大型數控磨床工件支撐單元設計研究

馬 琳

（河鋼集團邯鋼公司連鑄連軋廠，河北 邯鄲 056015）

中心架本身的重要性不言而喻，并且其質量對加工作業產生極大影響。針對磨床設備作業存在的問題，對其工件支撐進行優化設計，采用三角形的設計為設備提供支撐，利用鋸齒連接保證設備的穩定性。對中心架的整體結構進行優化設計，消除設備作業產生的有害振動，提升作業質量。通過建立三維實體模型，采用有限元模型分析，獲得動態模型的固有振動頻率與振動類型，使用Block lanczos法對其進行分析，獲得最終的結果驗證中心架設計的可行性。

1 數控磨床的工件支撐要求

1.1 支承件概述

對于工件支撐的基本需求需要保證具備剛度、抗震等性能，同時保障吊運的安全。工件支撐在數控設備中的作用是提供強大的支撐。支承件本身包括底座、升降臺等多個部分。其存在主要目的是提供支承，因為機床切削作業期間，設備運作會承受一定自重與切削力等，缺乏支撐難以保障作業的有效性；其次是機床長期使用后，各部件之間的位置是否能保持對應的運行軌跡。

1.2 支承件的設計需求

支承件包含較多的品種類型，并且根據需求不同，設計成各種形狀和尺寸，但是對于其實際應用都需要滿足以下的幾點需求。

（1）剛度。支承件的剛度這是具體是指工作期間，基于恒定載荷的作用下，對載荷的抗變形能力。載荷作用下的對抗力分為靜和動兩種剛度，設備進行切削作業時，機床的工件質量與設備零件等存在一定的重力，在此作用下支承件本身與其他部件接觸后產生了變形現象。這樣一來，機床原本的幾何精度遭到破壞，進而對定位的準確性產生影響。對此，支承件要保證有足夠的剛度，在載荷作用下變形值不超出標準范圍，才能保證設備運作的有效性。通常說到的剛度多指靜剛度，而靜剛度與材料本身與形狀相關。接觸材料的尺寸、硬度與加工方式也與靜剛度有關。

（2）動態特性。對于支承件的性能要求，還需要具備動態特性。其中包含動剛度與阻尼，滿足條件的基礎上，與設備的其他部件配合不至于產生不良的動態振動，也不會產生有害的振動噪聲等。

（3）熱變形。機床在作業的過程中，內部的傳動系統等機械類零部件，在設備切削過程中都會存逐漸發熱，溫度不斷的上升也會對機床中支承件溫度帶來影響，造成熱變形現象。受到環境溫度影響，對機床工作也會造成影響，造成作業精度下降，難以保障機床作業的質量。精密性對于機床類的設備作業有關鍵的作用，需要對支承件熱變形現象加以控制，通常會采用改善散熱條等方式，減緩熱變形帶來的影響[1]。

（4）內應力。支承件在各環節的加工過程中，應用的材料內部會在加工工藝下出現內應力變形的現象。加工使用造成內應力重新分布等變化，進而對內部應力造成影響，出現變形，超出實際的使用范圍。對此，設計支承件結構時，應基于結構與材料兩方面入手，要盡可能保證其應力保持較小的范圍。對于鑄造的立柱等大型工件，應保證金屬在結構上的有效分布，避免不均勻現象產生，在焊接等工藝結束后及時處理。

（5）其他。對于支承件的設計，需要保證設備切削的通暢性，便于吊運與操作。對于使用的潤滑油等要配置較好的回收工藝。支承件的性能尤其重要，對機床產生直接影響。支承件的重要性占據機床重量80%以上，在對其設計的過程中，應優化結構設計，對支承件的性能加以驗證，滿足數控機床的實際作業需求。

