王元倫，李紹萍，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)

橋式龍門(mén)鏜銑床橫梁部件動(dòng)靜特性分析

王元倫，李紹萍，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)

以提高橋式龍門(mén)機(jī)床橫梁部件結(jié)構(gòu)剛性，減輕橫梁部件質(zhì)量，滿(mǎn)足機(jī)床高速加工要求為目的，利用Pro/E軟件建立三維幾何模型，通過(guò)模型簡(jiǎn)化，結(jié)合載荷等效原則建立有限元模型，分析其在工作載荷下的靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)現(xiàn)有橫梁進(jìn)行再設(shè)計(jì)。

橋式龍門(mén)鏜銑床；橫梁；動(dòng)靜特性分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.038

1 引言

數(shù)控龍門(mén)鏜銑床經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)成為多系列、多種類(lèi)、復(fù)合型機(jī)電液一體化的技術(shù)密集型產(chǎn)品，適合于大中型零件多工作面的銑、鉆、鏜、攻絲及曲面等多工序加工，配置數(shù)控銑頭后，還可對(duì)工件進(jìn)行五面加工及各種復(fù)雜型面的五軸聯(lián)動(dòng)加工，屬于高精度、高性能、高效率的重要裝備。應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涉及國(guó)家軍工、航空、航天、船舶、國(guó)防、鐵路、重型機(jī)械、礦山機(jī)械、工程機(jī)械、能源、鋼鐵等行業(yè)，同時(shí)也是火電、水電等行業(yè)主要零部件加工的關(guān)鍵設(shè)備。

傳統(tǒng)龍門(mén)機(jī)床一般采用工作臺(tái)移動(dòng)，橫梁靜止的設(shè)計(jì)方法，難以實(shí)現(xiàn)高速加工。橋式龍門(mén)鏜銑床采用了橫梁部件移動(dòng)，而工作臺(tái)靜止的設(shè)計(jì)方法，這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)了現(xiàn)代高速加工的發(fā)展趨勢(shì)，避免了傳統(tǒng)工作臺(tái)移動(dòng)式數(shù)控龍門(mén)機(jī)床不適合高速加工的欠缺，有效地增強(qiáng)了工作臺(tái)的承重。橫梁作為代替工作臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的部件，其動(dòng)靜特性對(duì)機(jī)床整機(jī)的加工性能有重要影響，因而對(duì)橫梁部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求[1,2]。

2 橋式龍門(mén)3D模型

數(shù)控橋式龍門(mén)鏜銑床的主要結(jié)構(gòu)包括用于放置工件的工作臺(tái)、床身、橫梁部件等，工作時(shí)，橫梁沿床身縱向進(jìn)給，在滿(mǎn)足橫梁動(dòng)、靜剛度的情況下，能夠獲得較高的速度和加速度。溜板在橫梁上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滑枕固定在溜板上并在垂直地面的方向上作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 橋式龍門(mén)整機(jī)圖

如圖1所示，該機(jī)床的各個(gè)組成部分中，橫梁是至關(guān)重要的部分，除去其沿床身的縱向運(yùn)動(dòng)，它還支撐和帶動(dòng)溜板、滑枕完成各個(gè)動(dòng)作，因而其設(shè)計(jì)尺寸和結(jié)構(gòu)布局影響著加工過(guò)程中各個(gè)組件的運(yùn)動(dòng)以及加工時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

橫梁部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在進(jìn)行有限元分析之前先對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化原則：（1）去除螺紋連接孔；（2）去除不影響結(jié)構(gòu)性能的特征，如退刀槽、接油槽等；橫梁簡(jiǎn)化后模型如圖2所示

圖2 數(shù)控橋式龍門(mén)鏜銑床橫梁模型

3 橫梁靜態(tài)特性分析

3.1 橫梁靜態(tài)剛度分析

鑄件材料為 HT300，彈性模量為 1.43×1011Pa，密度7200kg/m3，泊松比0.27。承載質(zhì)量為1.58×104kg，橫梁自身的質(zhì)量為3600kg，橫梁與床身之間設(shè)置為粘結(jié)約束。建立橫梁有限元分析模型之后，對(duì)橫梁進(jìn)行靜態(tài)剛度分析，其變形如圖3、圖4所示[3]。

