高精高速機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

余 潔，陳勁杰，徐增豪

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，高新技術(shù)如多樣化結(jié)構(gòu)、多傳感技術(shù)和控制技術(shù)智能化等，均集成應(yīng)用至數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中，我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展在一定程度上改變了成套設(shè)備全面依賴進(jìn)口的弊端，但大部分高檔數(shù)控系統(tǒng)和產(chǎn)品仍然高度依賴國外進(jìn)口，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床缺乏市場競爭力的現(xiàn)狀已嚴(yán)重制約我國裝備制造業(yè)的發(fā)展［1］。

裝備制造業(yè)被譽(yù)為“工業(yè)母機(jī)”，直接體現(xiàn)國家的生產(chǎn)力水平，亦為區(qū)別發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家的主要因素。數(shù)控機(jī)床在裝備制造業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中的地位已顯得尤為關(guān)鍵，其性能、質(zhì)量和數(shù)量也成為了如今衡量一個(gè)國家和區(qū)域綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。隨著汽車、船舶和航天飛行器等先進(jìn)設(shè)備行業(yè)的迅猛發(fā)展，零件加工精度的要求也不斷提高，加工中心的發(fā)展趨勢為高速度、高精度、高柔性、高可靠性和數(shù)控智能化。其中，高速度和高精度直接影響加工效率和加工質(zhì)量，因而發(fā)展高精高速的加工中心顯得極其重要［2］。

高速切削加工始于德國著名物理學(xué)家Salomon的高速切削理論，隨著切削速度增加，切削溫度呈現(xiàn)先升高后降低的拋物線變化趨勢。在波峰附近，由于切削刀具無法承受相應(yīng)的切削溫度而被稱為加工“死谷”。但切削速度越過加工“死谷”后，切削溫度降低至可加工范圍，從而可使用現(xiàn)有刀具進(jìn)行超高速加工，大幅提升機(jī)床生產(chǎn)效率［3］。

針對目前我國機(jī)床加工中心的高精高速發(fā)展趨勢和機(jī)床自身特點(diǎn)，本文在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案上提出改進(jìn)措施，重新設(shè)計(jì)了高精高速小型龍門加工中心，并對其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，為高精高速數(shù)控機(jī)床的發(fā)展和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)方案改進(jìn)

1.1 原設(shè)計(jì)方案分析

傳統(tǒng)數(shù)控雕刻機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)一般為滾珠絲杠或齒輪／齒條與線性導(dǎo)軌配合，滾珠絲杠與線性導(dǎo)軌配合的進(jìn)給方式驅(qū)動(dòng)力大，而齒輪或齒條與線性導(dǎo)軌則進(jìn)給速度快，但精度相對較低。上述兩種進(jìn)給系統(tǒng)均為接觸式傳動(dòng)，存在的摩擦副直接影響機(jī)床定位精度且會(huì)產(chǎn)生較大工作噪聲。不斷地工作摩擦易使絲杠或齒輪、齒條磨損，更換、維修成本較高。因此，高速切削的要求迫使機(jī)床摒棄了傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)與滾珠絲杠配合的伺服進(jìn)給系統(tǒng)，而改用電機(jī)與工作臺之間為零傳動(dòng)的直線電機(jī)系統(tǒng)。這種零傳動(dòng)方式可直接驅(qū)動(dòng)工作臺進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，使工作臺的加速度提高至傳動(dòng)機(jī)床的10～20倍。圖1為現(xiàn)有的一種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作的機(jī)床設(shè)計(jì)方案。

圖1 某直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作的機(jī)床三維裝配圖

從圖中可知，整個(gè)橫梁部分沿工作臺移動(dòng)，初步估算加工零件與橫梁共為800 kg，加速度為10 m／s2，產(chǎn)生的慣性力高達(dá)8 000 N。由于立柱兩端基本懸空，且兩端結(jié)構(gòu)不能保證完全對稱，因此在高速加工時(shí)，橫梁兩端難以維持平衡。機(jī)床在高速運(yùn)行時(shí)，由于慣性力很大，容易引起劇烈振動(dòng)，不僅會(huì)造成機(jī)床相關(guān)零件損壞、降低導(dǎo)軌精度，而且往復(fù)作用會(huì)產(chǎn)生較高的疲勞載荷，大大降低機(jī)床使用壽命。

