基于有限元分析的GSFD6050雕銑機床身結構的優化與分析

喬文剛，袁亭雪，陳 菁（.內蒙古科技大學，內蒙古包頭 0400；.北京科技大學，北京 00083）

基于有限元分析的GSFD6050雕銑機床身結構的優化與分析

喬文剛1，袁亭雪1，陳 菁2
（1.內蒙古科技大學，內蒙古包頭 014010；2.北京科技大學，北京 100083）

數控雕銑機床身靜剛度直接影響機床的加工精度。以GSFD6050雕銑機床身為例，提出該床身結構兩種改進方案，并且對改進后的結構進行有限元分析。靜力分析結果表明改進后結構在靜剛度方面有所提高，并且改進后床身質量下降31%，實現GSFD6050雕銑機床身的結構優化。

數控雕銑機床身；有限元分析；結構設計

0 前言

床身是機床的重要組成部分，其結構的布局形式在很大程度上決定了機床整機的性能[1]；并且機床的質量主要集中在床身上，故床身對機床生產成本的影響較大[2]。因此，改善床身結構，在不降低其靜剛度的前提下，降低其質量，具有現實意義。本文以GSFD6050雕銑機床身為研究對象，運用PROE軟件，完成雕銑機床身結構的改進，并且對改進后結構進行有限元分析，以驗證改進后結構的合理性。

1 GSFD6050數控銑雕機床身結構的改進

GSFD6050雕銑機原床身結構如圖1所示。由圖1（a）、（b）可知，床身具有的基本特征包括：排水板、導軌、龍門架安裝支座、電機座安裝支座、軸承座安裝支座、床身底支撐板。其中，床身底支撐板為方形結構，導致床身重量增大，成本增加，故對床身底支撐板進行結構改進。

圖1 原床身結構三維圖

在對床身的結構進行改進之前，首先對床身進行靜力分析，找出其結構薄弱部位，據此制定床身結構改進方案。圖2為原床身結構靜力分析結果中總變形分布圖。

圖2 原床身總變形分布圖

由圖2可知，原床身變形主要集中在床身上導軌處和龍門架支座處，因此，在改善床身結構時，床身底支撐板的布局方式應有利于降低導軌處和龍門架支承座處變形值，同時又能夠減少床身質量。基于此原則，本文提出了兩種改進方案，具體如下。

（1）方案一是在原方形床身底支撐板的基礎上，去掉對剛性要求低的排水板底部的結構，改進為“T”字形床身底支撐板，可以有效支撐床身關鍵部位，同時減少了床身鑄件質量，結構簡圖如圖3（a）、（b）所示。

圖3 改進方案一床身結構

（2）方案二是把床身底支撐板分成兩部分，分別支撐床身的前端和后端，并在床身中間增添米字型加強筋以保證床身整體剛度[3]。同時，由于雕銑機主要用于小型模具的精加工，工作臺運動范圍主要在床身中間位置，因此將原傾斜于床身后端的排水板改為傾斜于床身中間，結構簡圖如圖4（a）、（b）所示。

圖4 改進方案二床身結構

2 對三種床身結構分別進行有限元分析

為檢驗床身改善后結構是否合理，必須研究床身的靜剛度，故本文利用有限元分析軟件Pro/Me?chanica對改進前后三種床身結構分別進行靜力分析。步驟如下。

（1）床身結構有限元建模

首先，在Pro/E軟件中建立三種床身的三維實體模型，并根據圣維南原理，對部分局部特征如倒角（圓）、凸臺、螺釘孔等進行了適當的簡化[4-5]。目的是為了避免小特征和小結構件在進行有限元劃分時，產生大量的有限元單元，加大計算機的計算時間。并且小特征容易產生錯誤的網格單元，網格質量下降，影響結構的分析精度。簡化后的三種床身結構模型如圖5所示。

圖5 三種床身結構實體模型

（2）定義材料、約束和載荷

1）定義床身材料

床身材料為灰鑄鐵HT250（各向同性介質均勻），彈性模量E=1.25E11Pa；泊松比γ=0.25；密度ρ=7.3E3kg/m3。定義好材料之后把已定義的材料分配給零件模型，完成對模型材料的設置。

2）定義載荷和約束

雕銑機的床身主要承受龍門架、滑板座、滑板、工作臺及工件的重量，其中龍門架、滑板座、滑板的重量約為900 kg，三者對床身的作用力作用在龍門架與床身的接觸面上，大小為900× 9.8 N；工作臺及工件的重量約為200 kg，對床身的作用力通過工作臺與床身線軌滑塊的連接轉嫁到線軌上，大小為200×9.8 N；底面四個地腳固定床身使其穩定在地基上，添加x、y、z三個方向的全約束。

