輕質(zhì)多孔仿生結(jié)構(gòu)機(jī)床工作臺性能分析

張希峰,鞏彬,蔣鑫,梁剛,畢方淇,張立凱,寧新杰

(淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所,山東 淄博,255086)

機(jī)床性能很大程度上決定著零件的加工精度。作為機(jī)床的關(guān)鍵零部件,工作臺很大程度上決定著機(jī)床的性能。目前,對機(jī)床工作臺性能提升的研究大多是對筋板布置、筋板尺寸優(yōu)化、減質(zhì)量等方面。隨著科研人員對仿生結(jié)構(gòu)的研究逐漸加深,仿生結(jié)構(gòu)為工作臺的設(shè)計提供了一種非常有效的方法。

仿生結(jié)構(gòu)在機(jī)床上的應(yīng)用也得到重視。項菲菲等[1]采用麥稈結(jié)構(gòu)布置工作臺筋板,提高工作臺性能;田亞峰等[2]采用仿龜殼結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)床橫梁筋板,提升機(jī)床橫梁性能;張瑩等[3]采用仿龜殼結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)床床身的筋板,提高床身靜、動態(tài)性能;牛金磊等[4]采用仿葉脈結(jié)構(gòu)設(shè)計的機(jī)床平滑枕筋板,提升平滑枕性能;謝黎明等[5]采用仿芭蕉葉柄設(shè)計機(jī)床立柱;李宇鵬等[6]仿王蓮葉脈設(shè)計機(jī)床立柱,性能提高。

自然界中的竹子進(jìn)化出適合環(huán)境生存的薄壁中空結(jié)構(gòu),是一種典型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。竹子具有薄壁中空結(jié)構(gòu),良好的韌性,較高的強(qiáng)度,是自然界中具有高效能材料[7]。陳曉薇等[8]采用仿竹結(jié)構(gòu)設(shè)計電池箱體,取得了良好的效果;趙知辛等[9]采用仿竹的結(jié)構(gòu)設(shè)計無人機(jī)起落架,提高各項性能。同時,多孔材料能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的性能,其特征排列規(guī)則,具有較高的剛度、強(qiáng)度、良好的機(jī)械性能,較輕的質(zhì)量。張勇等[10]分析了正方形多孔結(jié)構(gòu)工作臺的各項性能。

結(jié)合輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)和仿生結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用到工作臺的設(shè)計中,將會提高工作臺整體性能,并獲得很好的減質(zhì)量效果。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

竹子仿生結(jié)構(gòu)用細(xì)長的薄壁面模擬維管束,竹子的維管束呈梯度分布,考慮到竹子復(fù)雜的維管束橫截面結(jié)構(gòu),在實際應(yīng)用中需要對其進(jìn)行簡化[7,9],簡化后仿竹結(jié)構(gòu),見圖1。

圖1 簡化后仿竹結(jié)構(gòu)Fig.1 Simplified bamboo bionic structure

將輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)和仿竹結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合,得到輕質(zhì)多孔仿生工作臺。用Solidworks軟件建立多孔仿竹結(jié)構(gòu)的實體模型。先建立單個仿竹結(jié)構(gòu)單元,然后進(jìn)行陣列、鏡像、切除等步驟,得到輕質(zhì)多孔仿生結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 多孔仿竹結(jié)構(gòu)Fig.2 Porous bionic bamboo structure

工作臺、輕質(zhì)多孔仿生結(jié)構(gòu)、絲母座組裝到一起最終得到輕質(zhì)多孔仿生工作臺,見圖3。原工作臺包括工作臺及加強(qiáng)筋、絲母座等,結(jié)構(gòu)見圖4。

1—工作臺;2—絲母座;3—多孔仿生結(jié)構(gòu)圖3 輕質(zhì)多孔仿生工作臺Fig.3 Light porous bionic worktable

