周秦源 任瑩暉 郭懷忠

(①中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004;②湖南省湘潭市三峰數控有限公司，湖南 湘潭 411201)

精密磨床的床身是機床的重要部件［1］，其靜態(tài)特性和動態(tài)特性直接影響機床的加工精度和穩(wěn)定性，及安全可靠性及使用壽命［2-3］。本文針對三峰數控有限公司的單立柱雙磨頭多功能數控磨床SMF6020 床身的特點，考慮到立柱及磨頭等部分的施加力在于后床身，即后床身是承載的主要部件。因此，基于大型有限元分析軟件ANSYS 的有限元靜動態(tài)分析的方法，對精密磨床后床身進行動靜態(tài)特性的結構分析，為提高精密磨床的整體結構的設計提供理論依據［4］。

1 后床身有限元模型的建立

1.1 施加載荷的計算

由于后床身施加的載荷是由立柱、立磨頭組件和臥磨頭組件共同的重量組成的，分析三者總質量:M=423.404 kg，施加后床身表面積:S=266434.45 mm2。

根據SMF6020 機床結構特點建立其三維模型，如圖1 所示，對其三維模型采用四面體網格及上述加載分析進行有限模型的建立，如圖2 所示。

1.2 后床身所用的材料參數

表1 后床身材料(HT250)參數

2 靜力學分析

從SFM6020 后床身的靜態(tài)有限元分析可知，最大應力和變形都出現在和立柱接觸部位，如圖3 所示最大變形為0.168 mm，如圖4 所示最大應力為43.048 MPa。這個位置的變形直接影響到立柱底部的位置移動，進一步影響了加工產品的精度。

3 后床身模態(tài)性能分析

從SFM6020 后床身的動態(tài)特性分析的前四階的參數因子可以分析出，在一階振型中，以Z 方向的移動，X 軸的轉動為主;二階振型中，X 向的移動，Y 軸的轉動為主;在第三階振型中，以X 向的移動，以Y 向的轉動為主;在第四階振型中、以Y 向的移動、Z 軸的轉動為主。固有頻率最小的部位是后床身放置電機部位的床身壁處。后床身的前四階固有頻率如表2 所示，前四階模態(tài)振型如圖5 所示。

表2 模態(tài)分析結果

4 后床身動態(tài)特性的優(yōu)化

4.1 增加后床身筋板

通過對SMF6020 精密磨床后床身動靜態(tài)分析，靜態(tài)最薄弱的部位是和立柱底部接觸的部位，動態(tài)分析最薄弱的地方出現在電機放置部位，為提高機床的動靜態(tài)剛度，減小變形量，在和立柱接觸部位的后床身的下部增加3 個縱向筋，避免后床身上面在Y 向的移動和X 向的轉動。改進后的前四階固有頻率有所增加，如表3 所示，說明增加筋板后提高了后床身的動剛度。

表3 增加筋板后床身前四階固有頻率

4.2 增加后床身筋板的厚度

將原來后床身筋板的厚度是16 mm，增加到20 mm，床身的動態(tài)特性有所提高，改進前后后床身動態(tài)特性的比較如表4 所示。

表4 增加筋板厚度后床身前四階固有頻率

4.3 后床身和前床身接合

為了提高機床的整體剛性，將后床身和前床身接合，增強動剛度。將接合后的床身進行模態(tài)分析，前四階振型如圖6 所示，前四階固有頻率及變化值如表5所示，從表5 可以看出，將前后床身接合是將機床動剛度提高有效方法。

表5 改進后床身前四階固有頻率

5 結語

(1)從SFM6020 后床身的靜態(tài)有限元分析可知，最大應力和變形都出現在和立柱接觸部位，最大變形為0.168 mm，最大應力為43.048 MPa;

(2)通過對機床后床身模態(tài)分析，可知其一階頻率為141.47 Hz，固有頻率最小的部位是后床身放置電機部位的床身壁處;

(3)提出了增加筋板、增加筋板厚度及將前后床身接合的結構優(yōu)化方法，通過對后床身優(yōu)化前后對比分析，可知這3 種方案均能增強床身的動剛度，提升機床的動態(tài)特性，其中將前后床身接合是將機床動剛度提高整個床身動態(tài)特性的有效方法。

［1］唐恒齡，楊嘯.機床動力學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［2］倪曉宇，易紅，湯文成，等.機床床身結構的有限元分析與優(yōu)化［J］.制造技術與機床，2005(2):47 -50.

［3］伍建國，陳新，孫慶鴻.內圓磨床床身結構的動態(tài)分析與優(yōu)化設計［J］.精密制造與自動化，2002(2):25 -26.

［4］陳桂平，文桂林.高速磨床床身結構動態(tài)分析與優(yōu)化［J］.制造技術與機床，2009(2):19 -23.