卜雪梅

（齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

微型移動(dòng)龍門式數(shù)控銑床的主要結(jié)構(gòu)存在不足之處，為了解決這一問題需要將拓?fù)鋬?yōu)化、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法等作為設(shè)計(jì)調(diào)整的主要依據(jù)，首先需要建立本體的有限元模型，再結(jié)合當(dāng)前的加工情況進(jìn)行靜力學(xué)分析，從而得出位移和應(yīng)力云圖的主要內(nèi)容和基本結(jié)論。通過模態(tài)化分析，來了解前十階模態(tài)所具有的頻率和主振類型，通過對有限元結(jié)果的分析，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化原理，將其所具有的最小應(yīng)變能力作為主要的目標(biāo)函數(shù)，并且設(shè)計(jì)好立柱的整體質(zhì)量來作為主要約束條件，對當(dāng)前所采用的微型銑床立柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)還可以采用正交實(shí)驗(yàn)的方式，來保證工作臺(tái)的自重下最大位移程度，控制好T形槽的大小，以及槽與槽之間的間距，安排好工作臺(tái)建設(shè)的厚度，將工作臺(tái)支承面積作為主要的設(shè)計(jì)變量，從而提高工作臺(tái)的工作能力，保證優(yōu)化后機(jī)體的正常運(yùn)行，通過有限元仿真實(shí)驗(yàn)，來提高優(yōu)化后整機(jī)的靜態(tài)性能。

1 本體有限元模型的建立

在進(jìn)行有限元模型創(chuàng)建的過程中，需要充分的考量有限元網(wǎng)格的計(jì)算準(zhǔn)確率和精度，因此需要對銑床的幾何模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，減少給電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)對機(jī)床運(yùn)行所產(chǎn)生的影響，要將主軸電機(jī)作為鋼體，摘除螺紋孔，控制好部分加工角的一些細(xì)小問題，保證各部件之間的有機(jī)結(jié)合。通常我們會(huì)在連接單元TIE，通過八節(jié)點(diǎn)、六面體的但愿模型來對機(jī)床的本體進(jìn)行區(qū)域和網(wǎng)格性劃分，從而得到合理的有限元網(wǎng)絡(luò)模型。確立靜力學(xué)的分析參數(shù)根據(jù)銑削力經(jīng)驗(yàn)公式：

在整個(gè)計(jì)算公式中Fz為切向切削的分力，C Fz為銑削力所得的系數(shù)，ap為切削的深度，af為每齒間提供的進(jìn)給量，ae為銑削的寬度，z 為銑刀的齒數(shù)，do為銑刀的外徑，kFz為銑削的力修正系數(shù)，在進(jìn)行刀具選擇的過程中一般會(huì)選用直徑銑刀的外徑為 10mm 的具有4齒的平底圓柱高速鋼銑刀，銑削材料主要為碳鋼，刀具一般會(huì)沿 X 的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，取最后的數(shù)值為 C Fz= 641，ap= 0.5mm，af= 0.2mm，ae= 0.05銑刀的外徑，k Fz= 1，根據(jù)計(jì)算公式最終求得 Fz= 30.6N

2 靜力學(xué)分析

在微型銑床道具的使用過程中，刀位點(diǎn)大多數(shù)都處于X、Y、Z三個(gè)方向，由上述參數(shù)求得的結(jié)果可知三個(gè)方向分別施加30.6N的力，并且在機(jī)床的質(zhì)點(diǎn)添加向下的重力，保證加速度為9800mm/s2，通過靜力學(xué)內(nèi)容的分析，通過計(jì)算內(nèi)容來得出最終演示結(jié)論，我們可以將綜合位移設(shè)定為8.42×10-4mm保證機(jī)床運(yùn)行的最大應(yīng)力為0.16MPa。

在進(jìn)行模型創(chuàng)建的過程中，還需要結(jié)合國際化發(fā)展慣例，一般情況下，45鋼的強(qiáng)度處于355MPa為了更好的滿足銑床運(yùn)行過程中的發(fā)展需求，我們可以通過分析銑床x和y軸的剛度情況來保證主軸的剛度。最終的分析結(jié)果為：因?yàn)閤軸的機(jī)架和立柱之間的連接板剛度不強(qiáng)，因此x和y軸的剛度較弱，X軸的機(jī)架和立柱之間的連接部分尺寸過小，無法滿足銑床的穩(wěn)定運(yùn)行需求。

