模塊化斜床身結(jié)構(gòu)靜動態(tài)性能研究

■ 通用技術(shù)集團大連機床有限責(zé)任公司 （遼寧大連 116620） 吳慧敏

隨著工業(yè)4.0興起，制造業(yè)不斷向智能制造方向轉(zhuǎn)變。模塊化機床是現(xiàn)代生產(chǎn)的一種新型模式。模塊化系統(tǒng)定義為一種盡可能的通用的可替換的基本部件組合成不同形式機床品種的生產(chǎn)技術(shù)和組織計劃方式。針對這一理念，以廠內(nèi)新型模塊化數(shù)控車床為例，通過靜動態(tài)分析模塊，分析了40°整體式床身靜動態(tài)性能，為實現(xiàn)精益生產(chǎn)提供了有價值的參考。該機床的Pro/E模型如圖1所示。床身采用整體鑄造成形，床身導(dǎo)軌40°傾斜布局，有較大的承載截面，其他模塊按照市場需求進行不同配置，可實現(xiàn)高精密、高效率和高可靠性加工。

圖1 模塊化機床架構(gòu)

1. 整體式斜床身有限元模型建立

床身作為機床承載載荷的基礎(chǔ)，其性能非常重要。需要對其進行靜力學(xué)分析，找出應(yīng)力和變形最大的薄弱點，為衡量機床性能提供可靠的依據(jù)。

由于過渡圓角、螺栓孔及模型中的小孔對床身的質(zhì)量及剛度不會產(chǎn)生大的影響，完全可以保證足夠的計算精度，因此可以去掉這些特征。

將Pro/E軟件建立的床身模型導(dǎo)入ANSYS中。設(shè)置床身材料為HT300，密度為7 300kg/cm3，楊氏模量為1.43×1011Pa，泊松比為0.26。采用四面體和掃掠網(wǎng)格劃分，床身節(jié)點數(shù)為341 789個，單元個數(shù)為187 625。整體式斜床身有限元模型如圖2所示。

圖2 整體式斜床身有限元模型

2. 斜床身靜力學(xué)分析

數(shù)控車床斜床身底部與地基固定，可以定義為全約束，主要承載載荷見表1。上導(dǎo)軌面承載刀塔刀盤和滑板的共同質(zhì)量，下導(dǎo)軌面承載主軸箱和尾座的共同質(zhì)量。在工況下，上下導(dǎo)軌均承受切削力的作用。

表1 斜床身載荷參數(shù)（質(zhì)量：kg）

針對此床身40°傾斜設(shè)計，從床身靜態(tài)有限元分析可知，最大應(yīng)力區(qū)域分布在床身背部一些筋板連接處，上下導(dǎo)軌應(yīng)力很小，對實際加工幾乎沒有影響，床身最大應(yīng)力為28 540N，如圖3所示。

最大變形位置出現(xiàn)在上導(dǎo)軌中間稍微靠左的位置，這與工況下導(dǎo)軌受到最大的力相吻合，此處正是加工工件時刀塔的位置。由于導(dǎo)軌傾斜40°，上導(dǎo)軌外側(cè)部分承載力較大，但是其變形量最大只有0.108×10-3mm，如圖4所示，說明床身結(jié)構(gòu)變形非常小，可以滿足加工精度，確保加工質(zhì)量。

圖3 斜床身最大應(yīng)力云圖

圖4 斜床身最大變形云圖

3. 斜床身模態(tài)性能分析

同樣，按照圖2結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分有限元模型，運用Block Lanczos方法計算模態(tài)分析結(jié)果見表2。提取床身的前六階振型如圖5所示。

數(shù)據(jù)分析可得，床身振動的位移量范圍約為0.052～0.079mm，對于加工影響不是很大，并且模態(tài)振動的固有頻率最小為303.38Hz。根據(jù)計算得到一階臨界轉(zhuǎn)速約為13 652r/min，而該機床最高轉(zhuǎn)速為4 000r/min，遠低于臨界轉(zhuǎn)速，不會發(fā)生共振。說明該床身完全符合初期構(gòu)想的技術(shù)要求。

表2 斜床身前6階振型計算結(jié)果

4. 動態(tài)性能試驗驗證

對于首臺試制整體式床身數(shù)控車床，需要對其進行動態(tài)性能試驗，檢驗其各項性能是否符合技術(shù)要求。同時為了驗證計算的準確性，對該斜床身數(shù)控車床進行切削試驗驗證。按照國家標準GB/T 9061—2007和行業(yè)標準JB/T 2322.1—2002要求，根據(jù)機床相關(guān)參數(shù)選擇刀具和試件見表3。試件裝夾如圖6所示。

經(jīng)過多次切削試驗，得到切削參數(shù)見表4。該機床最大切削深度可達7mm。并且試驗中無切削顫振現(xiàn)象，工件表面無明顯振紋，說明該機床的動態(tài)性能良好，驗證了床身有限元分析的準確性。

5. 結(jié)語

本文運用ANSYS軟件對新型整體式床身結(jié)構(gòu)進行了靜動態(tài)分析計算，證明床身最大應(yīng)力區(qū)域分布在床身背部一些筋板連接處，上下導(dǎo)軌應(yīng)力很小。最大變形位置出現(xiàn)在上導(dǎo)軌中間稍微靠左的位置，應(yīng)力和變形數(shù)值都很小，驗證了其強度和剛度的合理性。同時，得到了在切削中床身容易發(fā)生共振的頻率范圍，驗證了整體式床身結(jié)構(gòu)的合理性。通過實際加工試驗驗證，進一步證明了該床身結(jié)構(gòu)的可靠和穩(wěn)定。為該新型整體式斜床身的批量生產(chǎn)提供了理論和試驗基礎(chǔ)。

表3 試驗參數(shù)

表4 試驗切削參數(shù)

圖5 斜床身前6階振型

圖6 切削顫振試驗