鑄鐵與鑄鋼底座靜動態特性分析

于艷東

(山東魯南機床有限公司，山東滕州277500)

底座主要用于支撐立柱、工作臺、主軸箱等基礎零部件，是加工中心最重要的基礎部件之一，它的動靜剛度是影響機床加工精度、整體剛性、抗振性能的重要因素。采用常規的設計方法，很難得出一個準確的衡量數值，也無法知道底座各部位的受力和變形情況。出于加工、成本、減震性和穩定性等方面的考慮，加工中心底座材料通常選用鑄鐵。鑄鐵材料雖然具有許多優越性，但在動態性能和熱變形方面很難滿足對機械產品越來越高的要求[1］。近幾年，隨著新型材料(如混凝土、人造花崗巖等)的出現和加工工藝的提高，機床材料就有了更多的選擇。

隨著計算機技術的發展和有限元理論的成熟，商品化的有限元分析軟件在工程應用中獲得巨大成功[2］。本文采用工程上比較成熟的分析軟件Workbench對兩種材料的加工中心底座進行靜動剛度有限元分析。通過分析兩者之間的靜動態特性，可以看出鑄鋼材料的靜力學性能、質量剛度和抗震性能總體上比鑄鐵材料要好。

1 加工中心底座有限元模型

1.1 底座的三維模型

正確的建立有限元模型是進行有限元分析的前提，因為Workbench與SolidWorks可以無縫銜接，所以選擇SolidWorks軟件建立三維模型，并把SolidWorks三維模型導入到有限元分析軟件Workbench中。

本文利用Workbench軟件對鑄鐵和鑄鋼兩種材質的加工中心底座進行有限元分析，并對不同壁厚的情況做進一步分析。

1.2 材料屬性和邊界條件

鑄鐵底座材料HT250，彈性模量1.38×105 MPa，泊松比為0.156，密度為7.28×103kg/m3；鑄鋼底座材料ZG25，彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.311，密度為 7.83×103kg/m3。

由于加工中心底座安裝時采用10個地腳螺栓與地面連接，為了模擬實際受載情況，因此在進行邊界處理時將底座與螺栓連接面進行全約束。

1.3 有限元網格劃分

加工中心底座內部結構較為復雜，因此采用工程上比較成熟的分析軟件ANSYS Workbench進行自動網格劃分，劃分方法為HexDominant，并運用四面體和六面體相互結合的劃分方式。ZG25-25底座和HT250-25底座自動網格劃分后，得到節點119 062，單元64 896個，HT250-10底座自動網格劃分后，得到節點120 182，單元65 209個。劃分后的網格圖，如圖1和圖2(ZG25-25表示底座材料ZG25壁厚25 mm，其余編號規則與之相同)。

2 機床底座的靜態分析

在機床切削工件的過程中，主軸位置的刀具部位受到工件的反向作用力。靜態分析時，為模擬機床底座實際承受載荷情況，對機床刀具部位施加3個方向的作用力，分別為FX＝5 140 N，FY＝2 056 N，FZ＝2 570 N，通過ANSYS Workbench軟件進行靜力學分析得出三種底座的總體變形圖，如圖3～5。

對比HT250-10和HT250-25，兩種不同壁厚的底座總體變形圖(如圖3～4)，可以看出如下特點:機床底座總位移變化在底座中心兩側呈對稱狀態分布，且變形狀態分布不均勻。滾珠絲杠前端安裝電動機的底座左側兩凸臺安裝面變形量最大，其次變形量較大是滾珠絲杠另一端的底座右側兩凸臺安裝面。底座前后兩側變形較小，而底座左右兩端變形最小。HT250-25底座在負載下的靜力學最大變形為3.47 μm，而HT250-10底座在負載下的靜力學最大變形則為7.9 μm，可以看出HT250-25底座的靜力學性能更好。

對比HT250-25和ZG25-25，兩種不同材料的底座總體變形圖(如圖4～5)可以看出以下特點:三種底座的總體變形趨勢和分布特點相同。HT250-25底座在此處負載下的靜力學最大變形為3.47 μm，而ZG25-25底座在此處負載下的靜力學最大變形為2.4 μm，可以看出ZG25-25底座的靜力學性能更好。

3 底座的模態分析

機床底座模態分析主要分析底座的固有頻率和振型，其作用為:避免底座受載后發生共振現象，同時也是進行其他動力學(響應譜)分析的起點[3］。

因為前兩階固有頻率對機床底座動態特性會有較大影響，所以只列出三種底座前兩階模態振型圖，如圖6～11。通過ANSYS Workbench軟件分析得出三種底座的各階振型圖，為便于分析把底座的前5階振型列表，如表1～3。

通過分析可以看出，HT250-25底座一階振型特點是底座前后擺動，二階振型特點是底座左右擺動，三階振型特點是底座中間上下擺動，四階振型特點是底座右肩上下擺動，五階振型特點是底座繞對稱中心扭擺。HT250-10底座一階振型特點是底座右肩上下擺動，二階振型特點是底座繞Z軸扭擺，三階振型特點是底座左右擺動，四階振型特點是底座中間部分上下擺動，五階振型特點是底座前后擺動、底座繞Z軸扭擺。ZG25-25一階振型特點是底座前后擺動，二階振型特點是底座左右擺動，三階振型特點是底座中間上下擺動，四階振型特點是底座繞對稱中心扭擺，五階振型特點是底座右肩上下擺動。

HT250-25底座的起振頻率為421.35 Hz，與HT250-10底座的起振頻率390.68 Hz相比要高。在動態特性上，HT250-25底座的各階振型頻率比HT250-10底座高，此外HT250-25的質量大，可以得出HT250-25底座的質量剛度也遠比HT250-10底座好，抗震性能總體上HT250-25底座也遠高于HT250-10底座。

ZG25底座的起振頻率為479.58 Hz，與HT250-25底座的起振頻率421.35 Hz相比要高。在動態特性上，ZG25底座的各階振型頻率比HT250底座高，但是HT250底座的密度小，可以得出ZG25底座的質量剛度也遠比HT250底座好，抗震性能總體上ZG25底座也遠高于HT250底座。

表1 HT250-10底座模態分析結果

表2 HT250-25底座模態分析結果

表3 ZG25-25底座模態分析結果

4 結語

通過ANSYS Workbench軟件對不同材料的加工中心底座HT250-25和ZG25-25進行有限元分析可以得出如下結果:在靜態特性上可以看出，負載相同的情況下，ZG25-25底座的總體最大變形要小于HT250-25的總體最大變形，ZG25-25底座的靜力學性能更好。在動態特性上，可以看出ZG25-25底座的質量剛度也遠比HT250-25底座好，抗震性能總體上ZG25-25底座也遠高于HT250-25底座。

通過對不同壁厚的加工中心底座HT250-10和HT250-25進行有限元分析可以得出如下結果:在靜態特性上可以看出，相同負載的情況下，HT250-25底座的總體最大變形要小于HT250-10的總體最大變形，HT250-25底座的靜力學性能更好。在動態特性上，可以看出 HT250-25底座的質量剛度也遠比HT250-10底座好，抗震性能總體上HT250-25底座也遠高于HT250-10底座。

可以得出結論，鑄鋼材料ZG25的靜動態剛度比鑄鐵材料HT250好，而且壁厚越大，這些性能也就越好。這些研究為機床基礎件材料的選擇和壁厚的設計，提供了一種理論依據。