1—工作臺;2—絲母座;3—加強(qiáng)筋圖4 原工作臺Fig.4 Original worktable

2 靜剛度分析

2.1 有限元模型建立

用有限元分析軟件對機(jī)床工作臺的原方案和輕質(zhì)多孔仿生工作臺分別進(jìn)行靜力學(xué)分析,提取工作臺在工作狀態(tài)下的變形,檢驗工作臺的靜剛度。工作臺和絲母座為灰鑄鐵,彈性模量為110 GPa,泊松比為0.28,密度為7 200 Kg/m3,屈服強(qiáng)度為248 MPa。輕質(zhì)多孔仿生結(jié)構(gòu)為鋁合金,彈性模量為71 GPa,泊松比為0.33,密度為2 770 Kg/m3,屈服強(qiáng)度為280 MPa。

2.1.1 建模

分別建立兩種工作臺的實體模型,先對模型進(jìn)行簡化,在不影響分析結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下,簡化掉一些小孔和倒角等不重要且增加計算量的特征[11],縮短計算時間和降低對計算資源的要求。模型導(dǎo)入分析軟件ANSYS Workbench中。

2.1.2 網(wǎng)格劃分

在分析軟件中對工作臺模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,因分析工作臺的靜剛度不需要提取工作臺的應(yīng)力,故網(wǎng)格劃分不需要追求太細(xì),工作臺網(wǎng)格尺寸設(shè)置為40 mm,司母座和仿生結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為25 mm,網(wǎng)格劃分方法運(yùn)用workbench中的Automatic。共計得到65 934個單元、130 532個節(jié)點(diǎn)。

2.1.3 約束

工作臺、絲母座、輕質(zhì)多孔仿生結(jié)構(gòu)之間設(shè)置為綁定接觸。在工作臺的4個滑塊安裝面添加位移約束限制Y和Z兩方向的位移,絲母座與絲杠的配合面設(shè)置僅切向自由的圓柱度約束。

2.2 3種極限工況分析

因工作臺工作時從左到右整個臺面都是刀具加工工件的位置,故對工作臺進(jìn)行靜力學(xué)分析時,取3個極限工況分別進(jìn)行分析,包括左極限工況、中間工況、右極限工況,更能準(zhǔn)確分析工作臺的整體靜剛度,見圖5。

圖5 工作臺3種工況示意圖Fig.5 Schematic diagram of three working conditions of worktable

根據(jù)工作臺實際工作時的切削力,見文獻(xiàn)[12],分別給工作臺3種極限工況下的工件添加X方向為457 N、Y方向為-1 620 N、Z方向為783 N的力,工作臺的約束和載荷設(shè)置見圖6。

圖6 約束和載荷Fig.6 Constraints and loads

前面設(shè)置完成后,進(jìn)行求解。分別提取兩種工作臺的總位移,X、Y、Z方向的分位移。輕質(zhì)多孔仿生工作臺的中間工況位移變形云圖,見圖7。

圖7 中間工況工作臺變形云圖Fig.7 Deformation charts of worktable under intermediate working condition

左極限工況下工作臺靜力學(xué)分析結(jié)果,詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 左極限工況靜力學(xué)分析結(jié)果

由表1得到,輕質(zhì)多孔仿生工作臺總變形比原工作臺明顯減小,減小幅度為33.2%,Y、Z方向的最大變形比原工作臺也大幅度減小,其中Y向變形降低達(dá)到40.7%。

中間工況下工作臺靜力學(xué)分析結(jié)果,詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 中間工況靜力學(xué)分析結(jié)果

由表2得到,輕質(zhì)多孔仿生工作臺總位移比原工作臺減小7.3%,Y向位移降低達(dá)到14.3%,X、Z方向位移也都不同程度減小。

右極限工況下,工作臺靜力學(xué)分析結(jié)果,詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3。

