基于有限元分析方法的新型機床設(shè)計

劉妍

摘要：傳統(tǒng)的機床產(chǎn)品設(shè)計當(dāng)中，多是采用以人工經(jīng)驗為主的設(shè)計形式進行經(jīng)驗設(shè)計，產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)以及耦合性能往往達不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，這為后期的運維和檢修也帶來了一定的難度，機床在實際的運行過程中工作效率較低，并且還可能存在潛在的作業(yè)危險等問題。立式加工機床能夠有效的解決工作效率和安全性能等問題，對此本文重點探究了立式加工中心動態(tài)性能對切削性能的影響，對工作臺和主軸箱在不同切削工藝參數(shù)情況下的功率譜進行了有限元模擬分析。結(jié)果表明，新式的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有效的替代了人工操作的過程，同時也增強了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可靠性較高。

關(guān)鍵詞：有限元;機床設(shè)計;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0082-02

0? 引言

工藝制造業(yè)是衡量一個國家工業(yè)技術(shù)水平的核心，同時裝備制造水平也是一個國家綜合國力的體現(xiàn)。作為制造業(yè)當(dāng)中的制造母機，高速立式加工中心在裝備制造當(dāng)中具有著不可小覷的作用，其性能的好壞直接決定著加工零件的工藝水平，因此對其性能的研究顯得尤為重要。然而機床的動態(tài)性能是影響加工樣件的尺寸精度及表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1]。因此建立系統(tǒng)而有效的動態(tài)性能測試與分析方法，并將其應(yīng)用在機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化過程但當(dāng)中，具有重要意義。同時依靠仿真分析結(jié)合實際測試的方法進行機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，也可以大大縮減設(shè)計周期，并行之有效的達到優(yōu)化設(shè)計的目的，模擬+實測的設(shè)計形式有效的提升產(chǎn)品主要關(guān)鍵部件的動態(tài)性能[2]，提升整機的動態(tài)性能，對于提升機床切削性能意義重大，有效的提升了產(chǎn)品在市場中的競爭力。

1? 加工中心工作臺和主軸箱動態(tài)性能對切削性能的影響分析

為了研究立式加工中心動態(tài)性能對切削性能的影響，首先對工作臺和主軸箱在不同切削工藝參數(shù)情況下的功率譜進行了模擬分析，通過觀察比對加工中心切削過程中的功率譜圖，可得知在工作臺和主軸箱轉(zhuǎn)速、進給量變化時不同頻段上能量的變化，從而確認加工中心工作狀態(tài)對加工過程的影響。為優(yōu)化切削工藝參數(shù)，避免顫振現(xiàn)象提供依據(jù)，本研究對于其動態(tài)特性的研究，主要做了兩方面的工作，如圖1所示。

一方面通過隨機環(huán)境激勵和運行模態(tài)法，獲得加工中心工作臺的動態(tài)性能參數(shù);另一方面通過不同工藝參數(shù)下的切削試驗，得到加工中心工作臺的功率譜圖。并將該功率譜圖與模態(tài)分析結(jié)果相對比，給出加工中心的優(yōu)化設(shè)計方案以及避免顫振現(xiàn)象的切削工藝參數(shù)。

2? 模擬工況的設(shè)計

傳統(tǒng)的機床零部件設(shè)計當(dāng)中，零部件的種類和數(shù)量較多。本文結(jié)合著導(dǎo)軌的設(shè)計進程進行了詳細的說明。首先先結(jié)合著卷尺對工作臺進行基本的尺寸測量。為后續(xù)的有限元建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。根據(jù)繪制的基本圖紙在Solid Works軟件當(dāng)中建立三維模型。并通過尺寸標(biāo)注的形式對模型進行約束。完成基礎(chǔ)模型的建立后使用凸臺的拉伸命令對模型進行拉伸，最終完成機床的整機模型[3]。

2.1 機床零部件有限元模型的建立

①主軸。在SW軟件建立完成模型后，通過ANSYS軟件進行無縫銜接，導(dǎo)入到模型當(dāng)中進行有限元分析。同時進行參數(shù)化的屬性設(shè)置和參數(shù)設(shè)置，對部分邊緣參數(shù)進行輕量化的設(shè)置，最大限度的減少軟件分析時的運算和計算量，進而提升計算效率。其主要材料屬性參數(shù)如表1所示。

②導(dǎo)軌。導(dǎo)軌模型的簡化與主軸類似，這里就不作贅述。其主要材料屬性參數(shù)如表2所示。

2.2 機床零部件模態(tài)分析

在主軸的計算進程中，需要重點進行模態(tài)的計算，依據(jù)此前的主軸設(shè)計邊界條件作為彈性支撐，目的是進一步的模擬號主軸在實際環(huán)境當(dāng)中與軸承之間的支撐關(guān)系。

