陶 征, 張 行, 劉德平

(鄭州大學(xué)機(jī)電一體化研究所 鄭州,450001)

引 言

機(jī)床是最重要的機(jī)械加工生產(chǎn)設(shè)備之一[1],其性能的好壞直接影響加工生產(chǎn)出的各種零件的精度和質(zhì)量。機(jī)床性能的好壞,一個(gè)重要的評定指標(biāo)就是機(jī)床本身所具有的靜、動(dòng)力學(xué)特性,它對機(jī)床加工精度的影響有著決定性的作用。在機(jī)床的各部件中,底座是機(jī)床其他部件安裝、固定的基礎(chǔ)和支架,又是工作臺、滑鞍等運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行相對滑動(dòng)的基礎(chǔ)和支架;因此,底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理與否或剛度是否合適,將會(huì)直接影響到整機(jī)的性能。由此可見,在機(jī)床的設(shè)計(jì)和研究過程中,針對機(jī)床底座的靜、動(dòng)力學(xué)特性的研究十分重要。

CX8075立式車銑復(fù)合加工中心用于機(jī)床加工,由于 CX8075設(shè)計(jì)銑削電主軸的最高轉(zhuǎn)速≥12 kr/min,進(jìn)給系統(tǒng)的快移速度 (x/y/z軸)≥60 m/min,屬高速加工中心[2];因此,該加工中心對部件的剛度、抗振性等機(jī)械性能要求更高。在加工中心的設(shè)計(jì)過程中,采用了 ANSYS有限元分析軟件對機(jī)床底座進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)性能分析,使加工中心的靜、動(dòng)力學(xué)特性在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就能得到預(yù)測和優(yōu)化,從而尋求一種經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu),使其靜、動(dòng)態(tài)性能滿足預(yù)先給定的設(shè)計(jì)要求。

1 CX8075立式車銑復(fù)合加工中心底座工況分析

CX8075立式車銑復(fù)合加工中心的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。由圖可知,該加工中心的工作臺、橫梁、滑鞍以及擺動(dòng)銑頭等部件均由底座直接或間接支撐,底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,它將直接影響到整機(jī)的加工精度及其質(zhì)量。

圖1 CX8075加工中心三維實(shí)體模型

實(shí)際的底座是有著許多筋板和窗孔的復(fù)雜結(jié)構(gòu),很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)解析建模。為了在設(shè)計(jì)之初能夠準(zhǔn)確分析和評估底座在靜、動(dòng)力學(xué)方面的性能,達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的,采用了ANSYS有限元分析軟件對其進(jìn)行分析。首先,利用SolidWorks軟件對底座進(jìn)行建模;然后,將模型導(dǎo)入 ANSYS有限元分析軟件內(nèi)進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)的相關(guān)分析和仿真,根據(jù)分析結(jié)果查找原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷,進(jìn)行針對性的改進(jìn);最后,再計(jì)算分析直至完成底座在性能和結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在整個(gè)分析中,對底座工況的分析主要包括以下兩個(gè)方面:a.機(jī)床底座在安裝固定的情況下主要考慮底座的自重、橫梁、滑鞍、擺動(dòng)銑頭、工作臺等的最重極限作用以及最大切削力作用下的靜力學(xué)分析;b.在上述條件下,電主軸最高轉(zhuǎn)速設(shè)定為 12 kr/min時(shí),底座的動(dòng)態(tài)特性分析。該機(jī)床的設(shè)計(jì)切削力為Fx=Fy=Fz=1 kN,與底座裝配結(jié)合的部件質(zhì)量見表 1。

表1 與底座裝配結(jié)合的部件質(zhì)量

底座材料為 HT300,彈性模量E=150 GPa;密度d=7 200 kg/m3;泊松比_=0.25。

2 CX8075立式車銑復(fù)合加工中心底座靜、動(dòng)態(tài)特性分析

2.1 底座有限元模型

底座的實(shí)體模型如圖 2所示。由于該模型較為復(fù)雜,為了提高有限元分析效率,在建模時(shí)略去了一些對底座特性不產(chǎn)生影響的細(xì)微結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了必要的簡化,如螺紋孔、通孔等按實(shí)體處理,忽略了倒角、圓角等局部細(xì)節(jié)特征[3]。

圖2 底座的三維模型

上述模型導(dǎo)入 ANSYS之后,采用 Solid 187單元對底座進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分[4-5],其有限元模型如圖 3(a)所示,共有 35 961個(gè)節(jié)點(diǎn)、18 409個(gè)單元。

2.2 底座的靜力學(xué)性能分析

在底座的靜力學(xué)分析中,主要考慮底座自重和裝配在底座上的各個(gè)零部件的重力以及切削力的影響。分析時(shí)限制底座與地基相聯(lián)接面的全部自由度。加載各個(gè)零部件作用在底座聯(lián)接面上的壓力為152 110 N,底座加載模型如圖3(b)所示。

圖3 底座的網(wǎng)格與加載

底座在加載后的變形和應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示,底座的最大變形量為21.7μm。因?yàn)榈鬃r(shí)沒有考慮倒角及圓角特征,所以在底座結(jié)構(gòu)的尖角部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。最大應(yīng)力為 4.65 M Pa,遠(yuǎn)小于 HT300的許用應(yīng)力 250 MPa。

