基于ANSYS的門窗材專用四面刨床身設(shè)計?

孟慶軍 姜博文 胡萬明

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著我國城鎮(zhèn)化步伐的加快與居民收入的持續(xù)增長，房地產(chǎn)業(yè)欣欣向榮，大量商品房的建設(shè)為現(xiàn)代門窗行業(yè)提供了巨大的發(fā)展空間[1-2]。當(dāng)前我國門窗材加工方式正在向大規(guī)模自動化生產(chǎn)的時代邁進(jìn)，相比于歐美等發(fā)達(dá)國家，雖然我國木工機(jī)械行業(yè)起步較晚，但在規(guī)模上不斷擴(kuò)大，技術(shù)上推陳出新，正在逐步縮小與發(fā)達(dá)國家之間的差距[3-5]。為提高木材的加工利用率和加工效率，降低工人的勞動強(qiáng)度，研發(fā)設(shè)計一臺專用于門窗材加工的四面刨具有重要意義[6-8]。四面刨的床身作為各工作部件的裝配基礎(chǔ)，床身結(jié)構(gòu)直接決定了設(shè)備的重量以及運行的穩(wěn)定性，進(jìn)而決定了門窗材的加工質(zhì)量。因此，本文對四面刨床身進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化研究。

1 門窗材專用四面刨整機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計

通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合四面刨床加工門窗材工藝分析[9-12]，本研究首先對門窗材四面刨的整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。如圖1 所示，整機(jī)主要由前進(jìn)料臺組件、床身、第一下刨刀軸組件、右刨刀軸組件、銑形主軸一組件、銑形主軸二組件、上刨刀軸組件、第二下刨刀軸組件、進(jìn)料系統(tǒng)組件等組成。

圖1 門窗材專用四面刨總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the special four-sided planer of door and window material

在四面刨工作過程中，前進(jìn)料工作臺通過四桿機(jī)構(gòu)與床身連接，目的是使進(jìn)料工作臺面始終保持水平，前進(jìn)料工作臺可短距離上下升降，工作臺面與下刨刀軸的切削圓之間的距離即為下刨刀軸的切削量，升降機(jī)構(gòu)通過絲杠螺母手動調(diào)整，各刀軸組件均由三相異步電動機(jī)通過平皮帶傳動帶動刀軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削加工。此外，銑型主軸一組件和銑型主軸二組件可獨立進(jìn)行橫向進(jìn)給和垂直升降換刀，垂直升降換刀機(jī)構(gòu)由一臺2.0 kW的伺服電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速器驅(qū)動絲杠螺母機(jī)構(gòu)以實現(xiàn)垂直升降換刀。上刨刀組件由一臺0.75 kW的三相異步電動機(jī)通過蝸輪蝸桿減速器驅(qū)動絲杠螺母機(jī)構(gòu)實現(xiàn)上刨刀軸的高度調(diào)整。進(jìn)料驅(qū)動組件包括上壓輥和下壓輥兩部分，由一臺11 kW的Y160M1-2 型三相異步電機(jī)驅(qū)動，動力通過V帶傳遞到減速器，再經(jīng)萬向聯(lián)軸器將動力傳送到壓輥。送料系統(tǒng)的橫梁可整體升降，升降機(jī)構(gòu)由升降電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速器和絲杠螺母機(jī)構(gòu)實現(xiàn)升降，其主要作用是在檢修或工件厚度差異較大時調(diào)整壓輥和上刨刀軸的高度。上壓輥組件每個壓輥前端還裝有擺動機(jī)構(gòu)和小型調(diào)整氣缸，以適應(yīng)工件厚度變化較小時實現(xiàn)工件的壓緊。

