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

        2018-12-18 10:16:38朱爽高強(qiáng)王炳達(dá)彭胡劉小琨
        科技與創(chuàng)新 2018年23期
        關(guān)鍵詞:床身筋板固有頻率

        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。

        [1]賀兵.超高速平面磨床的構(gòu)造特征及動(dòng)態(tài)特性研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2004.

        [2]劉稱意.考慮導(dǎo)軌結(jié)合面影響的數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].沈陽:東北大學(xué),2010.

        [3]王云霞,郭玉杰.機(jī)床床身結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2016(1):2.

        [4]王曉雷,姚子生,李博.機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化[J].中國(guó)設(shè)備工程,2018(8):75-76.

        [5]劉江,唐傳軍.立式加工中心床身結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2010(4):20.

        2095-6835(2018)23-0128-02

        TG502

        A

        10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.128

        〔編輯:嚴(yán)麗琴〕

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