圖4 底座的應(yīng)力與變形

2.3 底座的動(dòng)力學(xué)性能分析

對底座進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),根據(jù)底座的實(shí)際工況,對底座與地基結(jié)合面的所有自由度進(jìn)行了約束。由于低階振動(dòng)對底座的影響大于高階振動(dòng),因此在進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析時(shí)取前 4階模態(tài)振動(dòng)進(jìn)行分析[6]。底座的前 4階模態(tài)頻率如表 2所示。顯然,底座的第1、第2階模態(tài)頻率都小于銑削主軸的最大工作頻率200 Hz(電主軸的最大切削速度為12 kr/min),這說明該機(jī)床底座的模態(tài)頻率無法規(guī)避工作頻段。這種設(shè)計(jì)缺陷使得機(jī)床在工作時(shí)可能會(huì)引發(fā)共振,從而影響機(jī)床的加工精度,嚴(yán)重時(shí)很有可能使機(jī)床的性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

表2 底座的前4階模態(tài)頻率

底座的第1階、第2階模態(tài)振型如圖 5所示。由圖5可知,底座的振動(dòng)區(qū)域主要集中在箱體的中部。該現(xiàn)象說明此底座箱體部分在結(jié)構(gòu)上存在不合理的設(shè)計(jì)。

圖5 底座的第1、第2階模態(tài)振型

3 底座的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提高和改善底座的動(dòng)態(tài)特性,使其模態(tài)頻率能夠有效地避開工作頻段[7],從改變底座箱體的支撐結(jié)構(gòu)方式入手(圖 6為底座原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)),提出了兩種針對底座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案,如圖 7,8所示。

圖6 底座的原始結(jié)構(gòu)

圖7 底座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案 1

方案 1是將原底座箱體內(nèi)部的柱狀支撐全部改為筋板支撐結(jié)構(gòu),并在原結(jié)構(gòu)下第1、第2階振型的峰值處(如圖5所示)加設(shè)3道橫向加強(qiáng)筋,所有加強(qiáng)筋的中部開設(shè)圓形出砂孔。對比兩種結(jié)構(gòu)下底座質(zhì)量可知,方案1較原結(jié)構(gòu)在質(zhì)量上增加了 329 kg。

針對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行同樣的靜、動(dòng)態(tài)特性方面的分析,其結(jié)果如下。

靜態(tài)特性方面,底座的最大變形量為 7.56μ m,相比優(yōu)化前減少了 14.3μm,減少了近 2/3。最大應(yīng)力為 2.28 MPa,相比優(yōu)化前減少了 2.37 M Pa,減少了近 1/2。

動(dòng)態(tài)特性方面,底座的前 4階模態(tài)頻率結(jié)果如表3所示。顯然,新結(jié)構(gòu)下,底座的前4階模態(tài)頻率相對于原結(jié)構(gòu)均有較大的提高。其中,第1階、第2階模態(tài)頻率分別上升為262.3和367.55 Hz,均高于銑削主軸的工作頻率200 Hz。由此可知,方案1可以達(dá)到改善底座動(dòng)態(tài)特性的目的。

表3 方案 1優(yōu)化后前 4階模態(tài)頻率

方案 2是將底座箱體中間部分的支撐結(jié)構(gòu)全部改為筋板支撐結(jié)構(gòu),并加設(shè)6道橫向加強(qiáng)筋板,只在橫向加強(qiáng)筋板上開設(shè)方形的出砂孔,而將底座箱體兩側(cè)柱狀支撐去除,形成空腔,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。方案2下的底座質(zhì)量為4 827 kg,較原結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕 205 kg。

圖8 底座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案2

同樣,分別對方案 2下底座的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析,其結(jié)果分別如下。

靜態(tài)特性方面,底座的最大變形量為8.44μm,相比優(yōu)化前減少了 13.26 μ m,最大應(yīng)力為4.88 MPa,基本與優(yōu)化前相當(dāng)。

動(dòng)態(tài)特性方面,底座的前 4階模態(tài)頻率結(jié)果如表4所示。其中,底座的第1階、第2階固有頻率分別上升為 240.7和360.89 Hz,均高于銑削主軸的工作頻率200 Hz。因此,方案2同樣達(dá)到了改善底座動(dòng)態(tài)特性的目的。

表4 方案 2優(yōu)化后前 4階模態(tài)頻率

通過上述分析可知,兩種優(yōu)化方案均能滿足加工中心的設(shè)計(jì)要求。然而,由于方案2在質(zhì)量方面遠(yuǎn)小于方案 1,同時(shí)也小于底座原始結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,達(dá)到了節(jié)省材料、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的;因此,決定采用優(yōu)化方案2為底座的最終結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

底座作為 CX8075立式車銑復(fù)合加工中心的關(guān)鍵部件,其靜、動(dòng)力學(xué)特性將直接影響整機(jī)的性能。筆者在設(shè)計(jì)階段引入了有限元分析方法對其進(jìn)行相關(guān)分析,并根據(jù)分析結(jié)果對底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),達(dá)到了提高底座模態(tài)頻率的目的,使其有效地避開了加工中心的工作頻段,為 CX8075立式車銑復(fù)合加工中心整機(jī)的高加工精度打下了基礎(chǔ)。

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