表3 右極限工況靜力學(xué)分析結(jié)果

由表3得到,輕質(zhì)多孔仿生工作臺總位移比原工作臺大幅減小,減小幅度為27.8%,Y、Z方向的最大位移比原工作臺也大大減小,其中,Y向位移降低達(dá)到29.1%,X方向位移也減小。

綜合以上3種工況分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)多孔仿生工作臺比原工作臺各種工況下位移都減小,工作臺的靜剛度大幅提高。

將兩種工作臺的質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計整理,見表4。

表4 工作臺質(zhì)量對比

由表4得到,輕質(zhì)多孔仿生工作臺的質(zhì)量比原工作臺減小11.8 kg,降低4.3%,很好地實現(xiàn)了減質(zhì)量的目的。

3 動態(tài)性能分析

3.1 模態(tài)分析

對兩種結(jié)構(gòu)的工作臺分別進(jìn)行模態(tài)分析,計算并提取工作臺的固有頻率和振型。與前面靜力學(xué)分析步驟類似,依次添加材料、設(shè)置接觸、網(wǎng)格劃分、依次添加約束、求解。模態(tài)分析結(jié)果與載荷無關(guān),不需要添加載荷。因機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為0～20 000 r/min,計算頻率時考慮刀具的3個刀刃,得到激振力頻率為0～1 000 Hz。分別提取兩種工作臺的前5階模態(tài)特征作為輸出結(jié)果,輕質(zhì)多孔仿生工作臺的振型見圖8,固有頻率統(tǒng)計結(jié)果見表5。由圖8得到,輕質(zhì)多孔仿生工作臺1階振型為工作臺整體向一側(cè)偏移;2階振型為工作臺在XZ平面內(nèi)扭轉(zhuǎn);3階振型為工作臺兩端向上翹曲;4階振型為工作臺一端往上彎曲,另一端往下彎曲;5階振型為工作臺兩端4個角發(fā)生彎曲。

表5 模態(tài)分析結(jié)果

圖8 輕質(zhì)多孔仿生工作臺振型圖Fig.8 Vibration mode diagram of light porous bionic worktable

輕質(zhì)多孔仿生工作臺的前5階固有頻率比原工作臺都有明顯提升,尤其是第3和第4階固有頻率提高超過100 Hz,第1階固有頻率提升幅度最低也達(dá)到18 Hz,輕質(zhì)多孔仿生工作臺的動態(tài)性能相比原工作臺顯著提升。

3.2 諧響應(yīng)分析

為分析輕質(zhì)多孔仿生工作臺在實際工作激勵下的抗振能力,對其進(jìn)行諧響應(yīng)分析。添加與靜力學(xué)分析相同的載荷,并依據(jù)其工作頻率小于1 000 Hz的特征,在0～1 000 Hz范圍內(nèi)取300個頻率點(diǎn)。分析結(jié)束后,分別提取X、Y、Z方向的振幅頻率曲線,見圖9～11。

圖9 X向響應(yīng)曲線Fig.9 Response curve in X direction

圖10 Y向響應(yīng)曲線Fig.10 Response curve in Y direction

圖11 Z向響應(yīng)曲線Fig.11 Response curve in Z direction

從分析結(jié)果得到,工作臺在X方向激振力頻率445 Hz和890 Hz附近易發(fā)生共振,在Y方向激振力頻率445 Hz和855 Hz附近易發(fā)生共振,在Z方向激振力頻率445 Hz和770 Hz附近易發(fā)生共振,諧響應(yīng)曲線得到的固有頻率與前面模態(tài)分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

設(shè)計一種輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)和仿竹結(jié)構(gòu)結(jié)合的輕質(zhì)多孔仿生工作臺,在3種極限工況下的靜剛度、動態(tài)性能都優(yōu)于原工作臺。工作臺的質(zhì)量降低4.3%,實現(xiàn)了減質(zhì)量的目的。輕質(zhì)多孔和仿生結(jié)構(gòu)在工作臺中的應(yīng)用是有效的。