2 數控磨床作業期間存在的問題

結合上述機床中工件支撐的實際設計需求，大型數控磨床在實際加工期間，會因為加工的軸類零件長度超出工件剛性，難以保障加工精度與質量。對此，需要為機床配置中心架有效的支撐工件。對于加工的長軸類型零件，需要中心架保障穩定性。因為機床加工作業期間，磨削作業都是采用專用卡盤固定，這樣一來在實際作業時，零件受到自身重力與磨削作業影響，致使工件出現變形。工件在設備磨削作業時，產生的振動導致超差現象出現，增設中心架為其輔助，有效提升零件的剛性。在作業時將不會出現超差等現象，避免振動現象出現，更有效的保證設備加工過程的平穩運行。據此，可以看出中心架對于數控機床的重要性。

現有某公司的大型數控磨床設備，該設備從2014年使用以來，在精磨作業中，經常產生振紋現象。導致加工的零件難以滿足設計需求，造成大量的曲軸報廢，對公司的經濟造成極大的損失。生產廠家曾上門維修，未能有效解決軸頸表面出現的振紋現象。為了避免公司的損失增大，針對上述問題進行技術研究。對設備的實際故障原因進行探究，經過一系列的故障疑點排除診斷后，發現問題集中在中心架的質量上，中心架的結構設計不科學，存在傳動部分承軸與其他結構之間間隙過大，這種設計難以對其進行修復；在支撐點的位置采用的固定螺釘，難以保證緊固性，導致支撐結構存在竄動的現象。同時基于剪切力極易導致螺釘斷裂，使負載落在齒輪上，對齒輪運行造成影響；此外，浮動磨削時，設備運作造成中心架變形，降低結構的剛性[2]。

3 磨床支撐單元設計

3.1 解決方法

針對大型數控磨床存在的磨削作業振動問題，可以看出現有的中心架難以滿足當前公司加工產品的需求。對此，結合導致設備故障的原因，對中心架重新設計。

（1）主傳動設計。對于數控磨床來說，絲杠螺母是常見的傳動方式，具有較高的作業效率，傳動精度高，同時也便于對其維修和安裝，人工操作可以直接轉換其載荷軸的向力。因此，對主傳動的設計，改成采用絲杠螺母，更有效的轉換載荷。

（2）三角支撐。為了加強設備運行主支撐的有效性，對其優化設計成三角支撐，三角形的支撐有助于提供更強的穩定性，同時三角形可以實現半徑范圍內的自由調整。

（3）支撐座設計。對于支撐座的設計，采用鋸齒連接的方式。因為支撐座是采用鋼材質打造的，在應用上具有較好的機械性能，保證了作業的加工精度。鋸齒連接可以承受更多的軸向載荷。將主鋸齒的位置結構設計成U型，更有助于實現自由調節，固定的時候采用M12型號的螺栓。

3.2 中心架模態分析

（1）中心架受力情況。根據上述的設計方案，最終設計完成的結構圖如圖1所示。

圖1 中心架結構設計圖

從簡易設計圖中可以看到，加入三角支撐與鋸齒連接后，更有助于實現支撐座垂直方向的調節[3]。由于平面匯交力系使用合力代替，對此需要的充分條件是保證合力為零，也就是公式1∑Fi=（01）所示。磨床日常加工時，中心架應用三角支撐架，工件與鉸鏈分別對支撐架產生作用力，結合絲杠螺母的作用力，得出公式2∑Fx= 0 ， ∑Fy=（02），據此對支撐應力進行計算，即公式3

按照公式對設備支撐的曲軸受力成礦進行計算，根據公式1得出公式4；聯合公式3和4，獲得公式5

根據公司內部使用的曲軸，其質量為4.95T，在磨削作業時通常采用五個中心架為其提供支撐，據此獲得公式6

根據強度核對公式 ：≤[σ],可 以計算出σ1σ2σ3，結果顯示的參數小于許用應力，可以滿足數控磨床在作業中的各項載荷作用。

（2）中心架模態情況。因中心架的結構過于復雜，為了方便建立中心架模型，對其進行有限元模型分析與網格劃分，有效分析中心架的相關數據，保證中心架設計的特性結果有真實效果。在建立中心架的三維實體模型時，將模型中存在的一些倒角、圓角等特征統一去除，利用當前的三維繪圖軟件根據中心架的實際情況構建實體模型。

