喬文剛，袁亭雪，陳 菁（.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 0400；.北京科技大學(xué)，北京 00083）

基于有限元分析的GSFD6050雕銑機(jī)床身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與分析

喬文剛1，袁亭雪1，陳 菁2
（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 014010；2.北京科技大學(xué)，北京 100083）

數(shù)控雕銑機(jī)床身靜剛度直接影響機(jī)床的加工精度。以GSFD6050雕銑機(jī)床身為例，提出該床身結(jié)構(gòu)兩種改進(jìn)方案，并且對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。靜力分析結(jié)果表明改進(jìn)后結(jié)構(gòu)在靜剛度方面有所提高，并且改進(jìn)后床身質(zhì)量下降31%，實(shí)現(xiàn)GSFD6050雕銑機(jī)床身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

數(shù)控雕銑機(jī)床身；有限元分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 前言

床身是機(jī)床的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)的布局形式在很大程度上決定了機(jī)床整機(jī)的性能[1]；并且機(jī)床的質(zhì)量主要集中在床身上，故床身對機(jī)床生產(chǎn)成本的影響較大[2]。因此，改善床身結(jié)構(gòu)，在不降低其靜剛度的前提下，降低其質(zhì)量，具有現(xiàn)實(shí)意義。本文以GSFD6050雕銑機(jī)床身為研究對象，運(yùn)用PROE軟件，完成雕銑機(jī)床身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，并且對改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，以驗(yàn)證改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的合理性。

1 GSFD6050數(shù)控銑雕機(jī)床身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

GSFD6050雕銑機(jī)原床身結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1（a）、（b）可知，床身具有的基本特征包括：排水板、導(dǎo)軌、龍門架安裝支座、電機(jī)座安裝支座、軸承座安裝支座、床身底支撐板。其中，床身底支撐板為方形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致床身重量增大，成本增加，故對床身底支撐板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖1 原床身結(jié)構(gòu)三維圖

在對床身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)之前，首先對床身進(jìn)行靜力分析，找出其結(jié)構(gòu)薄弱部位，據(jù)此制定床身結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。圖2為原床身結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果中總變形分布圖。

圖2 原床身總變形分布圖

由圖2可知，原床身變形主要集中在床身上導(dǎo)軌處和龍門架支座處，因此，在改善床身結(jié)構(gòu)時，床身底支撐板的布局方式應(yīng)有利于降低導(dǎo)軌處和龍門架支承座處變形值，同時又能夠減少床身質(zhì)量?；诖嗽瓌t，本文提出了兩種改進(jìn)方案，具體如下。

（1）方案一是在原方形床身底支撐板的基礎(chǔ)上，去掉對剛性要求低的排水板底部的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)為“T”字形床身底支撐板，可以有效支撐床身關(guān)鍵部位，同時減少了床身鑄件質(zhì)量，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3（a）、（b）所示。

圖3 改進(jìn)方案一床身結(jié)構(gòu)

（2）方案二是把床身底支撐板分成兩部分，分別支撐床身的前端和后端，并在床身中間增添米字型加強(qiáng)筋以保證床身整體剛度[3]。同時，由于雕銑機(jī)主要用于小型模具的精加工，工作臺運(yùn)動范圍主要在床身中間位置，因此將原傾斜于床身后端的排水板改為傾斜于床身中間，結(jié)構(gòu)簡圖如圖4（a）、（b）所示。

圖4 改進(jìn)方案二床身結(jié)構(gòu)

2 對三種床身結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行有限元分析

為檢驗(yàn)床身改善后結(jié)構(gòu)是否合理，必須研究床身的靜剛度，故本文利用有限元分析軟件Pro/Me?chanica對改進(jìn)前后三種床身結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行靜力分析。步驟如下。

（1）床身結(jié)構(gòu)有限元建模

首先，在Pro/E軟件中建立三種床身的三維實(shí)體模型，并根據(jù)圣維南原理，對部分局部特征如倒角（圓）、凸臺、螺釘孔等進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕痆4-5]。目的是為了避免小特征和小結(jié)構(gòu)件在進(jìn)行有限元劃分時，產(chǎn)生大量的有限元單元，加大計算機(jī)的計算時間。并且小特征容易產(chǎn)生錯誤的網(wǎng)格單元，網(wǎng)格質(zhì)量下降，影響結(jié)構(gòu)的分析精度。簡化后的三種床身結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 三種床身結(jié)構(gòu)實(shí)體模型

（2）定義材料、約束和載荷

1）定義床身材料

床身材料為灰鑄鐵HT250（各向同性介質(zhì)均勻），彈性模量E=1.25E11Pa；泊松比γ=0.25；密度ρ=7.3E3kg/m3。定義好材料之后把已定義的材料分配給零件模型，完成對模型材料的設(shè)置。

2）定義載荷和約束

雕銑機(jī)的床身主要承受龍門架、滑板座、滑板、工作臺及工件的重量，其中龍門架、滑板座、滑板的重量約為900 kg，三者對床身的作用力作用在龍門架與床身的接觸面上，大小為900× 9.8 N；工作臺及工件的重量約為200 kg，對床身的作用力通過工作臺與床身線軌滑塊的連接轉(zhuǎn)嫁到線軌上，大小為200×9.8 N；底面四個地腳固定床身使其穩(wěn)定在地基上，添加x、y、z三個方向的全約束。

考慮到工作臺在實(shí)際加工時會處于不同位置，本文取兩處位置進(jìn)行分析，位置1為床身導(dǎo)軌中間處，位置2為床身導(dǎo)軌右端邊緣處。位置1處三床身加載圖如圖6所示。