2 床身組件結(jié)構(gòu)設(shè)計

床身是四面刨運行的基礎(chǔ)，也是四面刨各工作部件的裝配基礎(chǔ)，床身的設(shè)計直接決定了設(shè)備運行的穩(wěn)定性。在床身設(shè)計時考慮機(jī)床的總體尺寸，以節(jié)省安裝面積為前提[13-15]。床身內(nèi)部的空間應(yīng)當(dāng)在鑄造工藝允許范圍內(nèi)盡可能擴(kuò)大空腔體積，以安裝機(jī)床的變速機(jī)構(gòu)、潤滑機(jī)構(gòu)、電器元件、排屑裝置等。目前市場上四面刨床身分為兩種，即鑄造床身和焊接床身。本文所設(shè)計的門窗材專用四面刨由于銑型主軸進(jìn)給要求，無法將床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體鑄造，故而將床身拆分為前后兩部分分開鑄造，鑄造后再統(tǒng)一安裝在槽鋼底座上進(jìn)行定位和調(diào)整。四面刨床身結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 床身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the bed structure

床身是整個門窗材專用四面刨的基礎(chǔ)，各主軸與工作臺面的平行度和垂直度均需依靠床身的加工精度來保證[16]。按照加工工藝要求，首先應(yīng)加工床身的下安裝面，然后以此為基準(zhǔn)再加工其他的安裝面。在加工鑄造床身時首先在龍門銑床上進(jìn)行粗加工，留出一定的加工余量，粗加工后，床身會產(chǎn)生一定的變形，需要經(jīng)過時效處理后再進(jìn)行后續(xù)的精加工。

床身結(jié)構(gòu)在焊接時會因受熱不均產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和變形，因此需在焊接過程中以及焊接后檢查變形量，如果超過允許最大變形量，則應(yīng)進(jìn)行校正，以防止發(fā)生由于變形而產(chǎn)生的加工量不均，甚至加工量不足的情況。

3 專用四面刨床身有限元分析

3.1 四面刨床身靜力學(xué)分析

床身是整臺機(jī)器的工作基礎(chǔ)和支撐單元，床身的結(jié)構(gòu)性能直接影響到木門窗材專用四面刨的加工性能。其裝配有機(jī)床的各個主軸和進(jìn)給系統(tǒng)，并承受工作載荷，床身產(chǎn)生較大的變形或振動將直接影響其他零部件的安裝和刀軸加工的精度，檢驗床身的強(qiáng)度和剛度對于床身設(shè)計非常重要。

為驗證床身強(qiáng)度，對其進(jìn)行有限元分析的前處理后，施加載荷和約束，并進(jìn)行Solve求解計算，提取床身的應(yīng)力和變形云圖如圖3 和圖4 所示。

圖3 床身的應(yīng)力云圖Fig.3 Stress cloud diagram of the bed structure

如圖3 所示，床身結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力出現(xiàn)在鑄造床身與槽鋼底座安裝梁處，此外較大應(yīng)力分布較多的區(qū)域還有進(jìn)料系統(tǒng)安裝座的筋板附近和槽鋼底座上，主要是由于進(jìn)料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重力較大，考慮到受力的合理性在導(dǎo)柱座下方增加了筋板。由圖可知，床身結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為46.568 MPa，材料強(qiáng)度安全系數(shù)值選定為[S]，槽鋼的屈服強(qiáng)度為σb=235 MPa，則許用應(yīng)力值如下[17-18]：

由計算公式（1）可得床身槽鋼結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值為[σ]=117.5 MPa，床身所受最大應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力值[σ]，因此床身的強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖4 床身的變形云圖Fig.4 Strain cloud diagram of the bed structure

從圖4 可以看出，床身最大變形處發(fā)生在床身進(jìn)料系統(tǒng)升降橫梁安裝座的位置，最大變形量為0.281 14 mm。這是由于進(jìn)料系統(tǒng)整體重力較大，且升降導(dǎo)柱套筒采用懸臂形式，因此易產(chǎn)生變形，但從變形數(shù)據(jù)結(jié)果來看，床身結(jié)構(gòu)的變形量未超過GB 12557—2010《木工機(jī)床 安全通則》中規(guī)定的機(jī)床變形量要求，完全符合設(shè)計和使用精度的要求。

綜合上述力和變形云圖的分析可知，床身的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度能保證門窗的加工精度，滿足實際設(shè)計與生產(chǎn)要求。

