冀 敏，張進生，王書達，孫 芹

(山東大學(xué) a.機械工程學(xué)院；b.建材與建設(shè)機械研究中心；c.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南 250061)

開放式加工設(shè)備整機靜動態(tài)特性分析及其優(yōu)化*

冀 敏a,b,c，張進生a,b,c，王書達a,b,c，孫 芹a,b,c

(山東大學(xué) a.機械工程學(xué)院；b.建材與建設(shè)機械研究中心；c.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南 250061)

以開放式鋁材構(gòu)件加工設(shè)備為研究對象，對整機結(jié)構(gòu)進行了靜動態(tài)特性分析及其優(yōu)化設(shè)計。分析了考慮切削力情況下整機靜力變形情況與各部件變形量占系統(tǒng)總變形量的百分比、找出了系統(tǒng)靜剛度的薄弱環(huán)節(jié)；通過整機模態(tài)分析獲得了前6階固有頻率及振型，找出了整機動態(tài)特性薄弱環(huán)節(jié)；對薄弱環(huán)節(jié)——橫梁及滑枕進行了優(yōu)化。為研究此類加工設(shè)備靜動態(tài)特性及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，有助于提升窄長鋁材構(gòu)件加工質(zhì)量，促進相關(guān)行業(yè)發(fā)展。

開放式加工中心；靜力學(xué)分析；模態(tài)分析

0 引言

窄長鋁材構(gòu)件加工設(shè)備主要應(yīng)用于軌道交通、船舶、車輛用鋁型材及建筑幕墻等加工領(lǐng)域，因為該類鋁型材具有結(jié)構(gòu)上長寬比大、壁薄、截面復(fù)雜和工藝上加工工序多、加工區(qū)域距離遠、易變形的特點，所以要求加工中心具有縱向行程長、裝卸方便、靜動剛度好、精度高等特點。

近年來，國內(nèi)外對龍門式加工中心靜動態(tài)特性進行了較多的研究。李殿新[1]等人采用細化試驗方法測量了機床整機及部件的變形量，找到了整機靜剛度的薄弱環(huán)節(jié)。Rong Yan[2]等人分析了整機各部件的變形量，采用串聯(lián)剛度場理論分析了各部件變形對整機剛度的影響，找到了整機的薄弱的環(huán)節(jié)。Brecher[3]等人通過模態(tài)試驗分析，獲取了機床結(jié)構(gòu)的前12階固有頻率和振型，基于試驗結(jié)果研究了機床抵抗外部干擾的性能。本文根據(jù)開放式加工設(shè)備的特點及設(shè)計要求，并借鑒前人的研究方法對整機進行了靜動態(tài)特性分析，綜合分析確定加工設(shè)備整機結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，并對加工設(shè)備結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)進行改進。

1 加工中心整體布局

開放式鋁材構(gòu)件加工設(shè)備采用床身、夾具固定，橫梁、滑座、滑枕移動的C型結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)包括由床身、立柱、橫梁、滑座、滑枕等部分，如圖1所示。

1.地腳 2.床身 3.立柱 4.橫梁 5.滑座 6.滑枕 7.主軸 8.工件 9.夾具圖1 開放式鋁材構(gòu)件加工設(shè)備總體結(jié)構(gòu)布局圖

2 加工設(shè)備靜力學(xué)分析

2.1 加工設(shè)備有限元模型建立

(1)模型簡化：在建模時對模型進行適當?shù)暮喕コ菁y孔、小圓孔、倒圓及倒角等細小工藝結(jié)構(gòu)。

(2)定義材料屬性：加工設(shè)備的床身、橫梁、立柱采用焊接結(jié)構(gòu)，材料選用Q235；滑座采用鑄造結(jié)構(gòu)，材料選用HT200；滑枕材料采用6061鋁合金；導(dǎo)軌、滑塊材料為淬硬鋼。各材料的彈性模量、泊松比及密度值見表1所示。

表1 各材料的特性參數(shù)

(3)結(jié)合面設(shè)置：加工設(shè)備的結(jié)合面主要包括滑塊-導(dǎo)軌軌道結(jié)合面和螺栓連接的固定結(jié)合部。滑塊可沿導(dǎo)軌運動，在兩個方向上承受力的作用，采用節(jié)點耦合的接觸單元模擬；螺栓連接的結(jié)合面采用bonded接觸單元模擬。