3 模態(tài)分析

我們需要通過適當(dāng)?shù)那蠼夥绞絹硖崛∏笆A模態(tài)頻率和主要振型，微型龍門銑床的前十階的固有頻率之間具有較大的差距，因?yàn)闄C(jī)床的整體具有一定的抗震能力，工作臺(tái)如果一旦發(fā)生變形，就會(huì)直接影響到工件加工所具有的精準(zhǔn)性，因此需要明確，工作臺(tái)是機(jī)床的重要結(jié)構(gòu)部件。在進(jìn)行前十階的固有頻率和主振型分析過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)前六階都是工作臺(tái)的振動(dòng)變形情況，并且震動(dòng)的幅度較大，在了解這一問題產(chǎn)生的主要原因時(shí)，我們可以得知工作臺(tái)所具有的原始剛性不足。

除此之外，工作臺(tái)的立柱上的床身還會(huì)發(fā)生扭振的情況，從而導(dǎo)致機(jī)床的刀具出現(xiàn)擺動(dòng)幅度較大的問題，影響到銑削的精度，通過實(shí)驗(yàn)分析可以得出結(jié)論，之所以產(chǎn)生這些問題，都是因?yàn)榱⒅蛒軸之間的連接部分，具有尺寸較小的問題，造成連接部位之間的剛性不足，從而影響了零件加工的整體質(zhì)量，為了解決這一問題，需要適當(dāng)?shù)脑龃蠊ぷ髋_(tái)所具有的剛度，保證立柱和x軸床身的連接部位剛度符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

4 工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

我們現(xiàn)已明確工作臺(tái)式機(jī)床設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的重要影響部分，因此在進(jìn)行工作臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，可以采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方式來全面提高機(jī)床的加工精度，首先，在施工開始之前，需要將工作臺(tái)的進(jìn)度調(diào)整作為主要的優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是依靠靜力學(xué)現(xiàn)有的規(guī)定來對于工作臺(tái)進(jìn)行最大位移。同時(shí)需要對工作臺(tái)的T型槽大小，以及梯形槽之間的間距，工作臺(tái)本身所具有的厚度，工作臺(tái)支撐端邊的主要長度，進(jìn)行詳細(xì)的分析和明確，從而制定出正交實(shí)驗(yàn)表，了解不同的因素對目標(biāo)函數(shù)所造成的運(yùn)行影響，提出最優(yōu)的組合水平數(shù)值。

5 優(yōu)化后的有限元分析

在對微型龍門銑床進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整之后，需要對機(jī)床本身的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行詳細(xì)的分析，通過對優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)模態(tài)來了解機(jī)床低階頻率所發(fā)生的變化，全面提高機(jī)床的整體機(jī)動(dòng)性。一般情況下，我們可以將刀具的表面分為不同的兩個(gè)區(qū)域，首先是磨損區(qū)域，通過對磨損區(qū)域發(fā)生現(xiàn)狀的對比，來了解不同元素所造成的加工問題，通過研究表明，來了解刀具上的粘著層主要是為了覆蓋刀具表面所產(chǎn)生的磨痕，對刀具的使用產(chǎn)生保護(hù)效果，當(dāng)其厚度變薄弱之后磨痕就會(huì)顯得更加明顯。長此以往，會(huì)發(fā)生粘著層剝離的情況，降低刀具的使用壽命，在實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化的過程中，需要注重本體有限元模型的建立，對靜力學(xué)計(jì)算內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的分析，從而得出相應(yīng)的模態(tài)，通過模態(tài)的了解和探討，來明確工作臺(tái)和立柱的主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化內(nèi)容，優(yōu)化完成后再通過有限元的模型建立進(jìn)行第二次分析。

6 總結(jié)

微型移動(dòng)龍門式銑床通常被用于小型零件的加工，想要全面提高零件的加工質(zhì)量，就需要通過適當(dāng)?shù)姆绞絹硖岣呶⑿妄堥T式銑床所具有的剛性，調(diào)整好加工精度，對機(jī)床的本體性結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化，同時(shí)在進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，很多專家學(xué)者都做了相應(yīng)的研究。最后得出結(jié)論，拓?fù)鋬?yōu)化與有限元仿真相結(jié)合的方式，更有利于機(jī)床的立柱優(yōu)化，建設(shè)立柱的最佳結(jié)構(gòu)模型，來對機(jī)床的床身進(jìn)行模擬態(tài)勢分析，結(jié)合分析的主要結(jié)果來重新設(shè)計(jì)床身的橫梁和立柱。綜合型的優(yōu)化技術(shù)，能夠有效提高機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)，因此，不能局限于單個(gè)補(bǔ)件的優(yōu)化，還需要對多個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行綜合性考量，改變傳統(tǒng)的機(jī)床結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床的剛度和精度。