橫梁結(jié)構(gòu)安全由中間部分的鋼板保護(hù)，因此對鋼板的強(qiáng)度和剛度有較大要求。通過有限元分析，得到鋼板在8 000 N慣性力的均勻作用下的變形情況，如圖2所示。

圖2 鋼板受力變形情況

由圖2可知，其最大撓度為0.628 mm，遠(yuǎn)大于該機(jī)床直線電機(jī)與定子之間允許的間隙誤差0.2 mm。為降低最大撓度，可通過增加鋼板的厚度以提高其剛度，但會(huì)帶來鋼板質(zhì)量增加的弊端，導(dǎo)致橫梁結(jié)構(gòu)部分十分笨重，這不符合高精高速機(jī)床的設(shè)計(jì)理念，因此這種方案不可取。

1.2 新改進(jìn)方案分析

為避免橫梁結(jié)構(gòu)的高速移動(dòng)產(chǎn)生的巨大慣性力，新方案中將橫梁與龍門架固定于床身，換成工作臺移動(dòng)，以減輕移動(dòng)部件質(zhì)量，而且降低了電機(jī)工作功率，可有效提高導(dǎo)軌和直線電機(jī)的壽命。新設(shè)計(jì)方案機(jī)床主要部件裝配圖見圖3。

圖3 新設(shè)計(jì)方案機(jī)床主要部件裝配圖

由圖3可知，龍門架直接固定在機(jī)床床身的靠后兩段，工作臺位于機(jī)床中間，通過直線電機(jī)和直線導(dǎo)軌前后移動(dòng)，工作臺兩側(cè)為懸空結(jié)構(gòu)，使用肋板支撐工作臺移動(dòng)部件。床身中間的下端為鐵屑箱，有效地利用了機(jī)床空間并增加了床基質(zhì)量。此設(shè)計(jì)方案既保持了整體結(jié)構(gòu)動(dòng)平衡，同時(shí)大大減輕了移動(dòng)部件質(zhì)量。與原設(shè)計(jì)方案相比，主要有如下改進(jìn)：

（1）保證了加工精度。由于機(jī)床為小型龍門加工機(jī)構(gòu)，對工作臺的尺寸要求更小。因此，新方案中減小了工作臺尺寸，既滿足了設(shè)計(jì)要求，又減小了移動(dòng)部件質(zhì)量，同時(shí)節(jié)省了材料。床身中間的肋板連接結(jié)構(gòu)，中間空隙利于排屑，架空式的結(jié)構(gòu)使機(jī)床散熱更快，防止機(jī)床各部件熱變形，有助于提高機(jī)床的加工精度；

（2）減小了零件損耗。由于移動(dòng)部件質(zhì)量更輕，運(yùn)動(dòng)靈活性增強(qiáng)，機(jī)床運(yùn)行阻力更小，從而降低零件的損耗；

（3）保護(hù)了直線電機(jī)和導(dǎo)軌。由于工作臺尺寸減小，導(dǎo)軌分布距離變小，支撐力降低，從而減小了工作臺與導(dǎo)軌之間的摩擦力，降低了導(dǎo)軌和直線電機(jī)的損耗。同時(shí)，由于所需驅(qū)動(dòng)力減小，可選用功率更小的直線電機(jī)，在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量大大減少，降低了機(jī)床部件受到熱變形的危險(xiǎn)，進(jìn)一步保證了加工精度。

2 床身有限元分析

機(jī)床床身是機(jī)床受力最重要的部件，幾乎承受著整個(gè)機(jī)床的重量，與其接觸的結(jié)構(gòu)較多，受力情況較為復(fù)雜，經(jīng)簡化后主要分為三部分：床身自重、龍門架及橫梁重力和工作臺重力。為了保證其強(qiáng)度和剛度滿足要求，達(dá)到加工精度的要求，對其進(jìn)行靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析，以便在后期改進(jìn)設(shè)計(jì)中優(yōu)化受力較大部位，使機(jī)床結(jié)構(gòu)更加合理［4－6］。

