VMC1000L立式加工中心立柱性能分析與結構優化

潘石群 黨建華 陳攀

摘 要：立柱是VMC1000L立式加工中心的關鍵零部件之一，本文采用ANSYS Workbench軟件對其進行仿真分析，通過分析結果梳理出零件的薄弱位置，并結合該“C”型機的結構特點和企業生產的實際情況提出了立柱的兩個結構優化方案。通過對該立柱的兩個結構優化方案仿真分析結果對比，從而優選出相較原始立柱最大變形減小29.7%，且二階、三階、四階模態的固有頻率均有大幅度提升的最佳方案，實現了立柱的結構優化，并為類似零件的性能分析與結構優化提供了有效的方法和手段。

關鍵詞：立柱；性能分析；結構優化

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A

機床是機械制造的工作母機，是裝備制造的基礎設備，機床的工作性能是與其動態性能緊密相關的。在一般情況下，提高機床的靜剛度能使機床的動剛度得到提高 。鑒于靜剛度主要取決于零件的材質、截面形狀和尺寸等，所以機床靜剛度與零部件的結構設計、制造、裝配質量都有關系，它不僅影響機床的加工精度，還影響機床的動剛度。

立柱是VMC1000L式加工中心的關鍵零部件之一，其剛性和穩定性直接影響加工中心的工作狀況和部件之間的相互位置關系及性能。因此，對立柱性能分析與結構優化課題的研究，一方面可以根據仿真分析結果對比、優選出零件的最佳結構方案；另一方面也為類似零件的性能分析與結構優化提供有效的方法、手段和技術途徑。

1 實體建模

實體建模是有限元分析的基礎，本文選用Pro/E 軟件來建立VMC1000L立式加工中心立柱的三維實體幾何模型，經合理簡化，其三維實體模型如圖1所示。

2 有限元方法建模

在Workbench軟件中導入立柱的三維實體模型（材料設置為HT250，各向同性、介質均勻，密度7300kg/ m3，彈性模量1.3e11Pa，泊松比0.25），通過自動生成默認網格的方式將網格劃分為10節點的四面體單元solid187和20節點的六面體單元solid186（總節點數為125183個，總單元數為69176個，如圖2所示），并在零件上施加約束和載荷，詳細如圖3所示。

3 立柱仿真分析

3.1 靜力學結構分析

結構靜力學分析主要用來分析由于穩定外載荷所引起的系統或零部件的位移、應力、應變和作用力。經分析，立柱的應力分布云圖如圖4所示，變形分布云圖如圖5所示。

從應力分布云圖可見，立柱的最大應力集中點位于立柱與床身連接的螺栓孔處，最大應力9.44MPa。

從變形分布云圖可見，立柱的最大變形位于立柱頂部，最大變形量0.0837mm，變形方式為中、上部向前傾斜，主要是受Z軸絲杠預拉力和主軸箱部件重力的影響，系立柱自身結構剛性不足所致，會對整機的靜態性能（如機床坐標Z軸軸線運動的直線度和角度偏差，Z軸線運動和X、Y軸線運動間的垂直度等）和零件的加工、裝配造成負面影響。

3.2 模態分析

對于數控機床而言，機械加工中的振動對加工表面品質和生產率有很大的影響，是一種十分有害的物理現象。經分析，立柱前四階模態的固有頻率和振型見表1，其振型圖如圖6所示。

從一到四階振型圖可見，立柱柱體前端頂部的振動最大，立柱底部型腔銜接處、上部導軌面、四側壁等為薄弱環節，振型的主要表現為柱體的中、上部擺動、錯動和扭轉，主要是內腔加強筋和四個側壁壁厚較小、底部支撐剛性不足導致立柱整體剛性較弱等因素造成的。

4 立柱的結構優化

結構優化設計根據設計變量的類型，可分為：尺寸優化、形狀優化、拓撲優化。在立柱柱體的幾何形狀已定的情況下，只有以通過優化尋找最合適的結構尺寸。根據前一章節仿真分析的結論，擬定了如下兩個結構優化方案：

（1）立柱A：將立柱正面主板以及左右側壁的壁厚增加到25mm，后側壁壁厚增加到20mm（不改變加強筋結構），其結構如圖7所示。

（2）立柱B：將立柱正面主板以及左右側壁的壁厚增加到25mm，后側壁壁厚增加到20mm；同時，結合實際生產中 “米”字筋立柱成品率較低的問題，通過降低單層筋腔高度來為結構增加一個筋腔，并將原“米”字筋簡化成“交叉筋”，其結構如圖8所示。

經分析，立柱A和立柱B的應力分布云圖如圖9所示，變形分布云圖如圖10所示，數值對比見表2；立柱A的前四階固有頻率和振型見表3，其振型圖如圖11所示；立柱B前四階模態的固有頻率和振型見表4，其振型圖如圖12所示。

綜上所述，立柱A和立柱B的最大應力集中點和最大變形位置均與原始立柱一致，且在數值上都有改善。特別是立柱B，其在抵抗柱體上部沿X、Z方向錯動的能力上明顯優于立柱A（三階模態）。雖然立柱B的實現成本較高，但立足于公司的長遠未來，本文決定選用立柱B的結構優化方案。該立柱結構優化后的最終方案與原始立柱的力學性能對比見表5。

結語

本文在對VMC1000L立式加工中心立柱進行建模設計、仿真分析、結構優化和分析結果驗證等幾個方面開展的研究工作中，主要取得了如下成果：

（1）運用Workbench軟件，對VMC 1000L 立式加工中心原始立柱進行仿真分析，并根據分析結果明確零件的薄弱環節和優化方向。

（2）結合實際生產情況建立了立柱的兩個結構優化模型，并通過仿真分析優選出動靜態性能提升效果更為明顯的最佳結構優化方案立柱B。

（3）經比較，方案B較原始立柱最大變形減小-29.7%，且二階、三階、四階模態的固有頻率均有大幅度提升，實現了立柱的結構優化，驗證了理論分析和仿真分析結果的正確性，并為類似零件的性能分析與結構優化提供了有效的方法和手段。

參考文獻

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