李紹萍，王元倫，彭梁鋒，張文坤

（沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司,昆明650203）

數(shù)控龍門鏜銑床龍門框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李紹萍，王元倫，彭梁鋒，張文坤

（沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司,昆明650203）

針對某大、重型龍門移動式數(shù)控龍門鏜銑床，運(yùn)用有限元分析技術(shù)進(jìn)行動靜態(tài)特性分析，找出薄弱環(huán)節(jié)。對龍門框架結(jié)構(gòu)中最薄弱的橫梁大件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從設(shè)計層面提高龍門框架的動靜態(tài)性能。

數(shù)控龍門鏜銑床；有限元分析；龍門框架；橫梁

1 引言

對于大、重型龍門移動式數(shù)控龍門鏜銑床而言，影響整機(jī)靜動態(tài)性能最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)就是龍門框架結(jié)構(gòu)。對整機(jī)進(jìn)行靜動態(tài)分析，提取龍門框架計算分析結(jié)果，獲取最薄弱大件優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，再將優(yōu)化后的各部件整合進(jìn)行重新分析及優(yōu)化，以改善龍門框架的靜動態(tài)性能，為機(jī)床的高精度和高穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)[1]。

2 模型簡化、邊界條件加載及網(wǎng)格劃分

龍門框架由左、右立柱、橫梁、滑座組成。橫梁與左右立柱上端緊固連接，左、右立柱下部通過螺栓與滑座緊固連接，形成一個對剛性要求很高的龍門框架。其中，立柱、橫梁、溜板的材料為HT300，密度ρ=7200kg/m3，彈性模量E=138GPa，泊松比μ=0.25。為提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，減小計算量，消除無關(guān)因素干擾，在不影響機(jī)床分析精度的情況下，對原始實(shí)體模型進(jìn)行簡化，消除與整機(jī)靜動態(tài)分析無關(guān)的因素。例如刪除結(jié)構(gòu)件中的倒角、圓角、階梯以及油孔、螺紋孔等細(xì)節(jié)[2]。簡化后模型如圖1所示。

根據(jù)機(jī)床鏜削、銑削、鉆削實(shí)際加工工況，在對模型簡化后，分不同位置不同工況對機(jī)床進(jìn)行邊界條件設(shè)定。因結(jié)構(gòu)中各部件的大小和結(jié)構(gòu)存在差異，在劃分網(wǎng)格時分別給立柱、橫梁、溜板、滑枕及其他小部件不同網(wǎng)格尺寸，采用自動生成方式，其劃分結(jié)果如圖2所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 有限元網(wǎng)格劃分模型

3 靜動態(tài)分析

根據(jù)各部件在整機(jī)中的裝配位置，在床身與地腳的接觸面施加固定約束，鏜削、銑削、鉆削3種工況下分別在滑枕的底部端面施加軸向抗力、最大扭矩及切削力在各方向的分力[3]。

3.1 靜態(tài)分析

經(jīng)過對滑枕在不同行程溜板處于橫梁的不同位置，以及在重力場、鏜削、銑削、鉆削工況下進(jìn)行靜力分析發(fā)現(xiàn)，由于切削力平衡了部分的重力，在空載狀態(tài)下整機(jī)變形最大。溜板位于Y向行程中間，滑枕伸出至低位時，最大變形0.34588mm，位于滑枕頂端。龍門框架最大變形0.164mm，位于橫梁下導(dǎo)軌中段，如圖3所示。

圖3 最大變形及等效應(yīng)力云圖分布

3.2 動態(tài)分析

對立柱與滑座的接觸面固定約束，計算龍門前三階模態(tài)，如圖4所示。

圖4 前三階模態(tài)振型

通過對龍門框架靜動態(tài)分析，要提高整機(jī)靜動態(tài)性能，需要進(jìn)一步優(yōu)化龍門結(jié)構(gòu)，龍門框架優(yōu)化中，重點(diǎn)在橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

橫梁采用箱型結(jié)構(gòu)，箱壁加縱橫筋，提高橫梁的剛性及抗扭性能。經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析后橫梁的導(dǎo)軌壁采用雙層壁，以明顯提高橫梁的剛性及承載能力，橫梁優(yōu)化前后模型如圖5所示。

圖5 橫梁優(yōu)化前后模型

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計橫梁在受載情況下的應(yīng)力應(yīng)變均大幅減小，橫梁在極限載荷情況下所受應(yīng)力從21.3MPa減小到17.8MPa，均遠(yuǎn)小于灰鑄鐵的強(qiáng)度極限，在承受極限載荷的情況下橫梁最大變形量從0.164mm減小到0.128mm，如圖6所示。由此可見，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大幅提高了橫梁自身的剛度和承載能力。

圖6 橫梁優(yōu)化后應(yīng)力應(yīng)變云圖

優(yōu)化前后橫梁的前六階固有頻率如表1所示，經(jīng)過優(yōu)化后橫梁的各階固有頻率均有大幅的提高，前六階模態(tài)振型如圖7所示。 機(jī)床轉(zhuǎn)速范圍8～1500 r/min，其最大激振頻率25Hz，低于橫梁一階固有頻率，滿足設(shè)計要求。

表1 橫梁前六階固有頻率

圖7 優(yōu)化后橫梁前六階模態(tài)振型

5 結(jié)語

對該型龍門移動式數(shù)控龍門鏜銑床進(jìn)行整機(jī)動靜態(tài)特性分析，發(fā)現(xiàn)在龍門框架中變形及振動最大的大件是橫梁，通過將橫梁導(dǎo)軌壁結(jié)構(gòu)改為雙層壁結(jié)構(gòu)，應(yīng)變減小了16%，變形減小近22%，一階固有頻率提高了25%，從設(shè)計層面提高了整機(jī)動靜態(tài)性能。

【1】陳心昭,權(quán)義魯.現(xiàn)代機(jī)床實(shí)用手冊[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

【2】王書亭.高速加工中心性能建模及優(yōu)化[M].北京：科學(xué)出版社,2012.

【3】凌桂龍,丁金濱,溫正.ANSYS Workbench13.0從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

【4】林有希,高誠輝,高濟(jì)眾.大型機(jī)床動態(tài)特性的整機(jī)有限元分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003∶31(1)∶69-72.

Structure Optimal Design of Gantry Frame of CNC Gantry Boring and Milling Machine

LI Shao-ping,WANG Yuan-lun,PENG Liang-feng,ZHANG Wen-kun
(Kunming Machine Tool Co.Ltd.of Shenji Group,Kunming 650203，China)

The dynamic and static characteristics of large heavy moving gantry boring and milling machine are analyzed,by the means of Finite Element Analysis Technology,to find weak links.Through optimal design for the most fragile beam,dynamic and static performances are upgraded in designing.

CNC gantry boring and milling machine;finite element analysis;gantry frame;beam

TH122；TG659

A

1007-9467（2016）09-0075-03【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.033

2016-08-12

李紹萍（1971～），女，云南建水人，高級工程師，從事精密數(shù)控機(jī)床設(shè)計研究。