數(shù)控車(chē)床床身結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化研究

高輝東

摘 要： 數(shù)控車(chē)床為生產(chǎn)過(guò)程中所應(yīng)用的主要設(shè)備之一，車(chē)床的車(chē)身結(jié)構(gòu)是否合理，是決定其性能優(yōu)劣的主要因素。本文以ck6140數(shù)控車(chē)床為例，采用有限元分析法，從軟件的選擇、模型的建立以及網(wǎng)格劃分等方面，對(duì)床身的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析。基于此，重點(diǎn)闡述了床身高度以及主軸箱支撐臺(tái)筋板的優(yōu)化方案。通過(guò)對(duì)優(yōu)化效果的觀察，證實(shí)了各方案的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控車(chē)床；床身結(jié)構(gòu)；有限元分析；優(yōu)化方案

前言：隨著機(jī)械化以及信息化水平的不斷提升，數(shù)控車(chē)床逐漸被應(yīng)用到了生產(chǎn)過(guò)程中，且對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)效率的提高，起到了極大的推動(dòng)作用。數(shù)控機(jī)床床身，均由不同的板塊構(gòu)成。根據(jù)各板塊厚度、機(jī)械剛度以及振型的不同，車(chē)身的結(jié)構(gòu)及車(chē)床的性能，同樣存在一定的差異。為提高床身的穩(wěn)定性、提高機(jī)械化生產(chǎn)效率，對(duì)數(shù)控車(chē)床床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與優(yōu)化較為重要。

1 數(shù)控車(chē)床概況

ck6140數(shù)控車(chē)床為新型的數(shù)控車(chē)床，在零件生產(chǎn)領(lǐng)域，應(yīng)用范圍較廣。車(chē)床參數(shù)具體如下：中心高：205mm；最大回轉(zhuǎn)直徑：400mm；刀架最大回轉(zhuǎn)行程：280；轉(zhuǎn)速為50HZ；刀桿截面尺寸為20mmx20mm；縱向進(jìn)給量為0.04mm--2.16mm；電機(jī)4.5kw；中心距750mm。

為提高數(shù)控車(chē)床床身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、提高機(jī)床運(yùn)行效率，本課題決定采用有限元分析方法，對(duì)床身結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，以?xún)?yōu)化機(jī)床的性能。

2 數(shù)控車(chē)床床身結(jié)構(gòu)有限元軟件的選擇及模型的建立

數(shù)控車(chē)床床身結(jié)構(gòu)有限元模型軟件的選擇及有限元模型的建立方法如下：

2.1 有限元模型軟件的選擇

本課題所應(yīng)用的有限元分析軟件，包括ANSYS Workbench軟件，以及Solid Works軟件兩種。ANSYS Workbench軟件的優(yōu)勢(shì)在于仿真平臺(tái)的性能較強(qiáng)。將其應(yīng)用到數(shù)控車(chē)床床身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析準(zhǔn)確度的提高，具有重要的意義。Solid Works軟件為三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的一種，與CAD相同，在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用均較為廣泛[1]。采用該軟件對(duì)數(shù)控車(chē)床床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，有助于從不同的角度出發(fā)，找出床身結(jié)構(gòu)在參數(shù)方面存在的誤差。進(jìn)而以分析結(jié)果為參考，對(duì)床身結(jié)構(gòu)加以?xún)?yōu)化[2]。

2.2 有限元模型的建立

本課題在采集床身參數(shù)的基礎(chǔ)上，將邊界條件以及靜力分析等方法，共同應(yīng)用到分析過(guò)程中。在不對(duì)模型施加任何荷載的同時(shí)，建立了關(guān)于機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的有限元模型。本課題所選的數(shù)控機(jī)床，床身材料以“灰鑄鋼”為主。該類(lèi)型鋼材的參數(shù)如下：（1）彈性模量：110GPa。（2）密度：7250kg/m3、（3）泊松比：0.22。借助ANSYS Workbench軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，本機(jī)床的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，最大為3000r/min。因此，共振的問(wèn)題一般不會(huì)發(fā)生。

3 數(shù)控車(chē)床床身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案

為發(fā)現(xiàn)并解決數(shù)控車(chē)床在床身結(jié)構(gòu)方面存在的問(wèn)題，本課題采用以下方法，對(duì)其床身結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化：

