張 森，楊玉萍，季彬彬，邱自學，劉傳進，郭永海

(1.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019;2.南通國盛機電集團有限公司，江蘇 南通226002)

0 引言

龍門加工中心是裝配制造業(yè)十分重要的加工設備之一，主要用于加工大型復雜零件，已被廣泛應用于國防科技、交通運輸、模具制造等多個領域。某企業(yè)自主研發(fā)的GMF3022龍門加工中心主要由床身、立柱、工作臺、橫梁、滑座、滑枕、主軸箱等部件組成，工作行程為3200mm×2200mm×1000mm。橫梁作為龍門加工中心的關(guān)鍵部件之一，長寬高的設計尺寸為3660mm×1000mm×1080mm，壁厚為25mm，內(nèi)部筋板厚度為20mm。整機及關(guān)鍵部件的靜動態(tài)特性，對工件的幾何精度及表面加工質(zhì)量有著重要的作用［1-3］。目前，不少學者對龍門加工中心的關(guān)鍵部件進行了研究，丁長春等人對龍門加工中心立柱進行了靜力學分析并提出了結(jié)構(gòu)改進方案［4］，徐開元等人對加工中心滑鞍結(jié)構(gòu)進行了靜動態(tài)分析，在滿足滑鞍靜變形量條件下驗證了其抗振性能［5］，王艷青等人運用有限元分析法對橫梁結(jié)構(gòu)進行了靜特性對比分析，選出了最優(yōu)結(jié)構(gòu)，為橫梁的設計提供了理論依據(jù)［6］。

本文以由橫梁、滑座、滑枕等組成的橫梁組件為研究對象，運用有限元軟件進行靜動態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)橫梁為薄弱部件，對其結(jié)構(gòu)進行了改進，從而提高了橫梁組件及整機的靜動態(tài)特性，保證工件的幾何精度和表面質(zhì)量。

1 橫梁組件的實體模型

采用三維solid works軟件對橫梁、滑座、滑枕等部件進行實體建模。龍門加工中心橫梁由立柱支撐，同時橫梁還承載著滑座、滑枕等部件，滑座沿上下導軌在橫梁上左右運動，滑枕在滑座上做上下運動。當滑座處于橫梁中間位置，滑枕運動到最低點時，橫梁會產(chǎn)生最大的彎曲變形［7］，按此時的位置情況進行裝配得到橫梁組件的實體模型，如圖1所示。橫梁等結(jié)構(gòu)比較復雜，為了便于有限元分析計算，在實體建模及裝配過程中，對各部件進行了適當?shù)暮喕?，忽略螺栓、螺母等零件，去除了倒角、圓角、螺紋孔、凸臺等特征。

2 橫梁組件的靜動態(tài)分析

2.1 網(wǎng)格劃分

將裝配得到的橫梁組件實體模型導入有限元分析軟件中。橫梁、滑座、滑枕等為鑄造件，材料為HT250，材料屬性設置為：彈性模量取1.3×105MPa，泊松比取0.27，密度取7200kg/m3。網(wǎng)格劃分的情況，直接影響著有限元分析計算的速度、時間、精度，綜合考慮各影響因素，采用solid45單元結(jié)構(gòu)，單元大小設置為80mm，運用自由網(wǎng)格劃分得到橫梁組件的有限元模型，如圖2所示。

圖1 橫梁組件實體模型

圖2 橫梁組件的有限元模型

2.2 約束與載荷

忽略橫梁組件各結(jié)合面之間的接觸變形，近似將各接觸面看作剛性接觸［8］，采用布爾運算將各構(gòu)件粘結(jié)起來。橫梁與立柱之間通過螺栓連接，約束橫梁上與固定螺栓位置相對應的螺紋孔的全部自由度來實現(xiàn)對橫梁組件的約束［9］。將橫梁組件的自重作為施加載荷，進行有限元分析。

2.3 靜力學分析結(jié)果

通過有限元分析得到橫梁組件的總位移變形量云圖，如圖 3所示，橫梁組件的最大變形量為73.8μm，并將總變形量依次分解到各部件，得到它們的最大變形量情況，如圖4所示，橫梁的位移變形量最大為31.7μm，占橫梁組件總變形量的43%，且橫梁變形主要為彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，這將導致滑枕及主軸偏移正確位置［10］，對加工精度有較大影響。

圖3 橫梁組件的總變形量云圖

圖4 橫梁各部件位移變形量大小

2.4 模態(tài)分析結(jié)果

運用有限元分析軟件對橫梁組件進行模態(tài)分析，取前六階模態(tài)頻率及振型進行研究。圖5為橫梁組件的一階振型云圖，前六階模態(tài)頻率及振型描述如表1所示。

圖5 橫梁組件的一階振型云圖

表1 前六階模態(tài)頻率及振型描述

從模態(tài)分析結(jié)果可看出：橫梁組件的一階頻率偏低且一階振型為橫梁的轉(zhuǎn)動，橫梁是橫梁組件動態(tài)性能最薄弱的結(jié)構(gòu)。

3 橫梁組件的結(jié)構(gòu)改進

由橫梁組件靜動態(tài)分析結(jié)果知，橫梁是橫梁組件的薄弱部件，應對橫梁進行結(jié)構(gòu)改進，以提高橫梁組件的靜動態(tài)特性，進而改善龍門加工中心的整體性能。

