機床床身結構優化設計

朱爽，高強，王炳達，彭胡，劉小琨

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機床床身結構優化設計

朱爽，高強，王炳達，彭胡，劉小琨

（沈陽工程學院 機械學院，遼寧 沈陽 110136）

機床床身是整個機床的基體結構，為機床上的加工零件提供運動軌跡，為各種運動提供精度服務。床身結構是否合理，將影響整個機床的精度和壽命。以超高速磨削機床床身為例，通過有限元分析了機床床身長、寬、高和空洞筋板等對其動態特性的影響，為機床床身的優化設計提供基礎。

機床床身；動態特性；優化設計；機床精度

隨著計算機輔助設計軟件的開發，機床設計周期越來越短，成本越來越低，各個機床企業之間的競爭越來越大，結構的優化顯得尤為重要。機床床身是整個機床的基體結構，為機床上的加工零件提供運動軌跡，為各種運動提供精度服務。床身結構是否合理，將影響整個機床的精度和壽命。為了獲得合理的床身結構，本文將依次分析床身長、寬、高等結構尺寸對固有頻率的影響。

1 床身長度對其動態特性的影響

兩個結構和材料屬性完全相同的超高速磨削機床床身如圖1所示，b模型在a模型的基礎上縮短了床身邊沿并去除了床身上的孔洞。

圖1 床身有限元模型

為了研究床身長度對其動態特性的影響，對圖1的2個模型進行有限元分析，得到固有頻率，具體如表1所示。

通過有限元分析結果可以發現，縮短了床身邊沿并去除了床身上的孔洞后，床身的固有頻率會大幅度提高。機床床身邊沿由于厚度較小且延伸在外，是整個床身上最為薄弱的邊沿，在受到外力時容易產生振動，而縮短床身邊沿可以有效避免因床身邊沿過長導致的振動，從而提高床身動態特性。另外，去除床身上的孔洞可以有效避免應力集中對動態特性的影響，從而提高床身的動態特性。

2 床身寬度對其動態特性的影響

床身寬度的增加可以提高床身的穩定性，從而改善床身的動態特性，但是隨著寬度的增加，寬度方向上的剛度會有所降低，導致床身的動態特性變差。為了確定隨著寬度增加，床身動態特性的變化趨勢，將b模型的床身模型增加寬度后進行模態分析，得到固有頻率如表2所示。

表1 床身固有頻率對比

模態階數有限元模型 a模型b模型 1109233 2143348 3177379 4223385 5253440 6291464 7297510 8360526 9399535 10441582

表2 床身寬度固有頻率對比

模態階數床身寬度/mm 525575 1233220 2348346 3379376 4385381 5440400 6464426

通過對比可以發現，當床身寬度增加后，固有頻率會有所降低，動態特性會受到影響。由此可見，增加床身寬度后，其剛度的降低要超過穩定性增加所帶來的影響。為了能夠在增加床身的穩定性的同時避免寬度方向上的剛度降低，可以考慮增加筋板。

3 筋板對其動態特性的影響

為了考查增加筋板的方法是否能夠避免寬度方向上的剛度減弱，從而避免機床床身的動態特性受到寬度增加的影響，在上述增加寬度后的模型內加入筋結構，如圖2所示，并進行模態分析。模態分析后，得到固有頻率如表3所示。

圖2 增加筋板的有限元模型

表3 筋板結構的影響

模態階數床身寬度/mm 525575575（加筋） 1233220201 2348346338 3379376420 4385381451 5440400537 6464426576

通過分析結果可以發現，增加筋板結構后，可以改善床身的剛度，有效避免增加寬度帶來的影響。雖然低階模態的固有頻率仍然有所降低，但降低量較小。所以，筋板的添加是改善高階模態下機床床身的固有頻率的有效方法。

4 床身高度對其動態特性的影響

高度是影響機構穩定性的重要因素。為了研究床身高度對其動態特性的影響程度，改變b模型的高度，并進行有限元分析，得到的固有頻率如表4所示。

通過有限元分析可以看出，床身高度變化在100 mm范圍內時，對其固有頻率的影響并不穩定；當變化超過100 mm時，固有頻率明顯有所提高。因此，在條件允許的情況下，應盡量降低床身的高度以改善其動態特性。

表4 床身高度固有頻率對比表

模態階數床身高度/mm 715 700 675 650 625 600 1233237259231242265 2348341372360359377 3379379377376376380 4385384387382383457 5440445482467469516 6464462505472482526

5 結論

通過上述有限元分析可知，機床的長、寬、高在一定程度上會影響其動態特性，而機床床身的動態特性將影響整個機床精度和壽命。縮短床身邊沿長度、降低床身高度、減少床身上的孔洞結構、增加筋板，都能夠有效提高床身的動態特性，從而提高機床的精度。

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2095－6835（2018）23－0128－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.128

〔編輯：嚴麗琴〕