建立完成的中心架有限元模型，選用的制作材料為45#鋼，對應使用的材料參數中，彈性模量220/Gpa；密度為7885kg/m3；確定好各項參數后，對中心架的有限元模型進行加位移約束。模型的力學分析過程中，其固有的振動頻率與類型是動力學研究的重點問題，對中心架的振頻等進行分析計算的時候，可以發現中心架的結構阻尼對于計算結果產生的影響較小。使得計算的過程中，會將結構阻尼這項因素忽略。對此，對于中心架無阻尼的計算為；在公式7中，M代表的是結M+Kδ=（07）構的質量矩陣；K則代表速度矩陣；δ為速度矢量，計算后獲得結果δ=φsin（ωt +φ）（8）；將公式8代入公式7,可以獲得(K-ω2M)φ=（09）；當公式中非零解的條件為系數行列為0，對此。也就是當K值和M值都為正定矩陣，根據公式10可以求出特征值的個數，根據特征值的平方根獲得系統的固有頻率，ω1〈ω2〈ω3〈…〈ωn，這里稱為1階到n階的固有振動頻率。使用任意的固有頻率都能有效對各個節點的振幅進行計算，但是振幅值并不是唯一的，其構成是基于中心架的模態構成，也就是結構的固有振型[4]。

基于此，對中心架的模態進行分析。根據低階模態結果分析，其對中心架結構產生的影響最大。因此選擇前幾段的頻率與振型，便能對中心架的結構特征做出有效的分析。結合固有頻率與振型，可以發現中心架下部分承受的頻率小于結構自身振頻頻率。對此，在實際加工的過程中，中心架不會因為工藝出現自身振動導致尺寸超差等問題，可以保證結構作業的穩定性。

3.3 驗證結果

最后，將設計的中心架應用在公司的大型數磨床設備中，經過實際應用發現本次設計的中心架在磨床中具有較好的性能。經過一段時間的曲軸試用加工作業，發現中心架的各項功能均能滿足曲軸加工的實際需求，減少了公司加工產品的損失，幫助公司獲得較大的經濟效益。結果驗證了，對中心架進行優化，三角形的支撐架，更有助于提升作業的穩定性。減少有害振動噪音出現，保障設備運行的同時，擴大了中心架的調節條件，可以更自由的進行調節。采用專門的軟件簡歷實體模型進行網格劃分，有效縮短計算時間，也驗證了此方法可以應用于公司的磨床作業中，保障工作性能的可靠性。

3.4 中心架其他設計構想

對于中心架的設計，本次對其支撐點進行優化設計。未來有意向對數控磨床的中心架進行進一步優化，結合多個軸向進行調節，與電機連接，通過聯軸器和滾珠絲杠，有效將電機的旋轉運動轉化，同時與底座的螺母連接在一起，形成新的結構。通過優化中心支撐架，確保支撐架實現三向調節，擴大作業范圍降低制作成本，為公司帶來良好的經濟效益。

4 結論

綜上所述，經過對中心架的設計，采用三角形支架，利用鋸齒連接有效保障了設備的穩定性。對磨床中心架進行優化，消除振動現象出現，更有效的保障作業的質量。采用專業的三維建模軟件構進行有限元分析，建立中心架模型。利用網格劃分軟件優化劃分質量，減少計算的時間。對中心架的實際受力情況進行分析，獲得中心架的不同振動頻率與振動類型，結合分析結果可以驗證設計有助于避開共振區，實現高效作業。本次的設計獲得的相關數據，對于以后的中心架設計也提供一定的參考經驗。