高速立式加工中心床身結構改進及不同工況下的分析*

高東強 王 偉 陳超群 孫 倩 張希峰

(陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

隨著制造技術和工藝水平的提高，加工中心作為制造業的母機，越來越受到重視和研究，是現代數控機床技術的集中體現，反映了一個國家的制造技術水平，也成為當前和未來數控機床搶占的前沿領域。床身作為立式加工中心的主要承載部件，對加工中心起支撐作用，因此對床身的性能的研究就顯得十分重要［1］。

1 立式加工中心床身結構改進

1.1 原床身結構

床身是高速立式加工中心的基礎部件，對加工中心起到支撐的作用，如圖1 所示，復合筋床身采用圓形孔筋和縱橫肋條相結合，各方面能均勻收縮，內應力小［2］。

1.2 拓撲優化

在拓撲優化過程中，其分析類型選擇“Shape Optimization”，給立柱和床身的接觸面施加12500 N 的力，在X、Y、Z 這3 個方向上，給滑座和床身的接觸面處分別添加783 N，1620 N，8000 N 的力，優化目標設置為30%，分析結束后優化結果如圖2 所示［3］。

從拓撲優化密度云圖看出來，偽密度為1 的材料主要出現在圖2 中圈出區域，這些材料表示為可以去除的，而其他部分是建議保留的。由于床身是立式加工中心的基礎部件，所以不是說只要是偽密度為1 的材料就都可去除，必須要考慮結構的完整性和美觀度，可以適當對偽密度為1 部分的床身結構材料進行優化［4］。

床身底座的底板和靠近立柱的床身側的偽密度為1 部分的面積相對較大，針對這一部分的結構，可以調整底板上孔徑的大小，通過增大孔徑的面積來減少一定的底板材料。

1.3 床身結構改進

依據拓撲優化的結果，將結果中偽密度為1 部分的床身結構進行適當的改進。其具體改進方法如下:

(1)將靠近立柱一邊的側面挖出兩個對稱的出砂孔，其直徑和其他的出砂孔一樣都為55 mm，這樣不但可以使床身在結構上更合理，也使得在床身鑄造過程中更好地成型。改造后的床身如圖3 所示。

(2)由于床身底部與地面接觸，不會出現很大的振動或者剛度問題，因此根據拓撲優化結果，將底部的三角形筋格的面積增大，這樣既能減少床身的質量，也能適當提高床身結構的動態性能。改造后的床身如圖4 所示。

2 床身不同工況下的比較分析

2.1 工作臺不同工況下的分析

由于機床在加工過程中，工作臺和滑座不是固定的，它會隨著加工的需要來回移動，同時工作臺處于不同的工作位置時，對床身造成的沖擊和載荷是不一樣的。因此針對這種情況，我們將工作臺假設在3 個極限工況位置;左極限工況、居中工況、右極限工況［5］，其中當工作臺處于左極限工況時，簡圖如圖5 所示。

2.2 原復合筋床身結構3 種極限工況下的分析

(1)機床工作臺左極限工況

在工作臺處于左極限位置時，對床身結構進行靜力分析，床身的左邊導軌上經過分析可知它在垂直方向的受力大小為4650 N，X、Y 兩個方向分別為457 N和1620 N，床身右邊導軌上，其垂直方向的受力大小為3350 N，X、Y 兩個方向分別為457 N 和1620 N。經過求解得出床身X、Y、Z 這3 方向的變形圖以及總變形云圖如圖6 所示。

通過觀察左極限工況下的靜力分析可以得到它們的最大變形量如表1 所示。

(2)工作臺居中工況

工作臺居中工況時對床身結構的有限元分析方法、步驟和機床工作臺左極限工況的床身的分析過程一樣，這里不再重復敘述。但是在該工況下，床身的左邊導軌上經過分析可知，它在垂直方向的受力大小為4000 N，X、Y 兩個方向分別為457 N 和1620 N，床身右邊導軌上，其垂直方向的受力大小為4000 N，X、Y兩個方向分別為457 N 和1620 N，求解后的位移云圖也與工作臺左極限工況相似，該結構床身的位移變形量見表2 所示。

