李 焱，張 磊，劉春時，尹 剛

(沈陽機(jī)床集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院，沈陽 110142)

高速龍門五軸加工中心靜剛度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

李 焱，張 磊，劉春時，尹 剛

(沈陽機(jī)床集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院，沈陽 110142)

靜剛度是機(jī)床最重要的性能指標(biāo)之一，在機(jī)床設(shè)計(jì)階段需對其進(jìn)行預(yù)估。在高速龍門五軸加工中心的設(shè)計(jì)中，采用有限元分析技術(shù)對機(jī)床整機(jī)及主要部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)橫梁與滑枕為影響整機(jī)靜剛度的薄弱環(huán)節(jié)，對橫梁與滑枕的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而提高了機(jī)床的靜剛度，并在實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的效果。

高速龍門五軸加工中心;有限元分析;靜剛度

0 引言

高速龍門五軸加工中心主要應(yīng)用于復(fù)雜模具制造以及大型鋁合金結(jié)構(gòu)件的高速、高效、高精加工，是航空航天、模具和汽車等高科技領(lǐng)域的關(guān)鍵加工裝備。機(jī)床的靜剛度是指機(jī)床承受恒定載荷的能力，是其最重要的性能指標(biāo)之一。機(jī)床的靜態(tài)變形不但會改變零部件的幾何精度并影響加工質(zhì)量，還會影響機(jī)床的生產(chǎn)率、抗振性、噪聲、工作壽命、運(yùn)動平衡性、發(fā)熱和磨損等［1］。因此在機(jī)床的設(shè)計(jì)過程中采用有限元分析技術(shù)，對機(jī)床整機(jī)及主要部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)橫梁與滑枕為影響整機(jī)靜剛度的薄弱環(huán)節(jié)，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而提高了機(jī)床的靜剛度，并在實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的效果。

1 整機(jī)有限元建模

1.1 整機(jī)三維實(shí)體建模

高速龍門五軸加工中心為龍門框架式結(jié)構(gòu)，主要由左右橋梁、工作臺、橫梁、滑板、滑枕、雙擺頭等組成，如圖1所示，工作臺與橋梁為落地式，橫梁在左右橋梁上的直線電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動下前后移動做X向運(yùn)動，滑板通過直線電機(jī)在橫梁上左右移動做Y向運(yùn)動，滑枕通過雙絲杠驅(qū)動結(jié)構(gòu)在滑板中上下移動做Z向運(yùn)動，雙擺頭可實(shí)現(xiàn)A/C軸擺動，滿足復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動加工。由于有限元分析軟件Ansys提供的建模工具相對較弱，所以采用Pro/E軟件先將各部件建立三維實(shí)體模型，并裝配得到整機(jī)模型，為減少計(jì)算負(fù)荷，對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，去掉螺釘、螺母、倒角、倒圓、螺栓孔以及凸臺等零件和特征，并對小錐度、小曲率曲面進(jìn)行直線化和平面化處理。

1.2 定義材料屬性及網(wǎng)格劃分

將裝配得到整機(jī)模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys的Work-bench應(yīng)用平臺，設(shè)置機(jī)床的材料屬性。其中，機(jī)床左右橋梁和工作臺的材料為HT250，楊氏模量為1.2×105MPa，密度7210kg/m3，泊松比0.22;橫梁、滑板和滑枕等大件使用Q235A鋼板焊接而成，其材料屬性為楊氏模量 2.1×105MPa，密度為7860kg/m3，泊松比0.3。

圖1 高速龍門五軸加工中心結(jié)構(gòu)示意圖

網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響模型的計(jì)算精度，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，需要在網(wǎng)格劃分階段進(jìn)行嚴(yán)格控制。左右橋梁、滑板和滑枕等相對規(guī)則的物體采用六面體劃分;橫梁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用等邊四面體劃分;依據(jù)各個零件尺寸大小的不同，單元尺寸大小分別規(guī)定為10～100mm不等，網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 主機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分模型