同時導(dǎo)軌的模態(tài)分析與主軸的分析相類似，基于上述測試分析方法和測試系統(tǒng)對原有立式加工中心進行了詳細的動力學(xué)模式識別研究。

3? 立式加工中心整體模式識別

立式加工中心整體及相關(guān)分析模型和測量分布如圖2所示。模型坐標(biāo)系為機床標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。測試中分布63個三向加速度傳感器測量其在隨機振動環(huán)境下的振動響應(yīng)，實驗共分三組，其中1-6測試點為公共測試點。

同時將測試采集到的時程數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)變換等一些列處理后載入到模式識別軟件中進行快速傅里葉變換，得到整體在非工作狀態(tài)環(huán)境下的功率譜密度如圖3所示，這里展示的是三組測試的功率譜密度圖。

依據(jù)非工作狀態(tài)環(huán)境下的功率譜密度情況，考慮到低階固有頻率相對比較容易與外部條件耦合，因此本項研究所有模態(tài)識別范圍皆取至500Hz附近最為穩(wěn)定。

4? 加工中心工作臺動態(tài)對切削性能的影響分析

機械部件的機械性能受到為解決現(xiàn)有機床產(chǎn)品動態(tài)性能不足的問題，本文基于有限元方法及動態(tài)性能測試與分析聯(lián)合研發(fā)的新型高速立式加工中心，利用有限元分析得到機床零件的合理結(jié)構(gòu)，通過動態(tài)性能測試與分析進一步優(yōu)化機床整體結(jié)構(gòu)，使得機床動態(tài)性能和穩(wěn)定性得到了提高。其立式加工中心的主軸箱部分固有頻率和阻尼比的識別結(jié)果計算結(jié)果如表3所示。

表3所展示的是主軸箱部分固有頻率和阻尼比的識別結(jié)果，為整體分步測試整合后振型的模態(tài)置信準(zhǔn)則值。從表3反映的是模態(tài)置信準(zhǔn)則MAC的值，其數(shù)值基本在0.02-0.14之間，此時印證了振型優(yōu)化整合質(zhì)量。并且通過多次分析計算，將逐級機床裝配體剛度對切削過程中刀尖變，進而有針對性地降低大件質(zhì)量。對優(yōu)化前后模型進行模態(tài)分析，驗證了機床動態(tài)參數(shù)指標(biāo)。結(jié)果顯示，該方法可以有效對重型機床大件進行減重，對重型機床的輕量化設(shè)計有一定指導(dǎo)意義。根據(jù)模擬結(jié)果以及功率譜密度值可以總結(jié)出：①整體機床立柱剛度良好，在200Hz以內(nèi)，主要振動部位為機床的底座（考慮為機床擺放位置不水平），200Hz之后，主要振動部件為主軸箱。②機床在配重1的情況下，立柱變現(xiàn)良好，底座振動明顯，配重振動較大。③機床在配重2的情況下，四階138.03Hz之前，立柱上半部位振動，主軸箱在四階138.03Hz之后振動明顯。④機床在S10000的情況，功率譜密度圖相較與其他轉(zhuǎn)速，功率譜密度大，在低階的情況下，共振頻率多，在實際測試中，轉(zhuǎn)速在S10000時，發(fā)生振紋明顯在轉(zhuǎn)速為S25000的情況，進給在1500以下時，在300Hz存在功率幅值較為大的共振頻率，考慮在此轉(zhuǎn)速下進給變大。

5? 結(jié)語

隨著市場競爭的日趨激烈，輕量化設(shè)計理念越來越受到機床（尤其是重型機床）廠家的重視。對于重型機床而言，輕量化設(shè)計更多的情況是在設(shè)計中通過優(yōu)化大件結(jié)構(gòu)降低大件質(zhì)量而達到節(jié)省原材料節(jié)約成本的目的。然而，如何進行優(yōu)化、能減重到什么程度、原則是什么，卻很難界定。對此通過某型號機床的裝配結(jié)構(gòu)進行有限元的模擬分析和實際的測算，進而有效的得到了各個參數(shù)設(shè)置對于機床切削剛度的影響。并依據(jù)實際的參數(shù)數(shù)據(jù)性能進行二次測量分析和驗證。證明了通過本次設(shè)計的方法能夠有效的達到提升剛度并且減輕重量的目的。進而有效的提升了機床的動態(tài)性能。

參考文獻：

[1]李天箭，丁曉紅，李郝林.機床結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計研究進展[J].機械工程學(xué)報，2020，56（21）：186-198.

[2]朱軍.基于有限元分析的高速精密數(shù)控機床床鞍機構(gòu)設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造工程，2020，49（04）：46-50.

[3]韓鳳霞.高端數(shù)控機床服役過程可靠性評價與預(yù)測[D].機械科學(xué)研究總院，2020.