臥式加工中心床身結構的有限元分析

王 瑋

（寶雞文理學院 機械工程學院，寶雞 721016）

0 引言

加工機床的高速化對機床的動態性能提出了越來越高的要求，近年來國內外對機床結構動態設計方面都開展了大量的研究。仇政、張松等人以加工中心進給系統動態及工作臺為研究對象，建立了進給系統的有限元模型，利用ANSYS Workbench軟件進行了分析，以提高工作臺的固有頻率為優化目標進行了工作臺的尺寸優化[1]；巫修海等人在高速臥式加工中心動態設計時候，通過動態測試的方法獲得導軌結合面的特性參數并將其應用到數字仿真模型中，提高了模型的精度。在加工中心的結構優化設計過程中，對主要部件的拓撲優化設計，提高了加工中心的靜動態特性[2]；李小彭，趙志杰等人以機床床身為研究對象，建立床身的簡化有限元模型，以固有頻率作為衡量床身動態性能優劣的指標，重點研究床身固有頻率的變化趨勢以及主軸箱支撐臺筋板布置方式對床身動態特性的影響，并對此提出有效的解決方案[3]。

床身是機床關鍵零部件之一，是整個機床的基礎，主要起承重的作用[4,5]。本文在前期研究的基礎上，以某大型臥式加工中心床身為研究對象，該床身由于采用傳統的經驗設計，缺乏相關動態特性分析的支撐，所以有必要對該臥式加工中心床身進行動態分析，找到其結構剛度的薄弱環節。本文首先建立了床身部件的三維模型，利用有限元軟件ANSYS Workbench對床身結構進行靜、動態分析，為床身結構的進一步優化指明了方向。

1 床身有限元模型的建立

臥式加工中心由床身、立柱、工作臺及主軸箱等部件組成。其中，床身采用三點支撐結構，是整個機床的基礎；立柱采用與床身導軌一高一低的設計方式，大幅降低重量，實現輕量化，并使得該立柱組件獲得較高的動態響應性能；主軸箱組件標配6000rpm機械式主軸，通過兩級齒輪傳動實現大切削扭矩，同時選配8000～12000rpm的電主軸，可進行高速、精密銑削，適合模具等要求較高的零件加工。用三維建模軟件SolidWorks對這些部件建立實體模型并裝配得到整機模型如圖1所示。

圖1 臥式加工中心

該臥式加工中心床身采用QT-400-15精密鑄造而成，自重8300kg；其結構如圖2所示，內部主要采用方格筋布筋設計，筋板厚度20mm，主板壁厚25mm，X軸兩根導軌跨距為800mm，Z軸兩根導軌跨距為750mm。對原有的三維實體模型去除倒角、圓角、溝角，并去除尺寸較小的孔等加以合理簡化，取彈性模量1.69×1011Pa，泊松比0.275，采用自由劃分網格，劃分

后節點總數為1207916，單元總數為308403網格生成如圖3所示。

圖2 床身結構示意圖

圖3 床身簡化有限元模型

2 床身靜力分析

根據課題研究的內容和機床的實際工況（立柱在X軸行程中間位置、工作臺滑座在Z軸行程后端靠近極限位置、主軸箱置于Y軸下端靠近極限150mm的位置），忽略其它附件力的影響，該臥式加工中心主要承受自身重力、工作臺最大承重、切削力等。其受力情況如表1所示。

圖4 加工中心自重與負載情況

根據表1和床身對應的載荷分布，分別在床身的相應安裝面上通過Remote Force命令施加立柱組件重力G2（立柱中置）、主軸組件重力G4、切削力FC、工作臺和工作臺滑座重力G5、工作臺最大承重G6，交換臺站重力G7。同時，通過Standard Earth Gravity命令或重力加速度對床身施加重力。床身實體模型最終加載情況如圖5所示。

圖5 床身載荷圖

在Solution 選項下，插入Total Deformation，Equivalent Stress等命令，從彈出的快捷菜單中選擇Equivalent All Results求解。床身的變形分布圖如圖6所示。

圖6 床身綜合變形圖

從床身綜合變形圖得，床身的最大變形位于床身前側兩個床沿角（最大變形量0.0361mm），主要是受交換臺站及零件重力、工作負載等影響；其余變形主要發生在床身后側，X床身后側導軌面位置等。在后續的結構優化設計中，應該對這些問題進行改善以期得到性能更好的結構。

表1 臥式加工中心部件自重和負載情況

3 床身模態分析

加工中心床身的動態性能反映其結構在承受動態載荷時的抗振能力，對機床的加工精度具有重要影響。高階模態阻尼值較高，在振型分析中的作用相對較小, 所以一般模態分析主要集中在對振型影響相對較大的低階模態上[6]。本文應用ANSYS Workbench對床身進行模態分析，給出了全約束狀態下的前四階模態分析結果，得到了床身固有頻率及相應振型，如圖7所示。

圖7 床身模態振型圖

表2 床身前四階模態的固有頻率和振型

從床身的前四階振型圖上可以得到以下結果： 床身前側兩外沿，床身中部的位置，還有床身外側X導軌安裝面處等位置為薄弱環節，這種薄弱環節可能會導致床身剛性不足，但是其中只有中部及X向導軌承靠面為關鍵點，其余對整機精度變化造成影響不大。

4 結論

1）對試制加工中心床身進行實體化建模并運用ANSYS Workbench有限元分析軟件對床身進分析，得出了改床身結構的靜、動態特性。

2）通過對前四階頻率的振型研究，分析了試制床身在不同頻率振型下的變形，指出了其結構剛度的薄弱點，為該臥式加工中心床身的優化打下了基礎并提供了一定的方向。

[1]仇政,張松,田昆,等.加工中心進給系統動態特性分析及工作臺尺寸優化設計[J].制造技術與機床,2017(4):56-61.

[2]巫修海,馬云芳,張建潤.高速高精度臥式加工中心動態優化設計[J].振動與沖擊,2009,28(10):74-77.

[3]李小彭,趙志杰,聶慧凡,等.某型數控車床床身的模態分析與結構優化[J].東北大學學報（自然科學版）,2011,32(7):988-991.

[4]Yang J P,Chen S X.Vibration predictions and verifications of disk drive spindle system with ball bearings[J].Computers and Structures,2002,80(16/17):1409-1418.

[5]何成浩,尹志宏.基于有限元分析的機床床身結構優化設計[J].科學技術與工程,2012,12(23):5743-5747.

[6]吳曉楓,王禹林,馮虎田.大型數控螺紋磨床床身的模態分析與優化[J].機械設計與研究,2010,26(6):114-117.