刀軸組件均由三相異步電動(dòng)機(jī)通過平皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)刀軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削加工。此外，銑型主軸一組件和銑型主軸二組件可獨(dú)立進(jìn)行橫向進(jìn)給和垂直升降換刀，垂直升降換刀機(jī)構(gòu)由一臺(tái)2.0 kW的伺服電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速器驅(qū)動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)垂直升降換刀。上刨刀組件由一臺(tái)0.75 kW的三相異步電動(dòng)機(jī)通過蝸輪蝸桿減速器驅(qū)動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上刨刀軸的高度調(diào)整。進(jìn)料驅(qū)動(dòng)組件包括上壓輥和下壓輥兩部分，由一臺(tái)11 kW的Y160M1-2 型三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力通過V帶傳遞到減速器，再經(jīng)萬向聯(lián)軸器將動(dòng)力傳送到壓輥。送料系統(tǒng)的橫梁可整體升降，升降機(jī)構(gòu)由升降電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速器和絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降，其主要作用是在檢修或工件厚度差異較大時(shí)調(diào)整壓輥和上刨刀軸的高度。上壓輥組件每個(gè)壓輥前端還裝有擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和小型調(diào)整氣缸，以適應(yīng)工件厚度變化較小時(shí)實(shí)現(xiàn)工件的壓緊。

2 床身組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

床身是四面刨運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是四面刨各工作部件的裝配基礎(chǔ)，床身的設(shè)計(jì)直接決定了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。在床身設(shè)計(jì)時(shí)考慮機(jī)床的總體尺寸，以節(jié)省安裝面積為前提[13-15]。床身內(nèi)部的空間應(yīng)當(dāng)在鑄造工藝允許范圍內(nèi)盡可能擴(kuò)大空腔體積，以安裝機(jī)床的變速機(jī)構(gòu)、潤滑機(jī)構(gòu)、電器元件、排屑裝置等。目前市場上四面刨床身分為兩種，即鑄造床身和焊接床身。本文所設(shè)計(jì)的門窗材專用四面刨由于銑型主軸進(jìn)給要求，無法將床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體鑄造，故而將床身拆分為前后兩部分分開鑄造，鑄造后再統(tǒng)一安裝在槽鋼底座上進(jìn)行定位和調(diào)整。四面刨床身結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 床身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the bed structure

床身是整個(gè)門窗材專用四面刨的基礎(chǔ)，各主軸與工作臺(tái)面的平行度和垂直度均需依靠床身的加工精度來保證[16]。按照加工工藝要求，首先應(yīng)加工床身的下安裝面，然后以此為基準(zhǔn)再加工其他的安裝面。在加工鑄造床身時(shí)首先在龍門銑床上進(jìn)行粗加工，留出一定的加工余量，粗加工后，床身會(huì)產(chǎn)生一定的變形，需要經(jīng)過時(shí)效處理后再進(jìn)行后續(xù)的精加工。

床身結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)會(huì)因受熱不均產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和變形，因此需在焊接過程中以及焊接后檢查變形量，如果超過允許最大變形量，則應(yīng)進(jìn)行校正，以防止發(fā)生由于變形而產(chǎn)生的加工量不均，甚至加工量不足的情況。

3 專用四面刨床身有限元分析

3.1 四面刨床身靜力學(xué)分析

床身是整臺(tái)機(jī)器的工作基礎(chǔ)和支撐單元，床身的結(jié)構(gòu)性能直接影響到木門窗材專用四面刨的加工性能。其裝配有機(jī)床的各個(gè)主軸和進(jìn)給系統(tǒng)，并承受工作載荷，床身產(chǎn)生較大的變形或振動(dòng)將直接影響其他零部件的安裝和刀軸加工的精度，檢驗(yàn)床身的強(qiáng)度和剛度對(duì)于床身設(shè)計(jì)非常重要。

為驗(yàn)證床身強(qiáng)度，對(duì)其進(jìn)行有限元分析的前處理后，施加載荷和約束，并進(jìn)行Solve求解計(jì)算，提取床身的應(yīng)力和變形云圖如圖3 和圖4 所示。

圖3 床身的應(yīng)力云圖Fig.3 Stress cloud diagram of the bed structure

如圖3 所示，床身結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力出現(xiàn)在鑄造床身與槽鋼底座安裝梁處，此外較大應(yīng)力分布較多的區(qū)域還有進(jìn)料系統(tǒng)安裝座的筋板附近和槽鋼底座上，主要是由于進(jìn)料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重力較大，考慮到受力的合理性在導(dǎo)柱座下方增加了筋板。由圖可知，床身結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為46.568 MPa，材料強(qiáng)度安全系數(shù)值選定為[S]，槽鋼的屈服強(qiáng)度為σb=235 MPa，則許用應(yīng)力值如下[17-18]：

由計(jì)算公式（1）可得床身槽鋼結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值為[σ]=117.5 MPa，床身所受最大應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力值[σ]，因此床身的強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖4 床身的變形云圖Fig.4 Strain cloud diagram of the bed structure