1.3 結(jié)合面的處理

機(jī)床相鄰部件間相互接觸的區(qū)域稱為結(jié)合部，對機(jī)床整機(jī)特性有重要影響。有統(tǒng)計(jì)顯示，機(jī)床整機(jī)靜剛度中30%～50%取決于結(jié)合部的剛度特性［2］，動柔度有60%以上是源自結(jié)合部，阻尼值的90%以上來源于結(jié)合部的阻尼［3］。因此，結(jié)合部的建模是機(jī)床整機(jī)有限元建模的重要組成部分。機(jī)床中主要的結(jié)合部包括直線電機(jī)初級-次級結(jié)合部、直線滾動導(dǎo)軌滑塊-軌道結(jié)合部、滾珠絲杠絲母-絲杠結(jié)合部和螺栓連接的固定結(jié)合部。直線電機(jī)推動力很大，初級相對次級運(yùn)動時幾乎沒有彈性，在直線電機(jī)運(yùn)動方向上施加位移約束方程;滑塊可沿導(dǎo)軌運(yùn)動，在兩個方向上承受力的作用，滾珠絲杠只承受軸線方向的力的作用，這兩種結(jié)合部采用節(jié)點(diǎn)耦合的接觸單元模擬;螺栓連接的結(jié)合部全部采用接觸單元模擬。所有接觸單元接觸剛度、阻尼和摩擦系數(shù)等參數(shù)均依據(jù)公司參數(shù)庫查詢得到。

2 整機(jī)靜力學(xué)分析

對于高速龍門五軸加工中心這樣的大型機(jī)床，在計(jì)算靜力變形時，不能忽視它本身的重力對機(jī)床的變形和加工的影響。根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)可知當(dāng)滑枕沿機(jī)床Z坐標(biāo)方向移動到最下端時，滑枕的伸出量最長，此時的變形最大，所以整機(jī)的靜力學(xué)分析將選擇此時機(jī)床的位姿來計(jì)算。首先計(jì)算機(jī)床在重力作用下的變形情況，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，機(jī)床的最大變形為0.34mm。將總變形分解到各個部件，結(jié)果如圖4所示，從計(jì)算的結(jié)果可以看出橫梁的變形最大，為0.13mm，為機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，其引起的機(jī)床變形占總變形的38%，主要原因是橫梁在重力作用下發(fā)生YZ平面的彎曲和XZ平面的扭轉(zhuǎn)，帶動主軸偏離理想位置。

在機(jī)床有限元模型中，按實(shí)際工況設(shè)置邊界約束條件，將左右橋梁地腳孔內(nèi)圓柱面作為固定約束，根據(jù)加工過程中刀具在各方向的受力，將切削工件時作用在刀具的反力折算簡化到電主軸的下端面，在有限元模型 X、Y、Z三個方向上各施加載荷10000N，分別計(jì)算出X、Y、Z方向機(jī)床的最大變形，計(jì)算結(jié)果如圖5，圖6，圖7所示，從計(jì)算結(jié)果可以看出，機(jī)床在X方向的變形量最大，剛度值最低。

由機(jī)床各個方向的最大變形可以計(jì)算出該方向的靜剛度，結(jié)果見表1。

表1 整機(jī)靜力學(xué)分析結(jié)果

為找出機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，將機(jī)床在X、Y、Z方向切削力分別作用下總變形分解到各個主要部件，結(jié)果如圖8所示;從計(jì)算結(jié)果可以看出，在X方向橫梁和滑枕是引起變形的主要部件，其變形分別為0.10mm和0.12mm，占到總變形的32%和40%，在Y向變形中滑枕是引起變形的主要部件，變形為0.10mm，占到總變形的58%，變形形式為橫梁的扭轉(zhuǎn)、彎曲和滑枕的彎曲，說明橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度和滑枕的彎曲剛度較差，是進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)的重點(diǎn)。