圖6 位置1處床身加載圖

（3）分析結(jié)果

由表1可知，三種床身結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于250 MPa（HT250材料的屈服極限強(qiáng)度），故三種結(jié)構(gòu)均滿足強(qiáng)度要求，在此不做具體敘述，只做剛度分析。

三種結(jié)構(gòu)在位置1處時的變形分布圖如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)工作臺處于位置1處時，原床身變形最大值為0.014 7 mm，位于床身y向線性導(dǎo)軌副之間的中心位置；方案1床身變形最大值為0.013 1 mm，位于床身排水板邊緣位置；方案2床身變形最大值為0.005 7 mm，位于床身龍門架支座邊緣位置。

圖7 位置1處床身總變形分布圖

三種結(jié)構(gòu)在位置2處的變形分布圖如圖8所示。

圖8 位置2處床身總變形圖

由圖8知，當(dāng)工作臺處于位置2處時，原床身變形最大值為0.013 7 mm，位于床身y向線性導(dǎo)軌副之間中心位置。方案1床身變形最大值為0.015 9 mm，位于床身排水板邊緣位置。方案2床身變形最大值為0.005 7 mm，位于床身龍門架支座邊緣位置。

現(xiàn)將三種床身結(jié)構(gòu)在位置1和位置2處靜力分析結(jié)果整理如表1所示。

表1 各床身結(jié)構(gòu)在不同位置變形結(jié)果

由本文以上內(nèi)容可知，三種床身結(jié)構(gòu)的變形分布存在一定差異，但不能確定改善后床身結(jié)構(gòu)是否合理?？紤]到床身上剛度要求最高的地方在導(dǎo)軌處[6-9]，導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)精度直接影響加工精度，因此可以通過對比三種床身結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌處變形情況，判斷改進(jìn)后床身結(jié)構(gòu)是否合理，方法是查看各個床身導(dǎo)軌在10個不同位置處變形值，取最大變形值，所取10點(diǎn)處變形值如表2所示。

表2 個床身不同位置時導(dǎo)軌變形結(jié)果

由表2可知，方案1和方案2床身導(dǎo)軌的變形值均明顯小于原床身導(dǎo)軌，尤其是方案1床身，其導(dǎo)軌變形值最小，結(jié)合床身總體變形結(jié)果，可以斷定：兩種方案中床身的靜剛度較之前床身靜剛度均有明顯提高，床身結(jié)構(gòu)合理。并且床身質(zhì)量明顯下降，由表1可知，方案1設(shè)計的床身的重量由原來的1 367 kg，降低到944 kg，重量降低了31%；方案2設(shè)計的床身的重量降低到1 016 kg，降低了25%。綜合比較，取方案1床身結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

本文就GSFD6050雕銑機(jī)床身結(jié)構(gòu)提出兩種改進(jìn)方案。并且對改進(jìn)后床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果表明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和靜剛度方面均較原床身結(jié)構(gòu)有所提高。重要的是，改進(jìn)后的床身的質(zhì)量明顯地降低了。

本文通過改進(jìn)雕銑機(jī)床身結(jié)構(gòu)，使床身具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］《機(jī)床設(shè)計手冊》編寫組.機(jī)床設(shè)計手冊：第三冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

［2］機(jī)床設(shè)計手冊編寫組.機(jī)床設(shè)計手冊：零件設(shè)計（下冊）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

［3］機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］胡志良，仇性啟，徐俊良.基于PRO/E MECHANICA機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.機(jī)械，2008（12）：41-43.

［5］孔雄山，秦寶榮，劉屬有，等.片基帶指形接頭數(shù)控沖床的有限元分析與優(yōu)化［J］.機(jī)電工程，2012（8）：923-925，953.

［6］李秀霞.基于UG的4040S數(shù)控雕銑機(jī)床身的設(shè)計與加工［J］.科技信息，2008（30）24-27.

［7］楊向東，楊軍，黃妙娜.基于ANSYS 10的GSFD4050高速精密數(shù)控雕銑機(jī)靜動態(tài)特性分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010（01）：38-41.

［8］Gim T，Lee C H，Ha J Y，et al.Machine tool technolo?giesforhigh performance machines［A］.Internation?al Conference on Smart Man?ufacturing Application［C］.2008.

［9］JUNG D S，DAI G L.De?sign and Manufacture of Hy?bridPolymerConcrete Bed for High-speed CNC Milling Ma-chine［J］.Internation? al Journal of Mechanics and Materi-als in Design，2008.

［10］Gene Poole，Yong-cheng Liu，Jan Mandel.Advancing Analysis Capabilities In ANSYS Through Solver Technol?ogy［J］.Electronic Transactions on Numerical Analy?sis，2003.

Structure Design and Analysis of Bed of the GSFD6050 CNC Engraving and Milling Machine Based on Fnite Element Analysis

QIAO Wen-gang，YUAN Ting-xue，CHEN Jing
（1.Inner Mogolia University of Science and Technology，Baotou014010，China；2.Beijing University of Science and Technology Beijing100083，China）

The static stiffness of CNC engraving and milling machine bed，directly affect processing quality of the machine tool．With bed of the GSFD6050 CNC engraving and milling machine as an example，two improved bed schemes are presented which had analyzed by finite element analysis model.The result of static analysis indicate that the static stiffness of improved bed become better，In addition，the structural weight of the improved bed reduces 31%,realizing the structure optimization of bed of the GSFD6050 CNC engraving and milling machin

the bed of the GSFD6050 CNC engraving and milling machine；fnite element analysis；structure design

TG659

A

1009－9492(2014)05－0047－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.011

喬文剛，男，1961年生，內(nèi)蒙古包頭人，碩士，副教授。研究領(lǐng)域：液壓伺服與數(shù)控機(jī)床。已發(fā)表論文12篇。

(編輯：阮 毅)

2013－11－27