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        機床床身結構優(yōu)化設計

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

        朱爽,高強,王炳達,彭胡,劉小琨

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        機床床身結構優(yōu)化設計

        朱爽,高強,王炳達,彭胡,劉小琨

        (沈陽工程學院 機械學院,遼寧 沈陽 110136)

        機床床身是整個機床的基體結構,為機床上的加工零件提供運動軌跡,為各種運動提供精度服務。床身結構是否合理,將影響整個機床的精度和壽命。以超高速磨削機床床身為例,通過有限元分析了機床床身長、寬、高和空洞筋板等對其動態(tài)特性的影響,為機床床身的優(yōu)化設計提供基礎。

        機床床身;動態(tài)特性;優(yōu)化設計;機床精度

        隨著計算機輔助設計軟件的開發(fā),機床設計周期越來越短,成本越來越低,各個機床企業(yè)之間的競爭越來越大,結構的優(yōu)化顯得尤為重要。機床床身是整個機床的基體結構,為機床上的加工零件提供運動軌跡,為各種運動提供精度服務。床身結構是否合理,將影響整個機床的精度和壽命。為了獲得合理的床身結構,本文將依次分析床身長、寬、高等結構尺寸對固有頻率的影響。

        1 床身長度對其動態(tài)特性的影響

        兩個結構和材料屬性完全相同的超高速磨削機床床身如圖1所示,b模型在a模型的基礎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

        為了研究床身長度對其動態(tài)特性的影響,對圖1的2個模型進行有限元分析,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,床身的固有頻率會大幅度提高。機床床身邊沿由于厚度較小且延伸在外,是整個床身上最為薄弱的邊沿,在受到外力時容易產(chǎn)生振動,而縮短床身邊沿可以有效避免因床身邊沿過長導致的振動,從而提高床身動態(tài)特性。另外,去除床身上的孔洞可以有效避免應力集中對動態(tài)特性的影響,從而提高床身的動態(tài)特性。

        2 床身寬度對其動態(tài)特性的影響

        床身寬度的增加可以提高床身的穩(wěn)定性,從而改善床身的動態(tài)特性,但是隨著寬度的增加,寬度方向上的剛度會有所降低,導致床身的動態(tài)特性變差。為了確定隨著寬度增加,床身動態(tài)特性的變化趨勢,將b模型的床身模型增加寬度后進行模態(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比

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

        通過對比可以發(fā)現(xiàn),當床身寬度增加后,固有頻率會有所降低,動態(tài)特性會受到影響。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)定性的同時避免寬度方向上的剛度降低,可以考慮增加筋板。

        3 筋板對其動態(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,從而避免機床床身的動態(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)加入筋結構,如圖2所示,并進行模態(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 筋板結構的影響

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

        通過分析結果可以發(fā)現(xiàn),增加筋板結構后,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)下機床床身的固有頻率的有效方法。

        4 床身高度對其動態(tài)特性的影響

        高度是影響機構穩(wěn)定性的重要因素。為了研究床身高度對其動態(tài)特性的影響程度,改變b模型的高度,并進行有限元分析,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,對其固有頻率的影響并不穩(wěn)定;當變化超過100 mm時,固有頻率明顯有所提高。因此,在條件允許的情況下,應盡量降低床身的高度以改善其動態(tài)特性。

        表4 床身高度固有頻率對比表

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

        5 結論

        通過上述有限元分析可知,機床的長、寬、高在一定程度上會影響其動態(tài)特性,而機床床身的動態(tài)特性將影響整個機床精度和壽命??s短床身邊沿長度、降低床身高度、減少床身上的孔洞結構、增加筋板,都能夠有效提高床身的動態(tài)特性,從而提高機床的精度。

        [1]賀兵.超高速平面磨床的構造特征及動態(tài)特性研究與結構優(yōu)化[D].長沙:湖南大學,2004.

        [2]劉稱意.考慮導軌結合面影響的數(shù)控機床動態(tài)特性分析及結構優(yōu)化[D].沈陽:東北大學,2010.

        [3]王云霞,郭玉杰.機床床身結構綜合優(yōu)化設計技術[J].制造技術與機床,2016(1):2.

        [4]王曉雷,姚子生,李博.機床床身結構的有限元分析與優(yōu)化[J].中國設備工程,2018(8):75-76.

        [5]劉江,唐傳軍.立式加工中心床身結構有限元分析與優(yōu)化[J].組合機床與自動化加工技術,2010(4):20.

        2095-6835(2018)23-0128-02

        TG502

        A

        10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.128

        〔編輯:嚴麗琴〕

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