精密多功能磨床后床身動靜態有限元分析*

周秦源 任瑩暉 郭懷忠

(①中南林業科技大學，湖南 長沙 410004;②湖南省湘潭市三峰數控有限公司，湖南 湘潭 411201)

精密磨床的床身是機床的重要部件［1］，其靜態特性和動態特性直接影響機床的加工精度和穩定性，及安全可靠性及使用壽命［2-3］。本文針對三峰數控有限公司的單立柱雙磨頭多功能數控磨床SMF6020 床身的特點，考慮到立柱及磨頭等部分的施加力在于后床身，即后床身是承載的主要部件。因此，基于大型有限元分析軟件ANSYS 的有限元靜動態分析的方法，對精密磨床后床身進行動靜態特性的結構分析，為提高精密磨床的整體結構的設計提供理論依據［4］。

1 后床身有限元模型的建立

1.1 施加載荷的計算

由于后床身施加的載荷是由立柱、立磨頭組件和臥磨頭組件共同的重量組成的，分析三者總質量:M=423.404 kg，施加后床身表面積:S=266434.45 mm2。

根據SMF6020 機床結構特點建立其三維模型，如圖1 所示，對其三維模型采用四面體網格及上述加載分析進行有限模型的建立，如圖2 所示。

1.2 后床身所用的材料參數

表1 后床身材料(HT250)參數

2 靜力學分析

從SFM6020 后床身的靜態有限元分析可知，最大應力和變形都出現在和立柱接觸部位，如圖3 所示最大變形為0.168 mm，如圖4 所示最大應力為43.048 MPa。這個位置的變形直接影響到立柱底部的位置移動，進一步影響了加工產品的精度。

3 后床身模態性能分析

從SFM6020 后床身的動態特性分析的前四階的參數因子可以分析出，在一階振型中，以Z 方向的移動，X 軸的轉動為主;二階振型中，X 向的移動，Y 軸的轉動為主;在第三階振型中，以X 向的移動，以Y 向的轉動為主;在第四階振型中、以Y 向的移動、Z 軸的轉動為主。固有頻率最小的部位是后床身放置電機部位的床身壁處。后床身的前四階固有頻率如表2 所示，前四階模態振型如圖5 所示。

表2 模態分析結果

4 后床身動態特性的優化

4.1 增加后床身筋板

通過對SMF6020 精密磨床后床身動靜態分析，靜態最薄弱的部位是和立柱底部接觸的部位，動態分析最薄弱的地方出現在電機放置部位，為提高機床的動靜態剛度，減小變形量，在和立柱接觸部位的后床身的下部增加3 個縱向筋，避免后床身上面在Y 向的移動和X 向的轉動。改進后的前四階固有頻率有所增加，如表3 所示，說明增加筋板后提高了后床身的動剛度。

表3 增加筋板后床身前四階固有頻率

4.2 增加后床身筋板的厚度

將原來后床身筋板的厚度是16 mm，增加到20 mm，床身的動態特性有所提高，改進前后后床身動態特性的比較如表4 所示。

表4 增加筋板厚度后床身前四階固有頻率

4.3 后床身和前床身接合

為了提高機床的整體剛性，將后床身和前床身接合，增強動剛度。將接合后的床身進行模態分析，前四階振型如圖6 所示，前四階固有頻率及變化值如表5所示，從表5 可以看出，將前后床身接合是將機床動剛度提高有效方法。

表5 改進后床身前四階固有頻率

5 結語

(1)從SFM6020 后床身的靜態有限元分析可知，最大應力和變形都出現在和立柱接觸部位，最大變形為0.168 mm，最大應力為43.048 MPa;

(2)通過對機床后床身模態分析，可知其一階頻率為141.47 Hz，固有頻率最小的部位是后床身放置電機部位的床身壁處;

(3)提出了增加筋板、增加筋板厚度及將前后床身接合的結構優化方法，通過對后床身優化前后對比分析，可知這3 種方案均能增強床身的動剛度，提升機床的動態特性，其中將前后床身接合是將機床動剛度提高整個床身動態特性的有效方法。

［1］唐恒齡，楊嘯.機床動力學［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［2］倪曉宇，易紅，湯文成，等.機床床身結構的有限元分析與優化［J］.制造技術與機床，2005(2):47 -50.

［3］伍建國，陳新，孫慶鴻.內圓磨床床身結構的動態分析與優化設計［J］.精密制造與自動化，2002(2):25 -26.

［4］陳桂平，文桂林.高速磨床床身結構動態分析與優化［J］.制造技術與機床，2009(2):19 -23.