圖3 橫梁總變形和Y向變形

圖4 橫梁上導(dǎo)軌和下導(dǎo)軌Y向變形

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)橫梁的最大總變形為0.0423mm，Y向最大變形為0.0415mm，均發(fā)生在滑座安裝位置。

3.2 橫梁模態(tài)分析

機(jī)床作為一個(gè)彈性體，在工作時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生激振力，引起振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)的振幅超出允許的范圍時(shí)，就會(huì)使加工表面惡化，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，影響加工精度和質(zhì)量，降低生產(chǎn)效率。所以在研究機(jī)床的靜態(tài)剛度的同時(shí)，必須還要對(duì)機(jī)床的模態(tài)進(jìn)行研究[4～6]。

對(duì)橫梁進(jìn)行模態(tài)分析可借用靜剛度分析的有限元模型[7]，其固有頻率如表1所示，振型如圖5所示。

表1 橫梁前6階固有頻率

圖5 橫梁前6階固有模態(tài)振型

4 橫梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)橫梁動(dòng)靜特性分析發(fā)現(xiàn)，Y向最大變形為0.04mm，1階固有頻率為68.74Hz。然而由于此橫梁部件為鑄件，承載質(zhì)量為1.48×104kg，橫梁進(jìn)給方向無(wú)法選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)，造成設(shè)計(jì)困難，因而需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)合加工制造可行性，將制造工藝改為焊接，減輕質(zhì)量。優(yōu)化設(shè)計(jì)后橫梁材料為16Mn，彈性模量2.12×1011Pa，密度7870kg/m3，泊松比0.31，工件質(zhì)量為0.98×104kg。優(yōu)化后效果如圖6～圖9所示。

圖6 優(yōu)化后橫梁結(jié)構(gòu)圖

圖7 優(yōu)化后橫梁總變形及Y向變形圖

圖8 優(yōu)化后橫梁導(dǎo)軌變形圖

圖9 優(yōu)化后橫梁前6階固有頻率

通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，橫梁在Y向的最大變形為0.058mm，相比于優(yōu)化前增加0.016mm；1階模態(tài)為67.198Hz，相比于優(yōu)化前降低22.7Hz，橫梁質(zhì)量為0.98×104kg，相比于優(yōu)化前降低0.5× 104kg，對(duì)比見(jiàn)表2所示。

表2 優(yōu)化前后特性對(duì)比表

5 總結(jié)

針對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)工作臺(tái)移動(dòng)式數(shù)控龍門(mén)機(jī)床不適合高速加工的欠缺，研發(fā)了橫梁移動(dòng)式橋式龍門(mén)。以代替工作臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的橫梁部件為例，利用Pro/e和ANSYS建立了其有限元模型，系統(tǒng)地分析了其動(dòng)靜剛度。分析結(jié)果顯示，優(yōu)化后靜態(tài)變形增加了27.58%，1階模態(tài)降低了25.24%，然而對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)影響不大；質(zhì)量則減輕了40%，對(duì)于選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、整機(jī)結(jié)構(gòu)布局有很重要的意義。

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

【2】羅傳林,李鍛能.龍門(mén)式機(jī)床橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2006,35(3)∶45-47.

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

【4】彭文，倪向陽(yáng).五坐龍門(mén)加工中心動(dòng)態(tài)特性分析與振動(dòng)控制[J].設(shè)計(jì)與研究，2006(2)∶61-63.

【5】徐燕申.機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

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

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Static and Dynamic Analysis on Beam Parts of Bridge Gantry Boring and Milling Machine

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

The paper aims to improve the structural rigidity ofbeam parts ofbridge gantry machine,reduce its mass and meet the demand of high-speed processing of the machine.Pro/E software isused to establish a three-dimensional geometric model.By simplifying the model, finite element model is built based on the load equivalent method.The static and dynamic stiffness under working load are analyzed,and then the existing beamis optimized according to analysis results.

bridge gantry boring and milling machine;beam;static and dynamic analysis

TH122；TG659

A

1007-9467（2016）09-0090-03

2016-08-12

王元倫（1982～），男，云南宣威人，工程師，從事精密數(shù)控機(jī)床及功能附件研究。