從圖4 可以看出，床身最大變形處發(fā)生在床身進(jìn)料系統(tǒng)升降橫梁安裝座的位置，最大變形量為0.281 14 mm。這是由于進(jìn)料系統(tǒng)整體重力較大，且升降導(dǎo)柱套筒采用懸臂形式，因此易產(chǎn)生變形，但從變形數(shù)據(jù)結(jié)果來看，床身結(jié)構(gòu)的變形量未超過GB 12557—2010《木工機(jī)床 安全通則》中規(guī)定的機(jī)床變形量要求，完全符合設(shè)計(jì)和使用精度的要求。

綜合上述力和變形云圖的分析可知，床身的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度能保證門窗的加工精度，滿足實(shí)際設(shè)計(jì)與生產(chǎn)要求。

3.2 四面刨床身模態(tài)分析

通過在workbench中建立模態(tài)分析Modal模塊，并將前文的靜力學(xué)分析的載荷及結(jié)果施加在模態(tài)分析中，在床身受到預(yù)應(yīng)力的情況下求解其模態(tài)振型，獲得其六階振型的固有頻率值如圖5所示。床身的模態(tài)振型云圖如圖6所示。

圖5 床身結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型固有頻率Fig.5 Natural frequencies of vibration modes of the bed structure

由圖5 可知，床身結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型頻率范圍為98.1～230.77 Hz，為更直觀地了解每一模態(tài)振型所對(duì)應(yīng)的共振階數(shù)、振動(dòng)方向以及變形位置，床身的振動(dòng)和變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。六階振型中前三階所對(duì)應(yīng)的固有頻率為床身在不同方向上所產(chǎn)生的一階共振，后三階所對(duì)應(yīng)的固有頻率為床身在不同方向上所產(chǎn)生的二階共振。

由于主軸的最大轉(zhuǎn)速為n=6 800 r/min，根據(jù)振源頻率公式f=n/60 可求得機(jī)床最大振源頻率為113.33 Hz。而通過上述對(duì)床身結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析可知，床身產(chǎn)生一階共振的最小頻率為98.1 Hz，床身的振源頻率大于模態(tài)固有頻率，表明在門窗加工過程中，床身結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，因此應(yīng)對(duì)床身的中間面板安裝梁處重新進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

表1 床身結(jié)構(gòu)前六階振動(dòng)和變形Tab.1 First six vibration and deformation of the bed structure

圖6 四面刨床身模態(tài)振型云圖Fig.6 Cloud diagram of vibration modes of the fourside planer bed

4 床身結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過上述有限元仿真分析可知，床身的強(qiáng)度和變形均在合理的范圍之內(nèi)，但是上述模態(tài)分析表明，其有存在共振的可能。因此有必要對(duì)床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化。由于床身可能發(fā)生共振的點(diǎn)主要在中間面板安裝梁處，因此主要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該處由型材焊接加工而成，對(duì)此可以通過改變型材的截面尺寸進(jìn)行床身參數(shù)優(yōu)化或加筋板進(jìn)行加固。根據(jù)GB/T 706—2016《熱軋型鋼》中列出的型材規(guī)格要求[23-25]，選取規(guī)格更大的型材（12.6#槽鋼）作為方案一，對(duì)中間面板安裝梁加筋板作為方案二，分別對(duì)兩種改進(jìn)方案和原模型進(jìn)行有限元對(duì)比分析，得出相應(yīng)的應(yīng)力、變形和一階固有頻率最小值，見表2。

表2 床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后靜力學(xué)分析對(duì)比Tab.2 Comparison of statics analysis after bed structure optimization

通過原模型與方案一、方案二的分析結(jié)果對(duì)比可知，相比于原模型結(jié)構(gòu)，兩種改進(jìn)方案對(duì)床身的最大應(yīng)力和最大變形影響不大，而對(duì)于一階固有頻率，方案二的改進(jìn)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于方案一。因此最終選定方案二作為優(yōu)化改進(jìn)方案，即對(duì)床身的中間面板安裝梁加筋板以避免產(chǎn)生共振。將改進(jìn)后的機(jī)床床身振動(dòng)和變形情況進(jìn)行歸納，見表3，模態(tài)振型云圖如圖7 所示，床身一階固有頻率為132.7 Hz，大于振源頻率113.33 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 改進(jìn)后床身振動(dòng)和變形歸納表Tab.3 Summary of vibration and deformation of the improved bed structure

圖7 四面刨床身模態(tài)振型云圖Fig.7 Cloud diagram of vibration modes of the fourside planer bed

5 結(jié)語

本文基于四面刨加工門窗材工藝，對(duì)門窗材專用四面刨進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用ANSYS軟件對(duì)其床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖以及變形云圖，分析表明：設(shè)計(jì)的門窗材專用四面刨的床身剛度、強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)及使用要求；進(jìn)一步對(duì)床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到床身結(jié)構(gòu)的前六階振型云圖，對(duì)其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)階數(shù)、振動(dòng)方向和最大變形位置及其最小的一階固有頻率與振源頻率分析表明，機(jī)床在加工過程中可能會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，鑒于此，對(duì)床身進(jìn)行了進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使固有頻率達(dá)到加工要求，整機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性增強(qiáng)。