圖8 機(jī)床主要部件在切削力作用下引起的機(jī)床變形

3 機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

橫梁和滑枕為機(jī)床的核心基礎(chǔ)大件，由前面的分析結(jié)果可知，它們?yōu)闄C(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，需對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn);機(jī)床大件的剛度主要決定于它的材料、截面形狀、尺寸和筋板的布置等因素，所以本文以它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，改變尺寸、截面形狀、筋板的布置，然后利用有限元分析方法對改進(jìn)前后方案對比，從而確定優(yōu)化方案，提高它們的剛度。

橫梁改進(jìn)如圖9，10所示，在橫截面上相對于優(yōu)化前增加一條橫隔筋板貫穿橫梁，并增加了交叉筋板的密度，來改善橫梁的彎曲剛度，在縱截面上增加一條豎隔筋板，將其截面劃分為若干矩形，另外將縱截面外圍版厚度從20mm增加到25mm，筋板及后圍板厚度由原來的16mm改為12mm，并開有很多圓形或方形的窗格，減輕重量，有限元分析對比結(jié)果詳見表2。

表2 橫梁和滑枕優(yōu)化結(jié)果

滑枕為典型的矩形結(jié)構(gòu)，其剛性主要取決于矩形截面的大小和筋板的布置，將原滑枕橫截面由原來的460×460mm2增大為500×500mm2，滑枕中部增加一直徑為200mm的圓通貫穿整個滑枕，另外將外圍板厚度由原來的30mm減小到25mm，減輕重量，經(jīng)有限元分析對比后結(jié)果詳見表2。

圖11 滑枕優(yōu)化后橫截面

4 結(jié)束語

由機(jī)床靜力分析結(jié)果可知，機(jī)床X向靜剛度為32.5N/um，相對于 Y、Z向較弱，將機(jī)床 X、Y、Z方向變形進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)橫梁和滑枕是引起變形的主要部件，因此從橫梁和滑板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，改變尺寸、截面形狀、筋板的布置，然后利用有限元技術(shù)對改進(jìn)前后方案對比，確定優(yōu)化方案，優(yōu)化后使整機(jī)X、Y向靜剛度分別提高15.3%和8.1%，提高了整機(jī)的靜剛度，在實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的效果。

［1］劉悅，王立平，關(guān)立文，等.基于結(jié)合面的龍門五面加工中心虛擬建模及靜剛度研究［J］.工具技術(shù)，2007(5):15－17.

［2］Z.M.Levina.Research on the Static Stiffness of Joints in Machine Tool［J］，MTDR Conf.，1967(8):4548.

［3］戴德沛.阻尼降噪技術(shù)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1986.

［4］張耀滿，王旭東，蔡光起.高速機(jī)床有限元分析及動態(tài)性能試驗(yàn)［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2004(12):15－17.

［5］陳心昭.現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［6］袁松梅，林繼杰，劉強(qiáng);數(shù)控機(jī)床整機(jī)有限元分析［J］機(jī)床與液壓，2008(4):17－18，49.

(編輯 趙蓉)

Static Rigidity Analysis and Structure Optim ization of 5-axis Gantry-type Machine Center

LIYan，ZHANG Lei，LIU Chun-shi，YIN Gang
(Design and Research Institute，Shenyang Machine Tool Group，Shenyang 110142，China)

Static rigidity is one of themost important indicators for machine tools’performance,and need to be forecasted in the phase of design.In the design of a high speed 5-axis gantry-typemachine center,static force analysis is performed w ith the help of FEM software for the completemachine and its main components.According to these analyses,the frail parts that impact the rigidity of the wholemachine seriously are found and themodifications ofstructure design are suggested,the validity ofwhich is also proved in real practice.

gantry 5 axismachine center;FEM;static rigidity

TG502

A

1001－2265(2011)06－0009－03

2010－12－10

國家“高檔數(shù)機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)課題(2009ZX04002－012)

李焱(1967—)，男，遼寧人，高級工程師，主要從事鉆鏜床設(shè)計(jì)研究工作，(E－mail)zhangneu@tom.com。