3.1 網(wǎng)格劃分及優(yōu)化計(jì)算方法

為進(jìn)一步了解數(shù)控車(chē)床床身結(jié)構(gòu)的特征，本課在劃分有限元網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，計(jì)算出了床身的模態(tài)頻率。得到結(jié)果如下：（1）一階：模態(tài)頻率為218.04Hz。（2）二階：模態(tài)頻率為290.01Hz。（3）三階：模態(tài)頻率為315.17Hz。（4）四階：360.74Hz。（5）五階：415.59Hz。（6）六階：438.71Hz。上述頻率中，一階代表床身的擺動(dòng)情況。二階代表床身的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)情況。三階代表床身的振幅。通過(guò)對(duì)不同模態(tài)頻率的觀察發(fā)現(xiàn)，本課題所選的數(shù)控機(jī)床，在結(jié)構(gòu)方面存在著以下問(wèn)題：（1）通過(guò)對(duì)床身長(zhǎng)度、寬度與高度的觀察發(fā)現(xiàn)，本課題所選數(shù)控機(jī)床，床身存在著高度異常的問(wèn)題。如未解決，容易導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)以及彎曲振動(dòng)問(wèn)題發(fā)生，繼而導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)故障。（2）主軸箱支撐位置，振幅相對(duì)較大。機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，該部分極容易因振動(dòng)，而對(duì)加工精度以及生產(chǎn)質(zhì)量造成影響。因此，應(yīng)將其作為重點(diǎn)，對(duì)機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)加以?xún)?yōu)化。

3.2 床身高度的優(yōu)化

機(jī)床的床身，會(huì)隨著機(jī)床的運(yùn)行而作出擺動(dòng)的動(dòng)作。假設(shè)本車(chē)床的床身高度為H，為保證機(jī)床能夠正常運(yùn)行，保證機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能無(wú)異常，H的取值范圍，應(yīng)處于575--750mm之間。在機(jī)床床身寬度等其他參數(shù)不變的情況下，隨著機(jī)床高度的不同，六階的模態(tài)頻率，同樣會(huì)有所變化。當(dāng)機(jī)床高度為725mm時(shí)，各階頻率均會(huì)出現(xiàn)明顯的變動(dòng)。導(dǎo)致該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，可能與床身與其他結(jié)構(gòu)的耦合作用有關(guān)。參考計(jì)算結(jié)果，本課題決定采用725mm，作為床身的設(shè)計(jì)高度，對(duì)數(shù)控機(jī)床的床身進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 主軸箱支撐臺(tái)筋板的優(yōu)化

主軸箱的動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)性能，是影響機(jī)床生產(chǎn)精度的主要因素。而支撐臺(tái)筋板的厚度以及形式，則是影響主軸箱性能的關(guān)鍵。通常情況下，數(shù)控機(jī)床的支撐臺(tái)，厚度多為30mm，側(cè)壁厚度，一般為25mm，而元結(jié)構(gòu)的厚度，則一般為18mm。從靜力分析的角度看，當(dāng)床身的重力加速度為9.8m/s2、箱體的重力為2380N、切向切削力為2000N時(shí)，根據(jù)支撐臺(tái)形式的不同，變形量通常有所不同。采用對(duì)角交叉的形式設(shè)計(jì)支撐臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上，加入兩個(gè)十字交叉的筋板，可有效增強(qiáng)主軸箱的抗變形能力，進(jìn)而達(dá)到提高機(jī)床床身穩(wěn)定性的目的。

結(jié)論：

綜上所述，本課題通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)控機(jī)床床身結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在床身高度不合理，以及主軸箱支撐臺(tái)筋板設(shè)計(jì)形式不合理兩方面。將高度調(diào)整至725mm，并調(diào)整了筋板形式后。通過(guò)對(duì)機(jī)床運(yùn)行效果的觀察發(fā)現(xiàn)，床身的性能得到了有效的改善。有關(guān)領(lǐng)域可以以本課題的研究思路為參考，對(duì)數(shù)控機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到降低生產(chǎn)及設(shè)計(jì)成本，提高機(jī)床生產(chǎn)效率的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]紀(jì)海峰.基于ABAQUS的數(shù)控車(chē)床床身有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2016，45（04）：20-23.

[2]黃志偉，王德洋，靳嵐.臥式數(shù)控車(chē)床床身結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性對(duì)比分析[J].機(jī)械制造，2014，52（11）：47-50.