立式數(shù)控平面刃磨床床身設(shè)計(jì)與模態(tài)分析

胡 明，童寶宏，胡三寶，王 濤，陶 霞，蘇家磊

(1.安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司, 安徽 馬鞍山 243000;2.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

立式數(shù)控平面刃磨床作為一種刃具磨削設(shè)備主要用于導(dǎo)軌制造、刀片制造、軸承制造，可滿足不同的刀具磨削角度。床身作為立式數(shù)控平面刃磨床的重要組成部分，其剛度及強(qiáng)度對磨削刀具表面加工質(zhì)量有著不可忽視的影響。

現(xiàn)有平面刃磨床床身在磨削加工過程中因各部件連接處間隙的存在會產(chǎn)生異常振動(dòng)，該現(xiàn)象的出現(xiàn)對刀具表面加工質(zhì)量有著較為嚴(yán)重的影響。焊接工藝作為一種常見的零部件連接方式，可有效地增大部件的強(qiáng)度和剛度[1,2],通過全焊接工藝連接床身各部件可有效地減少現(xiàn)有床身中的異常振動(dòng)，增加現(xiàn)有床身的氣密性和水密性[3]。此外，全焊接工藝床身經(jīng)過充分振動(dòng)時(shí)效處理工藝[4,5]后不僅具有足夠的強(qiáng)度和剛性，還擁有良好的長期精度和穩(wěn)定性。本文采用ANSYS Workbench對改進(jìn)后的立式數(shù)控平面刃磨床床身進(jìn)行模態(tài)分析[6,7]，以驗(yàn)證其剛度及強(qiáng)度。

1 立式數(shù)控平面刃磨床床身整體結(jié)構(gòu)

立式數(shù)控平面刃磨床由機(jī)床床身、長矩形工作室、橫向?qū)к?、垂直?dǎo)軌、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 立式數(shù)控平面刃磨床整體結(jié)構(gòu)

床身是數(shù)控平面刃磨床的基座與載體，主要由左右兩個(gè)擋板、前后兩個(gè)墻板、底面封板及工作臺底板焊接形成半封閉式箱型機(jī)床床身，在工作臺底板和底面封板間焊有橫支撐板，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 立式數(shù)控平面刃磨床床身結(jié)構(gòu)示意圖

2 立式數(shù)控平面刃磨床床身有限元模型建立

在Inventor 2018中建立床身結(jié)構(gòu)模型，外形尺寸為3 080 mm×700 mm×592 mm。此外，為提高網(wǎng)格質(zhì)量及節(jié)省計(jì)算時(shí)間，簡化幾何模型中對數(shù)值計(jì)算結(jié)果幾乎無影響的螺孔、倒角、圓角等微小特征結(jié)構(gòu)，床身簡化模型如圖3所示。將簡化后的床身幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 19.0中，在床身底面螺孔處施加固定約束，設(shè)置實(shí)際工作時(shí)與工件直接接觸的兩個(gè)工作臺支撐座底座的網(wǎng)格尺寸為1 mm，其他非直接接觸結(jié)構(gòu)件的網(wǎng)格尺寸為20 mm，得到的床身有限元模型如圖4所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 813 128、單元數(shù)為647 842。床身材料為灰鑄鐵HT300，其密度為7 300 kg/m3、彈性模量為140 GPa、泊松比為0.27。

圖3 床身簡化模型 圖4 床身有限元模型

3 立式數(shù)控平面刃磨床床身模態(tài)分析

模態(tài)分析得到的立式數(shù)控平面刃磨床床身前6階模態(tài)振型如圖5所示，各階約束模態(tài)頻率如表1所示。

表1 床身前6階約束模態(tài)頻率

由圖5可看出：1階振型主要表現(xiàn)為床身兩側(cè)的V形斜板沿Z軸彎曲；2階振型主要表現(xiàn)為床身兩側(cè)的V形斜板沿Z軸扭曲；3階振型主要表現(xiàn)為床身兩側(cè)的V形斜板沿Y軸彎曲；4階振型主要表現(xiàn)為床身兩側(cè)的V形斜板沿Y軸扭曲；5階振型主要表現(xiàn)為床身兩側(cè)的V形斜板沿X軸彎曲；6階振型主要表現(xiàn)為床身兩側(cè)的V形斜板沿X軸扭曲。通過床身結(jié)構(gòu)的振型以及頻率可知主要是床身兩側(cè)V形斜板出現(xiàn)振動(dòng)，產(chǎn)生不同程度的變形，頻率最大值為16.705 7 Hz。

圖5 床身前6階模態(tài)振型

立式數(shù)控平面刃磨床電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，極對數(shù)為3，通過計(jì)算得到頻率為72 Hz。該頻率遠(yuǎn)離床身1階～6階頻率區(qū)，即不會與床身結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。結(jié)合床身低階固有頻率的變化趨勢可知，床身振型不會突變，則床身的頻率變化平滑，動(dòng)態(tài)特性良好。

4 結(jié)語

本文在現(xiàn)有立式數(shù)控平面刃磨床的基礎(chǔ)上對機(jī)床床身進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，對機(jī)床床身采用全焊接和振動(dòng)時(shí)效處理工藝。采用ANSYS Workbench對改進(jìn)后床身進(jìn)行模態(tài)分析，驗(yàn)證了改進(jìn)后機(jī)床床身具有良好的剛性及動(dòng)態(tài)特性。