(4)網(wǎng)格劃分：采用四面體與六面體混合的方法，并對局部進行網(wǎng)格細化處理，對加工設(shè)備進行劃分網(wǎng)格，有限元模型如圖2所示。

圖2 加工設(shè)備有限元模型

2.2 整機靜力學(xué)分析

(1)切削力的確定

以高速列車側(cè)墻材料6005A-T6鋁合金為加工對象，分析刀具處的切削力。根據(jù)銑削力的計算公式計算得出Fz=869N。

為方便靜力分析時施加載荷的方便，將銑削力沿設(shè)備X、Y、Z方向分解為三個分力：X向進給分力Ff、Y向進給分力Fe和Z向進給分力FfN。

端面銑削時各分力與銑削力的關(guān)系：

得到：

極限切削力是表征設(shè)備加工能力的重要參數(shù)之一，其大小約為最大切削力的1.6倍，最終確定各向的切削力：

Ff=557N，F(xiàn)e=1251N，F(xiàn)fN=696N

(2)載荷施加及求解

根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)可知，當滑座位于橫梁最外端，滑枕沿設(shè)備Z向移動到最下端時，主軸頭的變形量最大，因此，加工設(shè)備整機的靜力學(xué)分析以此位姿計算。將三向切削力施加在主軸頭端面上，并對整機施加標準重力場，分析加工設(shè)備整機在切削力作用下的各向變形云圖，如圖4、圖5所示。

(a)總位移

(b)X向

(c)Y向

(d)Z向圖4 整機切削力下各向變形云圖

整機在切削力作用下主軸頭端面最大位移結(jié)果：總位移為0.1365mm；X向位移為0.0743mm；Y向位移0.1092mm；Z向位移-0.01352mm。以最小截面規(guī)格鋁材構(gòu)件加工允差±0.1mm為精度要求，本設(shè)備難以滿足加工要求。

測量各部件連接處的變形量，并以每部件兩端處變形量差值作為每個部件的變形量，從而將總變形分解到各個部件，各部件變形量占系統(tǒng)總變形比例如圖5所示。根據(jù)計算結(jié)果得出橫梁、滑枕的變形量最大，分別為0.0306mm和0.0431mm，占到了整機變形的22.42%和31.57%。

圖5 各部件變形量貢獻圖

3 加工設(shè)備整機結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

采用Fixed Support約束方式將設(shè)備安裝支腳底面固定，作為床身分析的約束條件。對整機結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)進行分析，頻率范圍10Hz～1×108Hz，防止外界噪聲干擾。獲得整機結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率和振型，如圖6所示。整機各階振型描述見表3。

(a)1階 (b)2階

(c)3階 (d)4階

(e)5階 (f)6階圖6 整機各階固有頻率及振型

表3 固有頻率和振型描述

由整機前6階振型可知，加工設(shè)備的振動主要表現(xiàn)為橫梁外端的彎曲及扭曲振動和滑枕的彎曲及扭曲振動；結(jié)合靜力學(xué)分析，橫梁、滑枕的動、靜態(tài)特性均不理想，是設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)，需要進一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。

4 薄弱環(huán)節(jié)優(yōu)化設(shè)計

由加工設(shè)備整機靜動態(tài)特性分析可知，滑枕、橫梁是整機變形量最大的部件，且整機的主要振動也表現(xiàn)為滑枕、橫梁的振動，因此，它們?yōu)榧庸ぴO(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)對滑枕、橫梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高整機靜動態(tài)特性，進而改善加工設(shè)備的加工性能。

4.1 滑枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

滑枕為鋁板銑削加工而成，材質(zhì)為AL6061，具體結(jié)構(gòu)如圖7a。通過改變滑枕結(jié)構(gòu)，由直接銑穿改為銑成中空結(jié)構(gòu)，并布置加強筋，加強筋由橫板與斜板組成，焊接在滑枕的中空腔內(nèi)，以提高滑枕抗扭剛度，如圖7b所示。

(a)滑枕原始方案 (b)滑枕優(yōu)化方案 圖7 滑枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后模型