3.2 四面刨床身模態(tài)分析

通過在workbench中建立模態(tài)分析Modal模塊，并將前文的靜力學(xué)分析的載荷及結(jié)果施加在模態(tài)分析中，在床身受到預(yù)應(yīng)力的情況下求解其模態(tài)振型，獲得其六階振型的固有頻率值如圖5所示。床身的模態(tài)振型云圖如圖6所示。

圖5 床身結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型固有頻率Fig.5 Natural frequencies of vibration modes of the bed structure

由圖5 可知，床身結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型頻率范圍為98.1～230.77 Hz，為更直觀地了解每一模態(tài)振型所對應(yīng)的共振階數(shù)、振動方向以及變形位置，床身的振動和變形統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。六階振型中前三階所對應(yīng)的固有頻率為床身在不同方向上所產(chǎn)生的一階共振，后三階所對應(yīng)的固有頻率為床身在不同方向上所產(chǎn)生的二階共振。

由于主軸的最大轉(zhuǎn)速為n=6 800 r/min，根據(jù)振源頻率公式f=n/60 可求得機(jī)床最大振源頻率為113.33 Hz。而通過上述對床身結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析可知，床身產(chǎn)生一階共振的最小頻率為98.1 Hz，床身的振源頻率大于模態(tài)固有頻率，表明在門窗加工過程中，床身結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，因此應(yīng)對床身的中間面板安裝梁處重新進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

表1 床身結(jié)構(gòu)前六階振動和變形Tab.1 First six vibration and deformation of the bed structure

圖6 四面刨床身模態(tài)振型云圖Fig.6 Cloud diagram of vibration modes of the fourside planer bed

4 床身結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過上述有限元仿真分析可知，床身的強(qiáng)度和變形均在合理的范圍之內(nèi)，但是上述模態(tài)分析表明，其有存在共振的可能。因此有必要對床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化。由于床身可能發(fā)生共振的點主要在中間面板安裝梁處，因此主要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該處由型材焊接加工而成，對此可以通過改變型材的截面尺寸進(jìn)行床身參數(shù)優(yōu)化或加筋板進(jìn)行加固。根據(jù)GB/T 706—2016《熱軋型鋼》中列出的型材規(guī)格要求[23-25]，選取規(guī)格更大的型材（12.6#槽鋼）作為方案一，對中間面板安裝梁加筋板作為方案二，分別對兩種改進(jìn)方案和原模型進(jìn)行有限元對比分析，得出相應(yīng)的應(yīng)力、變形和一階固有頻率最小值，見表2。

表2 床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后靜力學(xué)分析對比Tab.2 Comparison of statics analysis after bed structure optimization

通過原模型與方案一、方案二的分析結(jié)果對比可知，相比于原模型結(jié)構(gòu)，兩種改進(jìn)方案對床身的最大應(yīng)力和最大變形影響不大，而對于一階固有頻率，方案二的改進(jìn)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于方案一。因此最終選定方案二作為優(yōu)化改進(jìn)方案，即對床身的中間面板安裝梁加筋板以避免產(chǎn)生共振。將改進(jìn)后的機(jī)床床身振動和變形情況進(jìn)行歸納，見表3，模態(tài)振型云圖如圖7 所示，床身一階固有頻率為132.7 Hz，大于振源頻率113.33 Hz，滿足設(shè)計要求。

表3 改進(jìn)后床身振動和變形歸納表Tab.3 Summary of vibration and deformation of the improved bed structure

圖7 四面刨床身模態(tài)振型云圖Fig.7 Cloud diagram of vibration modes of the fourside planer bed

5 結(jié)語

本文基于四面刨加工門窗材工藝，對門窗材專用四面刨進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用ANSYS軟件對其床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖以及變形云圖，分析表明：設(shè)計的門窗材專用四面刨的床身剛度、強(qiáng)度均符合設(shè)計及使用要求；進(jìn)一步對床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到床身結(jié)構(gòu)的前六階振型云圖，對其對應(yīng)的振動階數(shù)、振動方向和最大變形位置及其最小的一階固有頻率與振源頻率分析表明，機(jī)床在加工過程中可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，鑒于此，對床身進(jìn)行了進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使固有頻率達(dá)到加工要求，整機(jī)運行的穩(wěn)定性增強(qiáng)。