數控改造機床床身有限元分析及結構優化設計

遼寧裝備制造職業技術學院，遼寧 沈陽 110161

在機床的機械結構中，床身是重要的大型承載部件，起著支承機床其余零部件的作用[1]。它的靜動態性能的優劣關乎機床整體的綜合性能，尤其對機床的加工精度、抗振性能等影響較大[2]。在經濟型數控機床改造中，為了降低改造成本，都會保留原有普通機床的床身，選擇C6140數控改造機床的床身作為分析對象，并應用ANSYS Workbench軟件對C6140床身進行固有頻率、振型分析。另外，對床身整體結構進行重新改造設計，能保證數控改造機床的運動平穩性，優化切削加工性。

1 有限元建模關鍵技術

1.1 模型建立與網格劃分

采用UG NX8.0軟件對C6140床身創建三維模型。對C6140車床床身進行必要的結構簡化，簡化后的床身模型如圖1所示。

圖1 機床床身簡化模型

運用UG NX8.0軟件進行機床床身幾何建模后，導入ANSYS Workbench中進行網格劃分。采用網格尺寸控制方法，設置零件網格尺寸為30mm，劃分后網格共有128284個節點、69677個單元。C6140床身劃分網格后的有限元模型如圖2所示。

圖2 劃分網格后的床身模型（單位：mm）

1.2 載荷與邊界條件

C6140車床床身材料選用HT200，材料屬性如下：楊氏模量為200GPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。對C6140車床床腿的2個底表面施加固定約束，以限制其自由度。

2 床身模態特征

依據建立的床身模型，應用ANSYS Workbench軟件里的Block Lanczos方法做模態分析，得到床身的前六階固有頻率及振型，如圖3所示。

圖3 床身前六階振型

有限元模態分析所得的前六階固有頻率如表1所示。系統的第一階振型為床身在Z方向的擺動，第二階與第三階振型為床身在Z方向的扭轉，第四階振型表現為床身在Y方向的擺動，第五階振型為床身在X方向的擺動，第六階振型為床身導軌沿著X方向的彎曲。

表1 橫向進給系統前六階固有頻率 單位：Hz

3 車床主軸箱內振源

由于主軸箱中傳動零件如齒輪、軸承等在制造及裝配過程中可能有實施不理想的地方，及C6140車床改造使用年限較長具有一定磨損，從而使主軸箱在加工過程中出現振動。主軸箱的齒輪在嚙合傳遞運動和動力時，會產生嚙合頻率的振動。主軸箱安裝在床身上，其振動會傳遞到床身上，是床身振動的根源之一[3]。選擇車床主軸箱回轉頻率及嚙合頻率進行分析，觀察是否與床身固有頻率一致，避免共振現象發生。計算時選擇主軸200r/min時為研究對象，依據主軸回轉頻率計算公式得到回轉頻率，根據齒輪嚙合頻率公式計算出主軸回轉頻率和齒輪嚙合頻率，如表2所示。

表2 C6140主軸回轉頻率和齒輪嚙合頻率 單位：Hz

主軸回轉頻率計算公式為

齒輪嚙合頻率公式為

由表2可知，回轉頻率數據為3.33～19Hz，遠低于床身的固有頻率，表明主軸回轉的振動頻率不會與床身產生共振；而主軸箱齒輪的嚙合振動頻率數據為193.3～760Hz。通過分析發現Ⅱ傳動軸的齒數為38的齒輪，其嚙合振動頻率730Hz與四階固有頻率734.66Hz十分相近。雖然局部振動不是影響機床床身性能的唯一因素，但也對機床加工中噪聲與運動平穩有一定的不利作用[4]。

4 改進床身設計及模態

由圖3可知，床身床頭箱部位的第二、三、四階振型主要表現為局部振型，第一、五、六階振型為機床的主要振型，機床側面及導軌部位發生彎曲扭轉振動。通過分析可知，床身的四周剛度相對比較薄弱，因此可對床身的整體結構進行改進，從而提高機床床身的局部剛度。原C6140車床床身的結構有待進一步的設計改進。通?？梢杂迷黾蛹訌娎?、改進床身形狀及封閉床身結構等方法，提高機床床身的抗振性。在以后的車床改造中，可以將原床身中間四方形整體式結構改成八邊形結構及采取在床頭箱與床身連接處增加過度圓角等措施，提高床身剛度。機床床身改進模型如圖4所示。

圖4 機床床身改進模型

為分析新結構床身的動態特性，進行了有限元分析計算，其網格劃分、材料屬性及約束條件都與原床身一致，故不再進行闡述[5]。根據建立的床身改進有限元模型，采用ANSYS Workbench中Block Lanczos進行模態分析，獲得前六階固有頻率和模態振型，如圖5所示。

圖5 機床改進床身前六階振型

有限元模態分析所得的前六階固有頻率如表3所示。第一階振型為局部沿Y軸擺動，第二階振型為局部沿Y軸擺動，第三階振型為繞Z軸扭轉，第四階振型為局部沿Z軸擺動，第五階振型為沿Z軸扭轉，第六階振型為局部沿Z軸擺動。

表3 改進后床身前六階固有頻率 單位：Hz

將原機床床身與新結構機床床身的模態分析振型及固有頻率進行對比，由此看出，新結構機床結構能避開機床主軸箱齒輪的嚙合振動頻率，減小因主傳動系統運動的齒輪嚙合振動導致的變形，有效保障機床切削過程的平穩性及工件加工精度。

5 結束語

文章通過對數控改造床身的三維實體模型設計，利用ANYSY Workbench軟件對床身進行模態分析，得到了床身的固有頻率及振型。通過分析經濟型數控改造機床回轉頻率與固有頻率，能找到影響機床局部振動的原因及解決方案，從而進一步提高經濟型數控改造機床的加工精度。同時還能對機床床身進行結構優化設計，將床身改造為八邊形孔結構。分析新型八邊形孔結構的床身固有頻率及振型可知，新八邊形孔結構的床身能有效避開主軸箱嚙合頻率，提高機床整體的抗振性能，從而保證數控改造機床的切削加工平穩性，為后續機床企業在床身改造設計中的研究與應用提供重要的參考依據。