通過改進結(jié)構(gòu)的尺寸和筋板布置可以提高結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)特性，為了使改進后橫梁便于裝配，不改變結(jié)構(gòu)尺寸，只改變內(nèi)部筋板布置，根據(jù)對角筋板抗扭理論［9］，將橫梁內(nèi)部筋板改為 V型結(jié)構(gòu)，改進方案為：筋板厚度為20mm不變，將原來由橫向和縱向筋板垂直構(gòu)成的十型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成斜筋構(gòu)成的V型結(jié)構(gòu)，改進前后橫梁結(jié)構(gòu)如圖6所示。通過solid works軟件進行質(zhì)量評估知，改進后橫梁質(zhì)量為4735kg，比改進前減少了18kg。

對改進后橫梁組件進行靜動態(tài)特性分析，得到橫梁組件的總變形量云圖及一階模態(tài)振型云圖，如圖7、8所示，最大變形量為68.2μm，較改進前最大變形量減少了7.6%;一階頻率為57.2Hz，較改進前提高了17.2%，改進后橫梁組件靜動態(tài)特性取得了較理想的效果。改進前后結(jié)果對比如表2所示。

圖6 改進前后橫梁結(jié)構(gòu)對比

圖7 改進后橫梁組件的總變形量云圖

圖8 改進后橫梁組件的一階振型云圖

表2 改進前后結(jié)果對比

4 實驗測試結(jié)果與分析

為了測量改進后橫梁組件的實際變形量，并與理論分析結(jié)果進行對比，進行了橫梁組件的靜變形量試驗，實驗測量現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 橫梁組件總變形量實驗測試

按實際裝配情況將橫梁組件放在立柱上，調(diào)整工作臺，保證其水平，以工作臺為基準，將千分表放在滑枕底端，然后以橫梁最左端為起始點，移動滑座，運用千分表測量橫梁組件的最大變形量。在移動過程中，測量數(shù)值先增大后減小，接近中間位置測量數(shù)值最大，將最大值記為橫梁組件的最大變形量，重復測量三次，求出測量平均值，并與理論分析結(jié)果進行比較，如表3所示。

表3 測試結(jié)果與理論結(jié)果對比 單位μm

由表3中的數(shù)據(jù)可以看出，實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果基本相符，驗證了結(jié)構(gòu)改進的合理性。產(chǎn)生誤差的主要原因有以下三個方面：①在理論分析過程中，忽略了各部件之間的接觸;②在實驗過程中，直接將工作臺看成理想水平面，作為了基準;③在試驗中，忽略了滑座在橫梁兩端產(chǎn)生的變形量。

5 結(jié)束語

本文通過運用有限元分析軟件對GMF3022龍門加工中心橫梁組件進行靜動態(tài)分析知，橫梁組件中橫梁的變形量最大且一階模態(tài)表現(xiàn)為橫梁的轉(zhuǎn)動變形，橫梁是橫梁組件中的薄弱部件，應對其進行結(jié)構(gòu)改進以提高橫梁組件的靜動態(tài)性能;根據(jù)對角筋板理論，將橫梁筋板布置成V型結(jié)構(gòu)，橫梁組件的變形量減少了7.6%，一階模態(tài)頻率提高了17.2%，取得了較好的效果;理論分析及實驗驗證了橫梁中間位置變形量最大，在橫梁設計及制造時，應采取適當?shù)拇胧?如將橫梁與導軌安裝面加工成微凸面)進行調(diào)整;采用有限元分析與實驗相結(jié)合的方法，對橫梁組件薄弱結(jié)構(gòu)進行改進，為提高橫梁組件的靜動特性和保證工件的幾何精度提供了理論依據(jù)。

［1］羅傳林，李鍛能.龍門式機床橫梁的結(jié)構(gòu)設計研究［J］.機電工程技術(shù)，2006，35(3)：45 －47.

［2］陳永亮，耿文軒，滿佳，等.基于結(jié)構(gòu)配置與性能改進綜合評價的機床結(jié)構(gòu)適應性設計［J］.中國機械工程，2009，20(9)：1029 －1032.

［3］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.

［4］丁長春，殷國富，方輝，等.龍門加工中心立柱靜力學分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法［J］.機械設計與制造，2011(3)：3－4.

［5］徐開元，徐武彬，唐滿賓.基于有限元的機床滑鞍結(jié)構(gòu)的動特性分析［J］.機械設計與制造，2011(4)：170－172.

［6］王艷青，仲高艷，常永標，等.大型五軸聯(lián)動加工中心橫梁結(jié)構(gòu)設計［J］.機床與液壓，2012，40(13)：114－117.

［7］關(guān)英俊，母德強，趙揚，等.GMCU2060龍門加工中心橫梁結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.機床與液壓，2011，39(11)：131－134.

［8］石彥華.GS5200龍門五面加工中心橫梁部件動態(tài)特性分析［J］.制造技術(shù)與機床，2009(5)：74－77.

［9］謝黎明，李大明，沈浩，等.基于有限元分析的現(xiàn)場銑床橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2008(9)：37－39.

［10］李焱，張磊，劉春時，等.高速龍門五軸加工中心靜剛度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2011(6)：9－11，16.