GSLM3308五軸聯動鏜銑加工中心橫梁的靜態特性分析*

廖 菲，陳啟愉，吳智恒，林建新，羅田

(1.廣東省工業技術研究院 機電工程研究所，廣東 廣州 510651;2.廣東鑫泰科技集團有限公司，廣東 廣州 511458)

1 引言

龍門加工中心機床具有加工范圍大、機床變形小、熱變形特性好、機床剛性高等特點，廣泛應用于各類通用機械、零件、注塑模具、鑄造鋼模的單件或批量生產，是汽車制造、工程機械、航天航空、電子、軍工等行業的重要工藝加工設備［1］。橫梁作為機床的大型基礎部件之一，設計要求具有較輕的質量和較高的靜態和動態剛度，采用傳統設計方法難以在設計過程中預知橫梁及至整機的結構動靜態特性，因此筆者引入現代設計方法，將有限元分析技術應用于橫梁結構設計，為進一步的改進設計和優化提供依據［2］。

2 GSL3308五軸聯動鏜銑加工中心結構

GSLM3308五軸聯動鏜銑加工中心的機械主體主要由工作臺、橫梁部件、左右高架橋等組成。傳統的龍門加工中心一般采用橫梁固定、工作臺運動的結構形式，難以實現高速加工，而GSLM3308五軸聯動鏜銑加工中心采用橫梁移動、工作臺靜止的結構形式，在相同機床占地面積的情況下擴大零件的加工尺寸范圍，且避免了因質量較大的工件和工作臺在運動過程中對整機動態性能的影響和因工件質量變化造成整機動態特性的變化，易于實現高速、高精度加工［3］。

如圖1所示，該機床工作臺固定，由裝有銑頭的橫梁沿y坐標方向運動，橫梁上安裝有動力滑座、滑枕、主軸箱、冷卻箱及液壓箱等部件，滑座沿橫梁實現x坐標方向運動，主軸箱滑枕沿橫梁實現z坐標方向運動。x、y、z軸的行程范圍為3 300 mm×8 500 mm×1 000 mm，工作臺面8 000 mm×2 600 mm，最大承載質量30 000 kg，3個軸的工作進給速度為4 m/min，軸快速移動速度為8 m/min。

圖1 GSLM3308五軸聯動鏜銑加工中心結構

3 橫梁系統模型建立

GSLM3308五軸聯動鏜銑加工中心橫梁長為4 610 mm，寬為997 mm，高為1 017 mm。采用Pro/E建立模型，并對凸臺、倒角、螺紋孔、油孔等細節特征信息進行簡化，以節約計算資源，縮短計算運行時間，提高分析效率［4］。幾何模型直接影響分網過程、網格形式和計算精度，簡化后的模型如圖2所示。

圖2 GSLM3308五軸聯動鏜銑加工中心橫梁簡化圖

將幾何模型導入Hyperworks，采用自動網格劃分方式，建立有限元模型如圖3所示。橫梁材料選用HT300，密度為7 350 kg/m3，彈性模量為130 GPa，泊松比為0.27。

圖3 橫梁有限元模型

4 橫梁結構的靜態特性分析

靜力分析是要確定原始結構的合理性并以此作為結構優化的前提，機床的靜力分析主要是確定機床的靜剛度，考核機床在靜載荷作用下抵抗變形的能力［5］。作用在加工中心橫梁上的靜載荷主要是橫梁、滑枕和主軸箱等本身的重力和加工時的切削力。其中橫梁自重為均布載荷，滑枕、主軸箱的重量為集中載荷，而切削力為大小、方向可變的外載荷。由橫梁的結構特點可知，切削力作用下橫梁在y方向的變形量最大，且橫梁中間部位結構最薄弱，因此只需分析滑枕、主軸箱處于橫梁中間位置時，重力載荷以及y方向的切削力共同作用下的橫梁剛度即可。

根據經驗取機床在y方向承受的最大切削力為10 000 N，通過在Hyperworks中應用Radioss求解器計算分析，在滑枕處于中部時橫梁的應力、變形云圖分別如圖4、5所示。由圖4可知，橫梁中上部受到的應力較大，往橫梁兩端和下部逐漸減小，其受到的最大應力為2.314 MPa，而HT300的許用應力［σ］=250 MPa。顯然橫梁的等效應力遠遠小于其許用應力，橫梁的強度滿足設計要求，設計安全。由圖5可知，橫梁兩端變形較小，中間位置變形最大，最大位移變形量為0.006 549 mm。顯然橫梁總體變形量較小，說明機床橫梁靜剛度較好，能夠達到機床的精度要求［6］。

圖4 靜載作用下橫梁應力云圖

圖5 靜載作用下橫梁位移變形圖

5 結語

可移動橫梁是GSLM3308五軸聯動鏜銑加工中心中最大的移動部件，其靜動態剛度在很大程度上決定了整臺機床的加工精度和壽命，在進行橫梁結構設計時，必須對其進行充分的靜力特性分析，以發現設計結構中的薄弱環節，并依據分析結果改進結構設計，從而最終提高橫梁靜態性能，達到設計指標要求。運用現代設計方法對機床機構進行靜態分析及優化設計，可以有效地提高設計效率，降低設計開發成本，在工程實際中有著重要的意義。

［1］ 羅傳林，李鍛能.龍門式機床橫梁的結構設計研究［J］.機電工程技術，2006，35(3):45-47.

［2］ 蔣紅平.XH715立式加工中心機械結構靜動態分析與優化設計［D］.南京:東南大學，2007.

［3］ 倪向陽，張建潤，孫慶鴻.高架橋式五坐標龍門加工中心整機動特性分析［J］.精密制造與自動化，2005(1):12-16.

［4］ 李曉園，尹志宏，張明旭，等.數控龍門鏜銑床橫梁結構特性分析及優化［J］.2012，7(41):69-72.

［5］ 劉 悅，王立平，關立文，等.基于結合面的龍門加工中心虛擬建模及靜剛度研究［J］.工具技術，2007，41(5):14-17.

［6］ 馬 海.立式磨床橫梁的有限元分析和結構優化［D］.天津:天津理工大學，2012.