考慮到工作臺在實際加工時會處于不同位置，本文取兩處位置進行分析，位置1為床身導軌中間處，位置2為床身導軌右端邊緣處。位置1處三床身加載圖如圖6所示。

圖6 位置1處床身加載圖

（3）分析結果

由表1可知，三種床身結構的最大應力值均遠遠小于250 MPa（HT250材料的屈服極限強度），故三種結構均滿足強度要求，在此不做具體敘述，只做剛度分析。

三種結構在位置1處時的變形分布圖如圖7所示。由圖7可知，當工作臺處于位置1處時，原床身變形最大值為0.014 7 mm，位于床身y向線性導軌副之間的中心位置；方案1床身變形最大值為0.013 1 mm，位于床身排水板邊緣位置；方案2床身變形最大值為0.005 7 mm，位于床身龍門架支座邊緣位置。

圖7 位置1處床身總變形分布圖

三種結構在位置2處的變形分布圖如圖8所示。

圖8 位置2處床身總變形圖

由圖8知，當工作臺處于位置2處時，原床身變形最大值為0.013 7 mm，位于床身y向線性導軌副之間中心位置。方案1床身變形最大值為0.015 9 mm，位于床身排水板邊緣位置。方案2床身變形最大值為0.005 7 mm，位于床身龍門架支座邊緣位置。

現將三種床身結構在位置1和位置2處靜力分析結果整理如表1所示。

表1 各床身結構在不同位置變形結果

由本文以上內容可知，三種床身結構的變形分布存在一定差異，但不能確定改善后床身結構是否合理。考慮到床身上剛度要求最高的地方在導軌處[6-9]，導軌的結構精度直接影響加工精度，因此可以通過對比三種床身結構導軌處變形情況，判斷改進后床身結構是否合理，方法是查看各個床身導軌在10個不同位置處變形值，取最大變形值，所取10點處變形值如表2所示。

表2 個床身不同位置時導軌變形結果

由表2可知，方案1和方案2床身導軌的變形值均明顯小于原床身導軌，尤其是方案1床身，其導軌變形值最小，結合床身總體變形結果，可以斷定：兩種方案中床身的靜剛度較之前床身靜剛度均有明顯提高，床身結構合理。并且床身質量明顯下降，由表1可知，方案1設計的床身的重量由原來的1 367 kg，降低到944 kg，重量降低了31%；方案2設計的床身的重量降低到1 016 kg，降低了25%。綜合比較，取方案1床身結構。

3 結論

本文就GSFD6050雕銑機床身結構提出兩種改進方案。并且對改進后床身結構進行有限元分析，分析結果表明改進后的結構在強度和靜剛度方面均較原床身結構有所提高。重要的是，改進后的床身的質量明顯地降低了。

本文通過改進雕銑機床身結構，使床身具有較好的經濟效益。

［1］《機床設計手冊》編寫組.機床設計手冊：第三冊［M］.北京：機械工業出版社，1986.

［2］機床設計手冊編寫組.機床設計手冊：零件設計（下冊）［M］.北京：機械工業出版社，1980.

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［7］楊向東，楊軍，黃妙娜.基于ANSYS 10的GSFD4050高速精密數控雕銑機靜動態特性分析［J］.機電工程技術，2010（01）：38-41.

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Structure Design and Analysis of Bed of the GSFD6050 CNC Engraving and Milling Machine Based on Fnite Element Analysis

QIAO Wen-gang，YUAN Ting-xue，CHEN Jing
（1.Inner Mogolia University of Science and Technology，Baotou014010，China；2.Beijing University of Science and Technology Beijing100083，China）

The static stiffness of CNC engraving and milling machine bed，directly affect processing quality of the machine tool．With bed of the GSFD6050 CNC engraving and milling machine as an example，two improved bed schemes are presented which had analyzed by finite element analysis model.The result of static analysis indicate that the static stiffness of improved bed become better，In addition，the structural weight of the improved bed reduces 31%,realizing the structure optimization of bed of the GSFD6050 CNC engraving and milling machin

the bed of the GSFD6050 CNC engraving and milling machine；fnite element analysis；structure design

TG659

A

1009－9492(2014)05－0047－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.011

喬文剛，男，1961年生，內蒙古包頭人，碩士，副教授。研究領域：液壓伺服與數控機床。已發表論文12篇。

(編輯：阮 毅)

2013－11－27