朱爽，高強(qiáng)，王炳達(dá)，彭胡，劉小琨

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機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱爽，高強(qiáng)，王炳達(dá)，彭胡，劉小琨

（沈陽工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

機(jī)床床身是整個(gè)機(jī)床的基體結(jié)構(gòu)，為機(jī)床上的加工零件提供運(yùn)動(dòng)軌跡，為各種運(yùn)動(dòng)提供精度服務(wù)。床身結(jié)構(gòu)是否合理，將影響整個(gè)機(jī)床的精度和壽命。以超高速磨削機(jī)床床身為例，通過有限元分析了機(jī)床床身長(zhǎng)、寬、高和空洞筋板等對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響，為機(jī)床床身的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

機(jī)床床身；動(dòng)態(tài)特性；優(yōu)化設(shè)計(jì)；機(jī)床精度

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，機(jī)床設(shè)計(jì)周期越來越短，成本越來越低，各個(gè)機(jī)床企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)越來越大，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化顯得尤為重要。機(jī)床床身是整個(gè)機(jī)床的基體結(jié)構(gòu)，為機(jī)床上的加工零件提供運(yùn)動(dòng)軌跡，為各種運(yùn)動(dòng)提供精度服務(wù)。床身結(jié)構(gòu)是否合理，將影響整個(gè)機(jī)床的精度和壽命。為了獲得合理的床身結(jié)構(gòu)，本文將依次分析床身長(zhǎng)、寬、高等結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)固有頻率的影響。

1 床身長(zhǎng)度對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響

兩個(gè)結(jié)構(gòu)和材料屬性完全相同的超高速磨削機(jī)床床身如圖1所示，b模型在a模型的基礎(chǔ)上縮短了床身邊沿并去除了床身上的孔洞。

圖1 床身有限元模型

為了研究床身長(zhǎng)度對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響，對(duì)圖1的2個(gè)模型進(jìn)行有限元分析，得到固有頻率，具體如表1所示。

通過有限元分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，縮短了床身邊沿并去除了床身上的孔洞后，床身的固有頻率會(huì)大幅度提高。機(jī)床床身邊沿由于厚度較小且延伸在外，是整個(gè)床身上最為薄弱的邊沿，在受到外力時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)，而縮短床身邊沿可以有效避免因床身邊沿過長(zhǎng)導(dǎo)致的振動(dòng)，從而提高床身動(dòng)態(tài)特性。另外，去除床身上的孔洞可以有效避免應(yīng)力集中對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響，從而提高床身的動(dòng)態(tài)特性。

2 床身寬度對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響

床身寬度的增加可以提高床身的穩(wěn)定性，從而改善床身的動(dòng)態(tài)特性，但是隨著寬度的增加，寬度方向上的剛度會(huì)有所降低，導(dǎo)致床身的動(dòng)態(tài)特性變差。為了確定隨著寬度增加，床身動(dòng)態(tài)特性的變化趨勢(shì)，將b模型的床身模型增加寬度后進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率如表2所示。

表1 床身固有頻率對(duì)比

模態(tài)階數(shù)有限元模型 a模型b模型 1109233 2143348 3177379 4223385 5253440 6291464 7297510 8360526 9399535 10441582

表2 床身寬度固有頻率對(duì)比

模態(tài)階數(shù)床身寬度/mm 525575 1233220 2348346 3379376 4385381 5440400 6464426

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)床身寬度增加后，固有頻率會(huì)有所降低，動(dòng)態(tài)特性會(huì)受到影響。由此可見，增加床身寬度后，其剛度的降低要超過穩(wěn)定性增加所帶來的影響。為了能夠在增加床身的穩(wěn)定性的同時(shí)避免寬度方向上的剛度降低，可以考慮增加筋板。

3 筋板對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響

為了考查增加筋板的方法是否能夠避免寬度方向上的剛度減弱，從而避免機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)特性受到寬度增加的影響，在上述增加寬度后的模型內(nèi)加入筋結(jié)構(gòu)，如圖2所示，并進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析后，得到固有頻率如表3所示。

圖2 增加筋板的有限元模型

表3 筋板結(jié)構(gòu)的影響

模態(tài)階數(shù)床身寬度/mm 525575575（加筋） 1233220201 2348346338 3379376420 4385381451 5440400537 6464426576

通過分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，增加筋板結(jié)構(gòu)后，可以改善床身的剛度，有效避免增加寬度帶來的影響。雖然低階模態(tài)的固有頻率仍然有所降低，但降低量較小。所以，筋板的添加是改善高階模態(tài)下機(jī)床床身的固有頻率的有效方法。

4 床身高度對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響

高度是影響機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素。為了研究床身高度對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響程度，改變b模型的高度，并進(jìn)行有限元分析，得到的固有頻率如表4所示。

通過有限元分析可以看出，床身高度變化在100 mm范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)其固有頻率的影響并不穩(wěn)定；當(dāng)變化超過100 mm時(shí)，固有頻率明顯有所提高。因此，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量降低床身的高度以改善其動(dòng)態(tài)特性。

表4 床身高度固有頻率對(duì)比表

模態(tài)階數(shù)床身高度/mm 715 700 675 650 625 600 1233237259231242265 2348341372360359377 3379379377376376380 4385384387382383457 5440445482467469516 6464462505472482526

5 結(jié)論

通過上述有限元分析可知，機(jī)床的長(zhǎng)、寬、高在一定程度上會(huì)影響其動(dòng)態(tài)特性，而機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)特性將影響整個(gè)機(jī)床精度和壽命。縮短床身邊沿長(zhǎng)度、降低床身高度、減少床身上的孔洞結(jié)構(gòu)、增加筋板，都能夠有效提高床身的動(dòng)態(tài)特性，從而提高機(jī)床的精度。

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2095－6835（2018）23－0128－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.128

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