4.2 橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

橫梁原始結(jié)構(gòu)為一根方管與4塊加強板焊接布置在橫梁內(nèi)部，如圖8所示。通過改變加強板厚度尺寸與筋板布置形式，以增加橫梁的支撐剛度，具體改進方案為將加強板的數(shù)量由4塊增為8塊，并對加強板的厚度值進行尺寸優(yōu)化。

圖8 橫梁結(jié)構(gòu)原始模型

通過ANSYS Workbench的Direct Optimization模塊對橫梁加強板厚度尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，目的為降低加工設(shè)備整機的變形。選取橫梁加強板厚度h1為設(shè)計變量，h1的初始值為10mm，設(shè)計范圍定為5≤h1≤25；綜合考慮設(shè)計要求及輕量化，優(yōu)化目標為整機質(zhì)量最小與主軸頭端面最大位移最小。采用Screening(采樣及篩選)方法進行運算，采樣數(shù)為20，分析后獲得各設(shè)計點的主軸端面最大位移與整機質(zhì)量情況。當h1=18mm時，主軸端面最大位移為0.0895mm，整機質(zhì)量為2375.5kg，認為其為最優(yōu)尺寸。

4.3 整機靜動態(tài)優(yōu)化前后對比

將橫梁、滑枕優(yōu)化后，對整機結(jié)構(gòu)進行靜動態(tài)特性分析，獲得整機受切削作用下的結(jié)構(gòu)位移云圖，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后整機結(jié)構(gòu)位移云圖

改進前后結(jié)構(gòu)分析結(jié)果對比見表4。

表4 改進前后結(jié)果對比

5 結(jié)束語

建立了開放式鋁材構(gòu)件加工設(shè)備整機有限元模型并基于ANSYS Workbench對整機結(jié)構(gòu)進行了靜動態(tài)特性分析，結(jié)合靜動態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)滑枕、橫梁的靜動態(tài)特性均不理想，為整機的薄弱環(huán)節(jié)；針對橫梁、滑枕的結(jié)構(gòu)特點，通過改變尺寸、布置筋板、優(yōu)化筋板布置形式，以提高橫梁支撐剛度、滑枕抗扭剛度；對比優(yōu)化前后方案，整機變形量減少了34.43%，降為0.0895mm，滿足各種規(guī)格鋁材構(gòu)件的加工精度要求，設(shè)備前6階固有頻率均有提高，且整機振型與原始方案相比，無明顯振動及局部振動，整機靜動態(tài)特性得到了較大改善，為實現(xiàn)加工設(shè)備優(yōu)良的加工性能提供了支持。

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(編輯李秀敏)

TheStaticandDynamicCharacteristicAnalysisandTheOptimizationofOpenFrameMachiningEquipmentforAluminumComponents

JI Mina,b,c, ZHANG Jin-shenga,b,c, WANG Shu-daa,b,c, SUN Qina,b,c

(a.School of Mechanical Engineering; b.Research Centre for Building Materials and Construction Machinery; c.Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Shandong University, Jinan 250061,China)

Taking the open frame machining equipment for aluminum components as the research object, analyze the static and dynamic characteristics of the whole machine structure and optimize the fracture. Analyze the static deformation of machining equipment considering the cutting force and the percentage of the deformation of each component to the system, the weak parts of the system static stiffness can be found. According to the modal analysis, the first six order natural frequency and the mode shape can be obtained, then the weakness of the system dynamic performance can be found. Finally,the weak parts such as the beam and ram, which is the weakness of the machining equipment have been optimized.The study provides a theoretical basis for the static/ dynamic performance analysis and structure optimization for this kind of machining equipment. The study can improve the processing quality of the long narrow aluminum components and promote the development of the relative industries.

aluminum components; open frame machining equipment; static structural analysis; modal analysis

TH16; TG502

：A

1001-2265(2017)09-0062-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.016

2016-11-11

山東省重點研發(fā)計劃(2015GGX103032)

冀敏(1991—)，男，濟南人，山東大學(xué)碩士研究生，研究方向為鋁材構(gòu)件高效加工關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)，(E-mail)317884679@qq.com；通訊作者：張進生(1962—)，男，山東高青人，山東大學(xué)教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向為硬脆材料高效加工技術(shù)及裝備，(E-mail)zhangjs@sdu.edu.cn。