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,一個重要的評定指標(biāo)就是機(jī)床本身所具有的靜、動力學(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、滑鞍等運動部件進(jìn)行相對滑動的基礎(chǔ)和支架;因此,底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理與否或剛度是否合適,將會直接影響到整機(jī)的性能。由此可見,在機(jī)床的設(shè)計和研究過程中,針對機(jī)床底座的靜、動力學(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、動態(tài)性能分析,使加工中心的靜、動力學(xué)特性在產(chǎn)品設(shè)計初期就能得到預(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、動態(tài)性能滿足預(yù)先給定的設(shè)計要求。

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加工中心三維實體模型

實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)計之初能夠準(zhǔn)確分析和評估底座在靜、動力學(xué)方面的性能,達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的,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)計缺陷,進(jìn)行針對性的改進(jìn);最后,再計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。

在整個分析中,對底座工況的分析主要包括以下兩個方面: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,底座的動態(tài)特性分析。該機(jī)床的設(shè)計切削力為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、動態(tài)特性分析

2.1 底座有限元模型

底座的實體模型如圖 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個節(jié)點、18 409個單元。

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零部件的重力以及切削力的影響。分析時限制底座與地基相聯(lián)接面的全部自由度。加載各個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。因為底座建模時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 底座的動力學(xué)性能分析

對底座進(jìn)行模態(tài)分析時,根據(jù)底座的實際工況,對底座與地基結(jié)合面的所有自由度進(jìn)行了約束。由于低階振動對底座的影響大于高階振動,因此在進(jìn)行動態(tài)特性分析時取前 4階模態(tài)振動進(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)計缺陷使得機(jī)床在工作時可能會引發(fā)共振,從而影響機(jī)床的加工精度,嚴(yán)重時很有可能使機(jī)床的性能達(dá)不到設(shè)計要求。

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。

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

為了提高和改善底座的動態(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)計要求。然而,由于方案2在質(zhì)量方面遠(yuǎn)小于方案 1,同時也小于底座原始結(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、動力學(xué)特性將直接影響整機(jī)的性能。筆者在設(shè)計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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