表1 工作臺左極限時床身的最大變形量 μm

表2 工作臺居中時的最大變形量 μm

(3)工作臺右極限工況

工作臺右極限工況時，床身的左邊導軌上經過分析可知它在垂直方向的受力大小為3350 N，X、Y 兩個方向分別為457 N 和1620 N，床身右邊導軌上，其垂直方向的受力大小為4650 N，X、Y 兩個方向分別為457 N 和1620 N，求解后的位移云圖也與工作臺左極限工況相似，該結構的床身結構的位移變形量見表3 所示。

表3 工作臺右極限時的最大變形量 μm

3 改進后復合筋床身結構不同工況分析

(1)工作臺左極限工況

在左極限工況時，對改進后的復合筋床身結構的靜力分析，其有限元前期處理和導軌的受力與原床身結構分析時都一樣，經過求解得出床身X、Y、Z 這3 方向的變形圖以及總變形云圖如圖7 所示。

通過觀察左極限工況下的靜力分析可以得到它們的最大變形量如表4 所示。

表4 工作臺左極限時的最大變形量 μm

(2)工作臺居中工況

工作臺居中工況時對床身結構的分析與機床工作臺左極限工況的床身的分析過程一樣，我們在這里就不再重新敘述。同時其加載形式和大小、位移云圖也相似，該結構的床身結構的位移變形量見表5 所示。

表5 工作臺居中時的最大變形量 μm

(3)工作臺右極限工況

工作臺右極限工況時，該結構床身的位移變形量見表6 所示。

表6 工作臺右極限時的最大變形量 μm

4 改進前后床身結構在不同工況下的比較分析

通過對改進前后復合筋床身結構在3 種不同工況下的靜力分析可知，當工作臺處于左極限工況時，改進后床身結構的變形量在X、Y、Z 這3 個方向上均有一定的減小，同時總位移變形量也從原來的1.6618 μm減小為1.6236 μm，說明改進后床身結構的靜態性能得到提高。

當工作臺處于居中工況時，改進后床身結構的變形量在X、Y、Z 這3 個方向上均有一定的減小，同時總位移變形量也從原來的1.7216 μm 減小為1.6884 μm，說明改進后的床身結構的靜態性能得到提高。

當工作臺處右極限工況時，改進后床身結構的變形量在X、Y、Z 這3 個方向上均有一定的減小，同時總位移變形量也從原來的1.7831 μm 減小為1.747 μm，說明改進后的床身結構在該工況下的靜態性能得到提高。

通過上面的比較分析可以得知，改進后的床身結構在不同工況下，其靜態性能都是得到了提高。當工作臺處于右極限工況時，床身結構在各個方向的變形量都最大，所以工作臺處于右極限工況時，其單位靜剛度最小，但是相比同類型的床身結構來說它滿足床身精度要求。因此可以說床身結構在極限工況下的靜態性能符合要求。

5 結語

對復合筋床身結構進行拓撲優化，根據拓撲優化的結果對其進行改進，得到理論上較優的床身模型，通過對工作臺處于3 種不同工況進行分析，然后對改進后的復合筋床身結構在3 種不同工況下進行靜力分析，通過分析結果可知改進后的床身結構的靜態性能在3 種工況下都得到提高，同時得出當工作臺處于右極限工況時，床身的變形量最大，但總體上其性能是符合要求的。

［1］汪宇，王東方.基于AnsysWorkbench 的立式加工中心床身有限元分析和優化設計［J］.制造業自動化，2009(9):129 -131.

［2］文懷興，陸君，呂玉清.高速立式加工中心主軸箱結構設計及分析［J］，中國制造業信息化，2010(10):37 -38.

［3］高東強，毛志云，張功學，等.DVG850 工作臺靜、動態特性分析及結構改進［J］.機械設計與制造，2011(3):146 -147.

［4］林歡，高東強，張菲，等.高速立式加工中心工作臺的有限元分析和拓撲優化［J］.陜西科技大學學報:自然科學版，2012(5):96 -99.

［5］楊曼云.基于有限元分析技術的VK50 數控床身銑機床底座設計［J］.機床與液壓，2008，15(1);62 -65.