床身結(jié)構(gòu)簡化模型和網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 床身結(jié)構(gòu)簡化模型和網(wǎng)格劃分

2.1 靜力學(xué)分析

經(jīng)計(jì)算，該小型機(jī)床的龍門架與床身接合面上的均布載荷為43 000 Pa，導(dǎo)軌安裝面上的均布載荷為88 000 Pa，機(jī)床自身估重為40 000 N，分布在機(jī)床地面的均布載荷為22 500 Pa。在ANSYS軟件中，通過Menu＞Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Pressure＞On Areas，選擇相應(yīng)的受力面并添加相應(yīng)的載荷，對受力面完成載荷施加過程。通過分析計(jì)算，得到床身靜力狀態(tài)下應(yīng)力云圖和位移云圖如圖5所示。

圖5 床身靜力狀態(tài)下應(yīng)力云圖和位移云圖

具體變形參數(shù)如表1所示。

表1 床身靜力分析結(jié)果

從表1可知，床身所受最大應(yīng)力為1.2 MPa，遠(yuǎn)小于床身材料的許用應(yīng)力，因此床身結(jié)構(gòu)滿足估算載荷下的強(qiáng)度要求。從圖5可知，龍門架與床身連接面和導(dǎo)軌安裝面的變形量相對較大，所受應(yīng)力也較大。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)著重在這兩處作出改進(jìn)，以加強(qiáng)其剛度和強(qiáng)度，保證機(jī)床的安全運(yùn)行，滿足機(jī)床的加工精度。

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要研究兩個(gè)重要參數(shù)：固有頻率和振型。通過分析固有頻率，使機(jī)床避開外部激勵(lì)頻率，從而避免共振帶來的嚴(yán)重后果。通過分析模態(tài)振型，可以了解部件的彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度分布，是機(jī)床動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的重要依據(jù)。圖6和表2分別為機(jī)床前六階固有頻率和振型。

圖6中第一階和第六階龍門架與床身接觸的前端部分變形較大，第二階模態(tài)安裝導(dǎo)軌的部分也有很大的變形，第四階整個(gè)機(jī)床的變形都有點(diǎn)大，會(huì)影響機(jī)床構(gòu)件的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響機(jī)床的加工精度。對于機(jī)床變形較大的地方，在設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行改善，盡量避免因?yàn)檎駝?dòng)引起的大變形，提高機(jī)床加工加工精度。

3 結(jié) 論

圖6 床身前六階模態(tài)振型

表2 床身前六階固有頻率

高精高速加工中心是未來機(jī)床行業(yè)的發(fā)展趨勢，如何達(dá)到高精度和高速度的要求是機(jī)床設(shè)計(jì)的主要研究方向。本文通過分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)，并預(yù)估了加工零件時(shí)機(jī)床所受載荷，對現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案提出改進(jìn)措施，減小了移動(dòng)部件質(zhì)量，降低了高速運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)床產(chǎn)生的慣性載荷，保證了機(jī)床工作的安全性。同時(shí)，增加了鐵屑箱，并設(shè)計(jì)了排屑結(jié)構(gòu)，在有利于排屑的同時(shí)還可使機(jī)床散熱更快，使機(jī)床達(dá)到高精高速的設(shè)計(jì)要求。對優(yōu)化方案的機(jī)床床身進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，得到了其各階模態(tài)的固有頻率和振型，為機(jī)床的進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

［1］ 李 欣.淺談我國機(jī)械加工中心的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.科技致富向?qū)В?010，（6）：54.

［2］ 魯方霞，鄧朝暉.數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢及國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.工具技術(shù)，2006，3（40）：44－48.

［3］ 沈琳燕.高速外圓磨削機(jī)理的仿真與實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海：東華大學(xué)，2010.

［4］ Ahmadi K，Ahmadian H.Modelling machine tool dynamics using a distributed parameter tool–holder joint interface［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007，47（12）：1916－1928.

［5］ Lee S W，Mayor R，Ni J.Dynamic analysis of a mesoscale machine tool［J］.Journal of manufacturing science and engineering，2006，128（1）：194－203.

［6］ 陳 明，周思柱，高云全，等.基于 ANSYS的轉(zhuǎn)盤靜力及模態(tài)分析優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（2）：71－73.